基于FPGA的频率与功率因数在线测量

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章  现场可编程门阵列(FPGA)和VHDL语言简介 1

1.1 电子设计自动化（EDA） 1

1.2 FPGA/CPLD简介 1

1.2.1 FPGA、CPLD的结构 2

1.2.3 基于 EDA工具的 FPGA/CPLD开发流程 2

1.2.4 ACEX1K器件简介 3

1.3 VHDL语言简介 4

1.4 MAX+PLUS‖简介 5

第2章  电网频率和功率因数测量的方案比较 7

2.1 实现方案比较与选择 7

2.2 常用频率测量方法 7

2.3 多周期同步测频法 8

2.3.1 测量原理 8

2.3.2 测频误差 10

2.4 常用功率因数测量方法 10

2.5 填充计数法测相原理与测量精度 11

第3章  硬件电路的VHDL语言实现 13

3.1 频率测量的系统模块构成 13

3.1.1 分频模块 13

3.1.2 计数模块 14

3.1.3 乘法模块 16

3.1.4 除法模块 17

3.1.5 数制转换模块 19

3.1.6 动态显示模块 20

3.1.7 电网频率测量系统模块构成 21

3.2 电网功率因数测量的系统模块构成 23

3.2.1 计数模块 24

3.2.2 移位模块 25

3.2.3 乘法模块 26

3.2.4 除法模块 26

3.2.5 相位—功率因数转换模块 27

3.2.6 动态显示模块 28

3.2.7 电网功率因数测量系统模块构成 28

3.3 总测量系统模块 30

3.3.1 频率－功率因数显示切换模块 31

3.3.2 总测量系统模块构成 32

3.4 器件编程/配置 33

第4章  设计优化 34

4.1 面积优化 34

4.1.1 资源共享 34

4.1.2 逻辑优化 35

4.1.3 串行化 37

4.2 速度优化 39

4.3 使用 MAX+PLUS‖优化设计 40

4.3.1 全局逻辑综合选项 40

4.3.2 打包 41

第5章  硬件设计 42

5.1 数字测量系统的硬件实现 42

5.2 接口电路设计 42

5.2.1 电网信号的检测 43

5.2.2 信号的放大 46

5.2.3 滤波电路设计 48

5.2.4 比较器的设计及选型 49

参考文献 52

致谢 53

附录A  顶层模块图 54

附录B  VHDL程序清单 58

FPGA的电网频率与功率因数在线测量

摘 要：在线频率和功率因数测量是电子测量领域里的一项重要内容，本设计除了对被测信号的检测、放大、滤波、比较和最后的数码显示部分必须用硬件实现以外，其余全部采用VHDL语言编程设计，并下载在一片FPGA(现场可编程门阵列)芯片上，整个系统非常精简，并能够达到同样的技术指标。根据不同的需要还可以重新编程下载，进行升级。FPGA器件作为系统控制的核心，其灵活的现场可更改性，可再配置能力，对系统的各种改进非常方便，在不更改硬件电路的基础上还可以进一步提高系统的性能。具有高速、精确、可靠、抗干扰性强和现场可编程等优点。

关键词：频率；功率因数；现场可编程门阵列；超高速集成电路硬件描述语言