一种基于fpga的闭环控制正弦信号基准生成系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于FPGA的闭环控制正弦信号基准生成系统，包括：PID控制器，接收一设定幅值和一设定相位；正弦基准生成模块，连接PID控制器；数模转换器，连接正弦基准生成模块；滤波及调理电路，连接数模转换器；模数转换器，连接滤波及调理电路；数字高通滤波器，连接数模转换器；信号解调电路，连接数字高通滤波器；数字低通滤波器，连接信号解调电路以及PID控制器，对经过解调后的数字信号进行低通滤波，提取得到幅值和相位，将所得到的幅值和相位分别与设定幅值及设定相位输入PID控制器。
【专利说明】—种基于FPGA的闭环控制正弦信号基准生成系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电子电路领域，特别涉及一种基于FPGA的闭环控制正弦信号基准生成系统。
【背景技术】
[0002]伴随着继电保护的发展历程，继电保护测试系统及测试技术也在不断发展进步，同时也对测试系统提出了更高的要求。首先，继电保护测试系统作为校准和测量系统，需要提供高精度的信号源；其次，为了方便现场使用及测试，需要测试系统小型化、轻量化、便于携带。需要同时满足以上两点较为困难。
实用新型内容
[0003]本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提供了一种。
[0004]本实用新型通过以下技术方案实现:
[0005]一种基于FPGA的闭环控制正弦信号基准生成系统，包括:
[0006]PID控制器，接收一设定幅值和一设定相位；
[0007]正弦基准生成模块，连接PID控制器，用以输出正弦信号；
[0008]数模转换器，连接正弦基准生成模块，用以将正弦信号转换为模拟信号；
[0009]滤波及调理电路，连接数模转换器，对模拟信号进行滤波及调理；
[0010]模数转换器，连接滤波及调理电路，用以将接收到的模拟信号转换为数字信号；
[0011]数字高通滤波器，连接数模转换器，用于将模数转换器输出的数字信号进行高通滤波，消除直流分量和慢变误差信号；
[0012]信号解调电路，连接数字高通滤波器，用于对经过消除直流分量和慢变误差信号后的数字信号进行解调；
[0013]数字低通滤波器，连接信号解调电路以及PID控制器，用于对经过解调后的数字信号进行低通滤波，提取得到幅值和相位，将所得到的幅值和相位分别与设定幅值及设定相位输入PID控制器。
[0014]较佳的，还包括一功率电路，连接数模转换器，将数模转换器输出的模拟信号进行电压或电流放大，并输出至被测继电保护设备。
[0015]本实用新型基于FPGA，在单芯片内实现了数字滤波和PID闭环控制。设计独特，为继电保护测试装置中的信号处理方法提供了一种新颖的思路，同时为测试装置生成高精度的基准源提供了一种可行的方法。使测试装置更加小型化、轻量化、便于携带、方便现场使用及测试。经济效益和社会效应显著。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1所示的是本实用新型的原理图；
[0017]图2所示的是本实用新型的闭环控制原理图；
[0018]图3所示的是本实用新型输出的一 50Hz正弦波。
【具体实施方式】
[0019]以下将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本实用新型的一部分实例，并不是全部的实例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
[0020]为了便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本实用新型实施例的限定。
[0021]如图1和图2所示，本实用新型公开的一种基于FPGA的闭环控制正弦信号基准生成系统，包括:PID控制器、正弦基准生成模块、数模转换器、滤波及调理电路、模数转换器、数字高通滤波器、信号解调电路、数字低通滤波器。
[0022]PID控制器接收一设定幅值和一设定相位，控制正弦基准生成模块输出正弦信号；数模转换器将正弦信号转换为模拟信号，通过滤波及调理电路输入模数转换器以及直接将模拟信号输出，模数转换器将接收到的模拟信号转换为数字信号；数字高通滤波器将模数转换器输出的数字信号进行高通滤波，消除直流分量和慢变误差信号；信号解调电路对经过消除直流分量和慢变误差信号后的数字信号进行解调；数字低通滤波器对经过解调后的数字信号进行低通滤波，提取得到幅值和相位，将所得到的幅值和相位分别与设定幅值及设定相位输入PID控制器，从而达到调整正弦基准生成模块输出的目的。
[0023]数模转换器是将正弦信号通过功率电路输出，功率电路将数模转换器输出的模拟信号进行电压或电流放大，并输出至被测继电保护设备。
[0024]以下举例说明本实用新型的工作原理:
[0025]数字高通滤波器:ADC(模数转换器)采用过采样方式，每周波3200点，采样率为160kHz，设计滤波器的截止频率为10Hz。高通滤波器的类型可根据滤波对象来选择切比雪夫、巴特沃斯、贝塞尔滤波器等，阶数也可根据实际情况进行调整。在此以一阶切比雪夫II型滤波器设计传递函数为:
[0026]y (η) = 0.99998037 Ly1 (n) -Y1 (η-1)]
[0027]得出高通滤波器幅频和相频特性曲线。
[0028]信号通过数字高通滤波器要进行解调，经过解调以后的信号，根据其与参考信号的相位关系，可以分为同相分量和正交分量。同相分量的解调过程为:
[0029]
A sin(故 + A(7；)sin cot
-.4(sin cosΔ^ +sin Ι^φζο^οΜΛ?χιωΙ
-/i(sin~ cotcos Αφ + sin A^sin cot cos cot)
=—(cos - cos Δβ? cos 2(ot + sin A(ps\n 2(ot)
[0030]2倍频的分量已经去除，只剩下cosAip—项，当Δφ为一个小量时，cosAcp近似得
1，最后的结果就只剩下A/2。因此解调后的同相分量可反映原信号的幅值信息，闭环控制中可将同相分量与幅值设定目标比较来获得控制器的输入参数。
[0031]正交分量是指相位与参考相位相差90度的分量，其解调过程为:
[0032]
A si η(故 + Δρ) sin(^ + ^-)
=A sin(r^ -\-Αφ) cos ω?
