晏勇

（阿壩師范高等專(zhuān)科學(xué)校物理與電子科學(xué)系，四川汶川 623002）

基于FPGA三相正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

晏勇

（阿壩師范高等專(zhuān)科學(xué)校物理與電子科學(xué)系，四川汶川 623002）

Alter公司CycloneⅡ系列EP2C20Q240C8為核心處理器，設(shè)計(jì)基于LPM＿ROM三相正弦信號(hào)發(fā)生器。通過(guò)讀寫(xiě)LPM＿ROM正弦波數(shù)據(jù)，QuartusⅡ開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成綜合仿真配置，SignalTapⅡ嵌入式邏輯分析儀實(shí)時(shí)捕獲顯示三相正弦信號(hào)，連接10位串行D／A轉(zhuǎn)換器TLC5615實(shí)現(xiàn)既定功能。

EP2C20Q240C8；LPM＿ROM；三相正弦波；SignalTapⅡ；TLC5615

0 引 言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，三相正弦信號(hào)發(fā)生器作為一種基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、電力電子等行業(yè)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室。傳統(tǒng)模擬信號(hào)發(fā)生器硬件電路復(fù)雜繁瑣，輸出波形受使用時(shí)間、硬件和環(huán)境因素影響大，輸出信號(hào)頻率和幅度漂移大、穩(wěn)定性差、精度低。本文根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了基于FPGA三相正弦信號(hào)發(fā)生器，采用FPGA為核心控制器，用純軟件方法實(shí)現(xiàn)三相信號(hào)，實(shí)踐證明利用FPGA設(shè)計(jì)三相信號(hào)發(fā)生器體積小、可靠性高、精度高、漂移小、功耗低，具有很高的實(shí)用價(jià)值，可廣泛用于實(shí)際生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與功能模塊

基于FPGA三相正弦波發(fā)生器由FPGA最小系統(tǒng)、頻率合成器、地址發(fā)生器、LPM＿ROM正弦波查找表、D／A轉(zhuǎn)換器和濾波電路等模塊構(gòu)成如圖1。FPGA最小系統(tǒng)包含系統(tǒng)供電電路、系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘、JTAG配置端口、AS配置端口、EPCS4配置器件、USB-blaster等；LPM＿ROM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)正弦波數(shù)據(jù)；頻率合成器由FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘倍變頻，在頻率合成器輸出時(shí)鐘控制下產(chǎn)生LPM＿ROM正弦波查找表地址，通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換與濾波電路還原正弦波信號(hào)。頻率合成器輸出時(shí)鐘越高，地址發(fā)生器產(chǎn)生地址頻率越高，查找表尋址速度越快，輸出正弦信號(hào)頻率越高。三相正弦交流信號(hào)電壓相位相差120°，計(jì)算三相正弦信號(hào)周期，改變LPM＿ROM正弦波數(shù)據(jù)，得到穩(wěn)定三相信號(hào)。

圖1 基于FPGA三相正弦波發(fā)生器系統(tǒng)框圖

2 三相正弦波信號(hào)設(shè)計(jì)

2．1 LPM＿ROM宏功能模塊制定

LPM＿ROM宏功能模塊制定分為ROM初始化和LPM＿ROM宏功能模塊調(diào)用及設(shè)定。ROM初始化是向ROM中寫(xiě)入三相正弦波一個(gè)周期采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，ROM地址發(fā)生器通過(guò)尋址查找存儲(chǔ)在ROM的正弦波數(shù)據(jù)信號(hào)。QuartusⅡ接受兩種初始化文件Memory Initialization File（．mif）和Hexadecimal（．hex）格式，常用mif格式［1］。Mif文件生成方法有直接編輯法、文件編輯法、編程語(yǔ)言生成法和專(zhuān)用mif文件生成器，正弦波信號(hào)采集用直接編輯法和編程語(yǔ)言生成法混合生成正弦波mif文件。新建Memory Initialization File文件，設(shè)置采集數(shù)據(jù)寬度為10位，深度1024；將生成數(shù)據(jù)導(dǎo)入mif文件，完成mif文件制定［2］，C語(yǔ)言程序格式如下：

