Design of an Exact Multi -group Three -phase Sine Wave Signal G enerator Based on CP LD
袁达 周杏鹏
(东南大学自动化学院 江苏南京 210096)
[摘要] 文章介绍了基于CPLD 的多组高精度三相正弦波信号发生器的设计方法。以可编程逻辑器件CPLD 作为数据处理的核心，将存于ROM 的波形数据用DA 转换器件快速恢复，从而输出所需的多组三相信号。同时，本装置设计了良好的人机接口，可以方便地设定各参数。
非接触测量
[关键词] CPLD 单片机 V HDL
[中图分类号] TP 346 [文献标识码] B 在电网测量和控制电路中，常常需要多组三相正弦波信号发生器作为基准信号。基准三相正弦波的波形质量以及相位关系的准确度直接影响到电网测量和控制的精度。一个好的正弦波信号源，要求其输出的基准正弦波信号幅值、频率高度稳定，失真度小，带载能力强，幅值和频率均可调。对于多组三相正弦波信号，还要求三相对称度好，并且多组三相信号之间的相位关系能够精确可调。 火影忍者第二部
本文以CPLD 和单片机为核心，辅以必要的模拟电路构成了一个高精度的两组三相正弦波信号发生器。本系统的特在于采用单片机控制频率、幅值步进以及两组三相信号之间的相位关系，同时将这些参数实时显示出来，由于CPLD 中集成了大量的电路，使系统大大简化。 1 系统总体方案的设计
由于本系统要求输出两组三相正弦波信号，若采用常规的8位单片机作为主控制器，处理速度有点不够，而且也很难实现数据的并行输出要求。虽然采用主频更高、处理能力更强的32位机能达到要求，但是开发周期可能会延长，开发难度也会增加。如今可编程逻辑器件CPLD 的技术已相当成熟，结合其延时小、并行数据处理能力强的特点，完全可以实现上述要求。同时,CPLD 的价格也很便宜，具有较高的性价比。经过综合考虑，我们采用了单片机加CPLD 的方案。单片机的主要作用是参数的设定和人机交互，而CPLD 作为主控制单元，具体决定着两组三相正弦波信号的生成。换言之，单片机将控制权交给了CPLD ，与“DMA ”方式有点类似。为了叙述方便，我们先将系统输出的模拟信号分为两组：第一组(1A 、1B 、1C )，第二组(2A 、2B 、2C )。如图1所示，系统所需的参数通过按键传送到单片机89C52，这里所指的参数有3个：正弦波信号的幅值、频率以及两组三相信号的相位差，这些参数经单片机处理后传送到CPLD 。CPLD 模块产生六路数字信号，经DA 转换后产生两组三相正弦波信号。同时,CPLD 模块还产生一个幅度控制字，经DA 转换后的值Vref 作为六路正弦波信号的电压基准值，决定着正弦波信号的幅值大小
。
图1 系统总体框架
赖特
信号发生器的相位精度和波形质量很大程度上
取决于正弦波信号在一个周期内的取点数。由于CPLD 时钟延迟小，适用于大量数据的高速并行处理，在本系统中，我们在一个周期内取点数为360个，为了表述方便，先把它们设为x 1、x 2、x 3、……、x 360。另外，假设第二组三相信号滞后第一组15度，那么两组三相信号的相位关系如下:
1A :x 1、x 2、x 3…x 121、x 122、x 123…x 241、x 242、x 243…x 358、x 359、x 360
2A :x 16、x 17、x 18…x 136、x 137、x 138…x 256、x 257、x 258…x 13、x 14、x 15
1B :x 121、x 122、x 123…x 241、x 242、x 243…x 358、x 359、x 360…x 118、x 119、x 120
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1— 《仪器仪表与分析监测》2007年第3期
1C:x241、x242、x243…x358、x359、x360…x118、x119、x120…x238、x239、x240
……
刘西文此外，基准电压Vref决定着正弦波幅值的精度，对系统也很关键。在本系统我们选用了16位的DA转换芯片是DAC8541，其主要技术指标是: 16bit s精度、单通道、16bit s并行输入接口、转换速度100KSPS、线性误差±01003%。DAC8541的分辨力小于0105mV，可以达到较高的精度要求。
2 CPLD模块的设计
CPLD是近20年来发展起来的大规模可编程逻辑器件，随着EDA技术和微电子技术的进步, CPLD的时
钟延迟可达到ns级，结合其并行工作方式，在超高速、实时测控方面有非常广阔的应用前景，同时由于CPLD的高集成度、高可靠性，其体积也大大缩小了。此外,CPLD还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，这样就极大地提高了电子设计系统的灵活性和通用性。由于以上特性，它已成为实现当今电子系统集成化的重要手段。
本系统中选用的CPLD芯片是Altera公司的MAX7000系列芯片EPM7256，它的工作电压是313V，最高时钟频率可达19213M Hz，时钟延迟只有415ns。经过仿真，本系统中所需的宏数目大约为200个，而EPM7256有256个宏，满足系统要求，并且留有一定裕度。
如图2所示，我们先对CPLD内部结构进行分析。系统所需的三个参数：正弦波的幅值、频率以及两组三相信号之间的相位差，经过信号选择(见图1)，由89C52的IO口传送到CPLD的控制寄存器模块中。其中，正弦波的幅值经控制寄存器模块处理后生成幅值控制字并输出。另外，正弦波的频率经控制寄存器模块处理后生成频率控制字，再由分频器模块产生标准的频率信号。
