基于FPGA的频率与功率因数在线测量 二

基于FPGA的频率与功率因数在线测量

摘  要：本设计主要实现的是基于可编程逻辑器件（FPGA）的电网频率与功率因数的在线测量。采用自顶向下（Up-down）的设计方法，先选用模拟器件对电网电压、电流信号进行检测、放大、滤波与过零比较，从而得到方波信号，再利用FPGA器件实现频率与功率因数的在线测量。数字测量中采用VHDL硬件描述语言。该系统以FPGA器件作为控制的核心，使整个系统显得尤为精简，同样能达到所要求的技术指标，具有灵活的现场更改性，还有高速、精确、可靠、抗干扰性强等优点。

关键词：；现场可编程门阵列；硬件描述语言；频率；功率因数

目    录

摘  要 Ⅲ

Abstract Ⅳ

第1章  绪论 1

1.1  课题的前沿发展趋势 1

1.2  方案比较与选择 2

1.2.1  总体方案的比较与选择 2

1.2.2  频率测量方案比较与选择 2

1.2.3  功率因数测量方案比较与选择 3

第2章  可编程逻辑器件及其硬件描述语言 4

2.1  电子设计自动化（EDA）的概念及其发展概述 4

2.2  基于EDA工具的FPGA/CPLD开发 4

2.3  用FPGA/CPLD进行开发的优缺点 6

2.4  ACEX1K系列CPLD器件的结构与特点 7

2.4.1  ACEX1K系列CPLD芯片的总结构 7

2.4.2  逻辑阵列块（LAB） 7

2.4.3  隐埋阵列块（EAB） 8

2.4.4  逻辑单元（LE） 9

2.5  硬件描述语言（VHDL） 9

2.5.1  VHDL语言简介 9

2.5.2  VHDL语言设计步骤 10

2.5.3  利用VHDL语言开发的优点 11

2.6  MAX+PLUSⅡ简介 12

2.7  ispPAC的介绍 13

2.7.1  ispPAC的原理 13

2.7.2  ispPAC的开发流程 13

第3章  基于FPGA的频率测量以及功率因数的测量 15

3.1  频率测量的系统总模块 15

3.1.1  分频模块 15

3.1.2  计数模块 16

3.1.3  乘法模块 17

3.1.4  除法与数制转换模块 18

3.1.5  动态显示模块 20

3.1.6  电网频率测量系统模块构成 22

3.2 功率因数测量的系统总模块 23

3.2.1  计数模块 23

3.2.2  移位模块 24

3.2.3  运算模块 25

3.2.4  相位—功率因数转换模块 26

3.2.5  动态显示模块 27

3.2.6  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

3.4  器件编程/配置 31

第4章  硬件系统的设计 32

4.1  电流电压传感器检测电网信号 32

4.1.1  电流电压传感器的用途和特点 32

4.1.2  工作原理 33

4.1.3  霍尔电流传感器 33

4.1.4  霍尔电压传感器 36

4.2  ispPAC设计放大器 36

4.3  运算放大器（LM741）设计滤波器 38

4.4  电压比较器 39

4.5  数字系统主要硬件实现 40

4.6  硬件系统总框图 41

小结 42

参考文献 43

致谢 44

附录A  顶层模块图 45

附录B  VHDL程序清单 49