LPM＿ROM調(diào)用和設(shè)置，在原理圖模式下單擊Mega Wizard Plug－In Manager管理器，選擇Create a new Megafunction variation復(fù)選框，Memory Compiler選擇ROM：1－PORT，設(shè)置輸出數(shù)據(jù)寬度10 bit，數(shù)據(jù)深度1 024 bit，存儲(chǔ)器構(gòu)建方式M9K，指定路徑載入mif文件，完成ROM制定。

ROM地址信號(hào)發(fā)生器，由計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，數(shù)據(jù)寬度10 bit，可以采用VHDL文本制定，也可以采用LPM＿Counter制定，改變計(jì)數(shù)器步進(jìn)長(zhǎng)度，可改變輸出信號(hào)頻率。單相正弦波頂層文件包含地址發(fā)生器和ROM存儲(chǔ)器，頂層文件如圖2，功能仿真如圖3。原理圖模式下選擇Creat／Update-Creat Symbol Current File建立原件符號(hào)為三相正弦波發(fā)生器調(diào)用［3］。

圖2 正弦波頂層文件

圖3 正弦波功能仿真圖

2．2 移相模塊設(shè)計(jì)

地址信號(hào)發(fā)生器時(shí)鐘inclk頻率f0與每個(gè)周期采集正弦波點(diǎn)數(shù)及D／A輸出正弦波頻率關(guān)系f＝，正弦波每個(gè)周期采集1 024個(gè)點(diǎn)，周期內(nèi)采集正弦波點(diǎn)數(shù)越多輸出波形失真越小，ROM地址總線(xiàn)寬10 bit，深度1 024，輸入信號(hào)頻率為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率50 MHz，D／A輸出正弦波頻率48 kHz。三相正弦波相與相間幅度頻率相同，位相差120°，一個(gè)周期內(nèi)B相比A相滯后，C相比B相滯后，ABC三相分別建立3個(gè)ROM頂層文件，通過(guò)文件中不同mif文件產(chǎn)生ABC三相信號(hào)［5］，A相mif文件周期正弦信號(hào)采集點(diǎn)相位從0°～360°，B相mif文件周期正弦信號(hào)采集點(diǎn)相位從＋120°～－120°，C相mif文件周期正弦信號(hào)采集點(diǎn)相位從＋240°～－240°，實(shí)現(xiàn)ABC三相正弦信號(hào)［6－7］。

2．3 頂層電路設(shè)計(jì)與仿真

三相正弦信號(hào)發(fā)生器分別由ABC單相正弦信號(hào)作為底層文件生成頂層文件，三相信號(hào)發(fā)生器頂層文件如圖4，功能仿真后波形文件［8－9］如圖5。

圖4 三相正弦波發(fā)生器頂層文件

圖5 三相正弦波發(fā)生器波形仿真圖

SignalTapⅡ嵌入式邏輯分析儀捕捉系統(tǒng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)或總線(xiàn)數(shù)據(jù)流，不影響系統(tǒng)正常工作，將捕捉樣本信號(hào)暫存于目標(biāo)器件嵌入式RAM中，通過(guò)JTAG配置端口送入計(jì)算機(jī)顯示和分析［10］。在NEW窗口中選擇SignalTapⅡLogic Analyzer File建立SignalTapⅡ文件，SignalTapⅡ待測(cè)文件Instance與文本文件實(shí)體名相同；調(diào)入待測(cè)信號(hào)并設(shè)置SignalTapⅡ參數(shù)，工作時(shí)鐘CLK，采樣深度4K，JTAG模式下啟動(dòng)SOFManager下載sof文件并進(jìn)行配置，待測(cè)信號(hào)選擇總線(xiàn)模式Bus Display Format-Unsigned Line Chart［11］運(yùn)行SignalTapⅡ?qū)崟r(shí)采集波形如圖6。

