杨盼盼，李华伟

（北京交通大学 北京100044）

随着直流输电技术的应用发展，高压电缆线路和补偿电容的增多，电力系统中的谐波分量将大大增加，它给电力设备和弱电系统带来了谐波污染[1]，并且电力电子装置的日益增多，使电网中的高次谐波愈来愈严重。 因此，检验谐波控制设备的性能， 或者测试负载设备在收到扰动时的工作情况等，需要一些专门的谐波发生器来产生所需的谐波[2]。 目前设计信号波形发生器的方法主要有3 种[3]：传统的直接频率合成技能（DS），锁相环式频率合成器（PLL），直接数字式合成器（DDS）。 文献[4]中设计了基于FPGA LPM 多功能信号发生器，其产生的波形为锯齿波，三角波，阶梯波和方波等规则波形，其波形数据采用数据表格输入，对于复杂的畸变波形信号的产生有很大的局限性。

以上信号发生器和一些常用的函数发生器都只能产生常用的正弦波、方波和锯齿波等常规波形，作为电路的激励源，能满足一般的实验和研究的需要，不能满足检验谐波控制设备的需要，因此文中提出了一种基于FPGA 中LPM 的畸变波形发生器的电路设计。 该系统对保证今后电力系统谐波的检测与研究，具有十分重要的技术意义和经济价值。

1 电路设计原理

LPM 是FPGA 中的参数可设置模块库，Altera 提供的可参数化宏功能模块是基于Altera 器件的结构做了优化设计。QuartusII 中含有功能强大的LPM_ROM 模块。 在波形发生器的设计中，在ROM 中储存有数据，改变地址，就可以读出对应地址的数据， 改变地址的变化频率， 通过建立参数化的LPM_ROM 并存入所需要额波形数据并进行验证[5]。

图1 所示的畸变波形发生器的结构由4 个部分组成：FPGA 模块、8 位DA 芯片、二阶低通滤波器、幅度调节器。FPGA 采用EP4CE30F23C8N，顶层singal.vhdl 在FPGA 中实现，包含2 个部分：一是ROM 的地址信号发生器，由6 位计数器担任；二是一个谐波信号数据ROM，由LPM_ROM模块构成。LPM_ROM 底层是FPGA 中的EAB、ESB 或M4K等模块。 地址发生器的时钟CLK 的输入频率f0与每周期的波形数据点数（选择512 点）得出D/A 输出的频率f 的关系是：

图1 系统总体结构图Fig. 1 Structure diagram of the power control unit test system

2 系统硬件设计

模拟输出硬件电路图如图2 和图3 所示。

图2 AD9708 电路图Fig. 2 Circuit of the AD9708

图3 AD8065 电路图Fig. 3 Circuit of the AD8065

该模拟端硬件电路由电源模块，高速DA9708 芯片、截止频率为1 kHz 的二阶低通滤波器、正负5 V 的幅度调节电路构成。 DA9708 采用单电源供电的低功耗电流输出型高速数模转换器，转换速度高达125MSPS，建立时间不大于35 ns，转换精度为1/4LSB，内置1.2 V 参考电压，输出端采用查分电流输出。

3.3 V 和负5 V 电源模块如图4 和图5 所示， 其分别采用LM1117 和MC34063 电源芯片，LM1117 提供电流限制和热保护，芯片电路包含1 个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内，输出端需要一个至少10 μF 的钽电容可以改善瞬态响应和稳定性。

AD9708 芯片差分输出以后，为了防止噪声干扰，电路中接入了二阶低通滤波器，截止频率为1 kHz，其Multisium 仿真电路如图6 所示。

图4 3.3V 电源模块硬件电路图Fig. 4 Circuit of 3.3V power modules

图5 负5V 电源模块硬件电路图Fig. 5 Circuit of －5V power modules

频率响应如图7 所示，由图7 可知，其截止频率为1 kHz。

图6 二阶低通滤波器仿真电路图Fig. 6 Circuit simulation of Second-order low-pass filter

滤波器之后， 使用了2 片高性能145 MHz 带宽的运放AD8065，实现差分变单端，以及幅度调节功能，是整个电路性能得到而最大限度的提升。 幅度调节， 使用的是5K 的电位器，最终的输出范围－5～5 V（10 Vpp）。

图7 频率响应图Fig. 7 Graph of the frequency response

3 系统软件设计

3.1 系统软件结构设计

系统软件设计结构图如图8 所示。

图8 系统软件设计结构图Fig. 8 Schematic diagram of the software test system

在软件设计中，由MATLAB 生成畸变波形数据，在文档编辑器中生成LPM 可识别的mif 文件，然后导入LPM 模块，在FPGA 运行过程中，时钟设定为40 MHz，并且对LPM 模块进行查表法输出。

