CPLD在多功能谐波分析仪设计中的应用

2012-11-07 14:18:27来源: 21ic
1采样方法比较

对三相电压、电流6路模拟量进行数据采集时,一般有两种方法:①同相电压电流交替采样法:在被测信号的一个周期内,采样256点,其中128个奇数点为电压采样点;128个偶数点为电流采样点。采电压和采电流的时差为Δt=T/256(T为被测信号周期)。由Δt引起的同相电压电流的相位误差为δui=360*f*n*Δt(度)。式中f——被测信号频率,n——谐波次数。由上式可知相位误差随时差Δt、谐波次数n增大而增大,这是造成相位差存在并且不一致的根本原因。另外还有一个原因,当电网频率畸变时,由于采样是定时采样,不能跟随频率变化,也会造成测量误差。②同相电压电流整周期同步采样法:同相电压、电流采取的是同步采样,分时传输的方法。这样,就不存在时差问题,相位差也就不存在;对于电网频率畸变的问题,常用的方法是锁相环技术。它是通过对电网电压信号取样进行带通滤波,提取出电网基波信号,然后进行整形处理,获得与基波信号频率一致的方波信号,将它进行锁相倍频,获得输出频率为f0=N*fi的方波信号,以此作为整周期同步采样脉冲信号。由此,采样间隔也就随被测信号的频率变化而相应变化,但是,这又增加了硬件的开销。在本设计中,采用的是整周期同步采样方法:由CPLD和单片机配合产生符合要求的整周期同步采样脉冲信号。

2工作原理及硬件构成

2.1系统的工作原理

首先让被测信号经过抗混叠低通滤波器电路进行预处理,对其中1路信号通过测频模块进行精确的频率测量,把频率参数传输到单片机,由其通过运算确定分频系数,然后,回送到CPLD的总控制器中,总控制器由此产生采样脉冲信号。在采样过程中,对于同相电压、电流信号采用的是同步保持,通过多路开关分时采样。其中,3路采样保持器的控制信号Ca,Cb,Cc,多路开关的地址选通信号A1,A2,A3由CPLD控制产生。把选通的1路信号送入AD开始转换,并检测转换结束信号。当一次AD转换结束时,通过RAM地址发生器产生的地址和读写控制时序,把AD转换的结果直接送入双口RAM存储。然后,进行下一次采样。当A相信号采样完成后,就顺序采样B相、C相信号。本设计中的MCS51单片机主要负责运算及人机接口的管理,这将大大提高整个系统的运行效率,提高了运算的精度,又兼顾了运算的响应速度。

2.2主要硬件的选择

由于CPLD是高速器件,所以在采样频率很高的时候,多路开关和AD转换器就成为制约采样频率的主要因素。当采样频率达到兆级的时候,RAM的存储速度又成为了另外一个制约因素。

在本设计中,要求分析的谐波次数达到50次,被测信号在45Hz~55Hz范围内,频率自动跟随。根据香农定理知:采样频率应该大于或者等于被测信号频率的2倍。要求每个周期采样128点,这样总的采样频率为f=128*55*2=14.08kHz,所以采样周期为T=1/fs=71.02μs。采样保持器选择AD582,它是反馈型结构,在精度要求不高(≤0.1%)而速度要求较高时,可选用CH=1000pF,捕捉时间tAC≤6μs。多路开关选用MAX382,它开关速度快,在双电源,连续供电工作方式下,典型开关时间在100ns左右。它的主要特点是:工作电压低、通道电阻小(≤100Ω)、具有数字输入锁存、TTL/CMOS电平兼容、具有ESD静电保护功能等。ADC转换器选用MAX172,该芯片是5V电源供电的12位模数转换芯片,CMOS工艺制造,速度快,转换时间为10μs,具有基准源,外接时钟,频率要求为1.25MHz。

2.3CPLD器件简介

在本设计中选用的是EP1K100QC208-3,它是ALTERA公司推出的ACEX1K系列下的一款FPGA芯片。上电时需要重新对芯片进行配置。片内有100,000可用门,有4,992个逻辑单元,内嵌12个EAB。每个EAB的容量为512Byte,可以非常方便地构造RAM、ROM、FIFO或双口RAM等功能。本设计中6KB的双口RAM正是基于此构建的。其有208个管脚,可用I/O管脚数为147个。

3CPLD内部电路实现

本设计的软件是在MAX+plusII10.2下完成的,顶层文件是*.gdf图形文件,低层用AHDL硬件描述语言来描述。

3.1测频模块

测频模块的主要作用是:①测量电网频率;②确定分频系数,产生跟随频率变化的同步脉冲。测频原理:由于测量的频率在50Hz左右,采用脉宽测量方式,即首先对被测信号进行2分频,使信号的正负脉宽相等,然后利用正脉宽对50MHz的标准脉冲进行计数。正脉宽上升沿来时,计数器开始对标准脉冲计数;下降沿来时,锁存当前的计数值Con。通过以下关系确定频率f、分频系数N。
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关键字:CPLD  谐波分析仪  plusII10.2

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/1107/article_6263.html
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