圖6 三相正弦波發(fā)生器SignalTapⅡ嵌入式邏輯分析儀采集波形圖

3 D／A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

TLC5615是TI公司SPI串行10位D／A轉(zhuǎn)換器DIP8封裝，電源VCC為5 V，基準(zhǔn)電壓VREF為2 V，片選信號(hào)CS低電平有效，串行輸入最高頻率14MHz，3根串行總線(xiàn)完成10位D／A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入輸出［12］。TLC5615內(nèi)部包含一個(gè)10位DAC寄存器；一個(gè)16位移位寄存器分為高4位虛擬位，低兩位填充位和10位有效位；兩種工作模式，模式1：12位數(shù)據(jù)序列方式，向16位移位寄存器輸入高10位D／A轉(zhuǎn)換有效位，低兩位填充位輸入任意兩位數(shù)字，12個(gè)時(shí)鐘脈沖；模式2：16位數(shù)據(jù)序列方式，比模式1增加4位虛擬位，16個(gè)時(shí)鐘脈沖。輸出電壓，N輸入二進(jìn)制數(shù)，D／A串行通信VHDL程序如下［13］。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)利用EDA技術(shù)，在QuartusⅡ上完成了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與仿真測(cè)試，使硬件功能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高開(kāi)發(fā)效率。測(cè)試結(jié)果證明基于FPGA三相正弦波發(fā)生器具有精度高，穩(wěn)定度高，設(shè)計(jì)靈活簡(jiǎn)單易升級(jí)等特點(diǎn)，可廣泛用于實(shí)際生產(chǎn)和教學(xué)。

［1］陳賾．CPLD／FPGA與ASIC設(shè)計(jì)實(shí)踐教程［M］．北京：科學(xué)出版社．2010，9：120－160．

［2］潘松，黃繼業(yè)．EDA技術(shù)實(shí)用教程—VHDL版［M］．北京：科學(xué)出版社．2010，6：160－293．

［3］李俊．EDA技術(shù)與VHDL編程［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2012，6：91－136．

［4］張洪潤(rùn)，張亞凡．FPGA／CPLD應(yīng)用設(shè)計(jì)200例（下冊(cè)）［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社．2009，1：113－332．

［5］鄒宏．基于FPGA的三相高精度工頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．杭州：杭州電子科技大學(xué)．2012，5：11－42．

［6］張博，孫偉波，張軼鵬．?dāng)?shù)字合成式三相低頻正弦波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)［J］．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用．2013，24（4）：80－86．

［7］童子權(quán)，李雙力，任麗軍，等．基于SOPC的三相信號(hào)源的研究［J］．電子測(cè)量技術(shù)．2009，16（12）：10－13．

［8］徐運(yùn)武，周澤湘．基于FPGA＿LPM多功能信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)［J］．電子設(shè)計(jì)工程．2011，32（8）：197－182．

［9］朱其新，李輝，楊輝，等．基于SOPC的三相信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)［J］．自動(dòng)化與儀表．2010，26（4）：16－19．

［10］鄭爭(zhēng)兵，魏瑞，陳正濤．一種基于FPGA的高速數(shù)據(jù)通道的實(shí)驗(yàn)方法［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索．2012，19（12）：78－81．

［11］應(yīng)芳琴．基于FPGA的內(nèi)部信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法研究［J］．中國(guó)現(xiàn)代教育裝備．2011，17（1）：70－71．

［12］左現(xiàn)剛，余周，侯志松，等．基于SPI總線(xiàn)的TLC5615在AVR單片機(jī)中的應(yīng)用［J］．河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）．2011，15（8）：94－97．

［13］王媛媛，劉樹(shù)林，劉寧莊，等．基于FPGA的串行通信控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．微型機(jī)與應(yīng)用，2011，12（3）：57－63．

Design and Realization of a FPGA－based 3－phase Sinusoidal Signal Generator

YAN Yong
（Department of Physical and ElectronicScience，Aba Teachers Junior College，Wenchuan Sichuan 623002，China）

Using Alter's Cyclone IIseries EP2C20Q240C8 as the core processor，this paper designs a 3－phase sinusoidal signal generator based on LPM＿ROM．By reading and writing LPM＿ROM sinusoidal data，QuartusⅡdevelopment platform completes comprehensive simulation configuration．SignalTapⅡembedded logic analyzer conducts real－time capture and display of the 3－phase sinusoidal signal and connects 10－bit serial D／A converter TLC5615 to perform the designated function．

EP2C20Q240C8；LPM＿ROM；3－phase sinusoidalwave；SignalTapⅡ；TLC5615

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．013

TP346

A

1000－3886（2014）04－0038－03

晏勇（1983－），男，四川郫縣人，物理與電子科學(xué)系講師，研究方向嵌入式系統(tǒng)。

定稿日期：2014－03－20

阿壩師范高等專(zhuān)科學(xué)校校級(jí)課題資助項(xiàng)目（ASB10－15），基于fpga和dds技術(shù)的變頻三相交流電源研發(fā)