3.2 MATLAB 生成谐波波形数据文件

电网稳态的供电电压波形为工频正弦波形，数学表达式为：

以含1、3、5 次谐波的畸变波形为例的表达式为：

U sin（ωt+α）项称为基波，其周期与原畸变波形的周期相同，其它各相均为谐波。 由于谐波的频率是基波频率的整数倍，所以U sin（3ωt+α）项称为三次谐波，U sin（5ωt+α）项称为五次谐波。在matlab 仿真中的含1，3，5 次谐波的畸变波形如图9 所示，并产生畸变波形数据。

图9 含1、3、5 次谐波的畸变波形图Fig. 9 The chart of distortion waveform with 1st，3rd， 5th harmonics

Matlab 生成波形数据的部分程序为：

index = linspace（0，2*pi，2^9）；

cos_value =sin （index）+（1/3）*sin （3*index）+（1/5）*sin（5*index） ；

cos_value = cos_value * （2^7 -1 ）；

cos_value = fix（cos_value）；

for i=1:512

cos_value（i）=cos_value（i）+128；

end

3.3 定制LPM_ROM 初始化数据文件

QuartusII 能接受的LPM_ROM 中的初始化数据文件的格 式 有 2 种：Memory Initialization File （.mif） 格 式 和Hexadecimal（Intel-Format）File（.hex）格式，利用QuartusII 的Text File 编辑， 以后缀名mif 格式存盘， 便可得到Memory Initializationg File 格式的文件[6]。 本设计采用512 点谐波波形数据[7]，将MATLAB 生成的512 点波形数据导入QuartusII中。

生成mif 文件的部分程序为：

WIDTH=8；

DEPTH=512；

ADDRESS_RADIX=UNS；

DATA_RADIX=UNS；

CONTENT BEGIN

0:80；

1:82；

2:84；

3:86；

....（数据略去）

END；

4 实验对比

对设计好的电路板进行编程后，通过FPGA 板中JTAG 仿真器把程序加载到系统中运行，用TEK 示波器进行测量[8]得出了具体变波形图， 图10 和图11 列出了 含3，5，7 次谐波的畸变波形信号，并通过MATLAB 仿真与输出波形进行了对比，其中，左侧为示波器实际测量波形，右侧为MATLAB 仿真波形。

图10 含3，5，7 次谐波的畸变波形Fig. 10 The chart of distortion waveform with 3rd，5th，7th harmonics

5 结 论

图11 含3，5，7 次谐波MATLAB 波形Fig. 11 The chart of distortion waveform with 3rd，5th，7th harmonics in matlab

该系统采用MATLAB 生成畸变波形数据以及基于FPGA 中的LPM 模块系统对波形数据进行处理，最后通过硬件电路对数字信号进行模拟转换输出[9]，通过对比实验波形和MATLAB 仿真波形，得出了系统产生的波形具有了谐波信号的特征，并且输出波形平滑稳定，没有杂波，可以用于检测谐波控制设备的性能，极大缩短了畸变波形发生器开发的周期，具有很好的应用前景。

[1] 郑奎璋，谭伟，沈晓凡，等. 微机型三相谐波发生装置[J].电网技术，1987（3）:29-31.

[2] 安刚. 基于DSP的任意次谐波发生器的设计[D]. 哈尔滨工业大学，2008.

[3] 曾菊容. 基于FPGA和DDS技术的任意波形发生器设计[J].现代电子技术，2010（24）:98-100.

[4] 徐运武，周泽湘. 基于FPGA LPM多功能信号发生器设计[J].电子设计工程，2011（15）:179-182.

[5] 权建军. FPGA中LPM_ROM及其MATLAB模拟仿真[J]. 兰州工业高等专科学校学报，2009（4）:13-17.

[6] 谢亮. 基于FPGA的ROM数据定制的几种方法[J]. 科技广场，2008（10）:160-161.

[7] 张国飞，崔志胜，徐广鑫，等. 基于瞬时无功功率理论的APF谐波补偿能力的仿真研究[J]. 陕西电力，2012（11）:77-81.

[8] 王文龙，张少博，陈海峰. 一种试验数据处理软件设计[J].火箭推进，2012（1）:76-80.

[9] 胡异丁，欧进发，钟滔. 基于LabVIEW的无线心率测量系统的设计[J]. 电子设计工程，2015（7）:43-45.