如图2所示，我们在CPLD内部建立一张表(ROM)用以存储360个波形数据，而正弦波信号在某一时刻的波形数据正是通过查表法获得的。模360计数器模块产生的计数值作为第一组A相的寻址信号，然后通过查堆放在ROM中的数据，我们就可以得到第一组A相的波形数据。第一组B相的寻址信号通过加法器模块后滞后120度,C相信号再滞后120度
。
图2 CPLD内部结构图
两组三相信号之间的相位差，是通过相位差控制字取得的。经过加相位差模块计算出第二组A 相的寻址信号，然后通过查ROM中堆放的数据，我们就可以得到A相信号在相应时刻的波形数据。
第二组B相和C相波形数据的取得类似于第一组信号，不作赘述。
利用V HDL语言，完成CPLD内部各模块的编写。然后将各模块组合起来，调试通过后固化到
EPM7256中，以完成CPLD部分的设计。下面对各小模块作简要分析。
控制寄存器：接受单片机传输来的参数，并判断是何参数，生成相应的幅度、频率或相位差控制字。
分频器：根据频率控制字及外部时钟频率输出系统所需的频率信号，通常是由计数器构成的。
模360计数器：对来自分频器的标准频率信号进行计数，其结果作为第一组A相的寻址信号。
加法器：计数值(寻址信号)加上120度，使正弦波信号滞后120度。
加相位差：根据相位差控制字调整两组三相信号之间的相位差，可以超前也可以滞后，实际上是一个加法器。
中国武术散打功夫王争霸赛3 单片机软件模块的设计
由图1，我们知道信号发生器的3个参数是通过按键方式传送到单片机89C52里的，并实时显示在八段数码管L ED上。单片机89C52的工作过程如图3所示，单片机89C52一旦检测到有按键按下，即作判
断，如果是幅值键、频率键或相位键被按下，就开始接受新的参数，若该参数在设定的范围内，就接收该数据，并通过单片机的IO口传送到CPLD中，否则就放弃该数据，等待新按键按下。利用单片机89C52、键盘以及L ED，我们(下转第15页)
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基于CPLD的多组高精度三相正弦波信号发生器 袁 达，等
检测到有电压输入,T 1截止,Q 1截止，系统由外部
电源供电，经过L M2575稳压后，输入稳定的电压。而此时,T 2导通,Q 2也受控导通。此时，外部电源在给系统供电的同时，也给锂电池充电[3]。
4 电源稳压模块
湖北科技学院学报
电源设计中，习惯用7805稳压块产生5V 电压。但7805的一个明显缺点，是效率比较低且当输入电压大于12V 时，发热会很厉害，最大的输入电压也只能到15V 左右。原因在于7805属于线性稳压，即如果输入12V ，就有7V 电压是完全的发热浪费掉，解决这个问题的有效方法是改用开关式的电源IC 。L M2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1A 集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚，是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。
L M2575主要特性为输入电压最高40V ；最大输出电流1A ；只需要4只外围元件;T TL 关闭功能，待机状态极低功耗；转换效率75%～88%；具有温度及电流限制保护功能。L M2575的在本系统电源的应用图如图4所示。本系统中，三种输入电源
形式即220V AC 整流后电压、车载12/24V DC 、锂电池提供的电压均直接接在L M2575的输入端，经过电压转换，输出5V 电压直接供给系统供电[4]
。
图4 L M2575典型稳压电路
5 小结
本设计提供了一种便携式气体检测仪的电源的
设计方案，实现了电源之间的自动切换、AD -DC 、DC -DC 之间的转换，满足了系统要求，对整个系统的整体设计有着重要意义。
参考文献[1] 韩顺杰，刘婵媛，艾新.一种车载便携式消毒箱
的电源设计[J ].仪器仪表用户,2005(6):147.[2] 赵文智，韩文秀.便携式计算机电源的系统适
应性研究[J ].中国民航学院学报,2006(4):36.[3] 王美玲，付梦印，刘武光.便携式设备的电源方
案设计[J ].电子科技,2002(10):51.[4] 薛明军，张辉，赵敏.LM2575系列开关稳压集成
电路及其应用[J ].国外电子元器件,2001(1):68.
(上接第13页)构建了良好的人机接口，这为我们实
时设定系统的参数提供了极大的方便，同时也使系统更易操作
。
图3 单片机89C52的程序框图
4 结束语
基于CPLD 的多组高精度三相正弦波形发生器的设计和研制过程，充分利用V HDL 硬件描述语言方便的编程，提高了开发效率，缩短了研发周期，而且系统的调试方便，修改容易。实验表明系统产生的波形稳定，抗干扰能力强，频率、相位和幅度调节方便，精度高，有一定的开发及生产价值。
本信号发生器已用于交流电网测定子项目的参数模拟和校正，效果良好。
参考文献[1] 徐志军，徐光辉.CPLD/FP GA 的开发与应用
[M ].北京：电子工业出版社,2002:1272190.[2] 宋仲康，孔利东.基于VHDL 语言的信号发生器的
设计与实现[J ].工业控制技术,2006(8):80283.[3] 王永，何凯，沈颂华.数字式单相和三相基准正弦
波信号发生器[J ].电测与仪表,2003(10):16218.
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1—一种便携式气体检测仪的电源设计 胡栋铭，等
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