-^(sin ^zl cos Δ^ +sin Αφ cos cot) cos cot
=/i(cosA^sin cos a?/+ cos2 ω?%\ηΑφ)
A.=—(cosA^sin 2砂+ sin A^cos lojt + sin /^φ)
[0033]低通滤波器滤除2倍频分量以后，只剩下SinAcp—项。将滤波以后的正交分量除以滤波后的同相分量，可得到:
[0034]
sin Αφ Α Α
-—=Uin Α(ρ ^ Αφ
co^> Αφ
[0035]当Δφ较小时，正交分量与同相分量之比可以近似等于Δφ。因此正交同相分量之比可以反映出原信号与参考信号之间的相位差，闭环控制中可将此分量比与相位和频率的设定目标比较来实现相位和频率的闭环。
[0036]信号基准生成模块将输出信号的数字表达式传送到DAC(数模转换器)，输出模拟信号，同时经过滤波及调理电路，调整到ADC量程范围内。在ADC采样后重新回到FPGA内，数字高通滤波以后进行幅值和相位分离，可以得出相位的偏移量Δφ，将Δφ与相位设定值Φ比较之后，送入PID控制器，再对信号基准生成器的输入进行调整。就相当于将回采到的信号相位重新反馈到信号生成器的输入端，形成了基准信号相位的闭环。通过该环路，消除了 DAC及其外围模拟电路带来的相差，为产生了精确的信号基准，如图3所示，为本实用新型所输出的一 50Hz正弦信号。
[0037]1、采用FPGA作为片上系统，在芯片内集成了数字滤波器和PID控制器，实现了信号基准的发生、数字滤波算法以及PID闭环控制，通过DAC输出以及ADC采样，来实现信号的发送和回采。
[0038]2、本实用新型在输出信号幅值大于5V时,误差小于万分之一。当输出幅值信号较小时，相比开环系统，采用闭环控制的输出精度得到了明显的改善。
[0039]3、设计独特，在保证信号精度的前提下，大大提高了系统的集成度。经济效益和社会效应显著。
[0040]用途:在FPGA片内实现闭环正弦生成系统，为继电保护测试系统提供高精度的信号源，利于现场使用和测试。
[0041]以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种基于FPGA的闭环控制正弦信号基准生成系统，其特征在于，包括: PID控制器,接收一设定幅值和一设定相位； 正弦基准生成模块，连接所述PID控制器，用以输出正弦信号； 数模转换器，连接所述正弦基准生成模块，用以将所述正弦信号转换为模拟信号； 滤波及调理电路，连接所述数模转换器，对所述模拟信号进行滤波及调理； 模数转换器，连接所述滤波及调理电路，用以将接收到的所述模拟信号转换为数字信号; 数字高通滤波器，连接所述数模转换器，用于将所述模数转换器输出的数字信号进行高通滤波，消除直流分量和慢变误差信号； 信号解调电路，连接所述数字高通滤波器，用于对经过消除直流分量和慢变误差信号后的所述数字信号进行解调； 数字低通滤波器，连接所述信号解调电路以及所述PID控制器，用于对经过解调后的所述数字信号进行低通滤波，提取得到幅值和相位，将所得到的幅值和相位分别与所述设定幅值及所述设定相位输入所述PID控制器。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的闭环控制正弦信号基准生成系统，其特征在于，还包括一功率电路，连接所述数模转换器，将所述数模转换器输出的所述模拟信号进行电压或电流放大，并输出至被测继电保护设备。
【文档编号】G05B19/042GK203950155SQ201420344249
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】孟桂芳, 翟红, 祝清兰, 孙岚 申请人:苏州工业职业技术学院