关键词：波形变换；FPGA；计数

Abstract: In order to obtain the required test waveforms for the electric energy meter harmonic test and load current rapid change test, the article briefly introduces a device that can realize waveform switching, and specifically introduces the realization method of waveform switching. The counting module is mainly composed of FPGA and single-chip microcomputer as the core to realize the control of the on-off time of the electronic switch, so as to realize the precise cutting of the sine wave. Finally, the oscilloscope verifies the accuracy of the test waveform obtained by the waveform conversion device, thereby verifying the practicability of the counting module.

Key words: Waveform transformation; FPGA; Counting

1.  引言

随着电网中非线性负载的增加，负载侧的电流波形可能出现比较严重的畸变，包含了大量的谐波甚至直流分量，而电能表的精准计量是保证电网与用户之间公平公正交易的桥梁。因此，在新的国家标准和国际建议中，又增加了一些相关的电能表谐波影响量试验，并提高了计量要求的精准度。此外，仪表的准确度通常仅对静止状态进行定义和验证，而实际情况下负载电流可能频繁地以高振幅变化，某些仪表设计在此情况下已呈现出明显的准确度误差，所以又增加了负载电流快速变化试验来验证仪表的准确度。

关于谐波试验，主要包含直流和偶次谐波、奇次谐波和次谐波；关于负载电流快速变化试验，主要包含周期通断和时间通断两种。以上这五种试验均是基于试验波形的改变的情况下对电能表的误差进行测量，因此，为保证电能计量的准确可靠，以上试验对所需试验波形的精准度都有着严格的要求。本文介绍一种基于FPGA的计数功能来控制电子开关通断时间的波形切换方式，从而得到准确的试验波形。

2.  波形切换的实现方法

按照三种谐波波形的要求，可以通过对信号源中产生三种波形再经过功率放大来实现，但是目前的放大器存在缺陷，瞬态响应不足、跟随能力不强，因而很容易造成输出波形的畸变，不能满足试验的需求。针对上述情况，改用切割正弦波的方式来得到三种谐波波形以及两种通断波形，这样得到的波形比用功放放大的波形效果好，使用方便。尤其对于奇次谐波，需要在最大电流处（即90°）瞬间从零变为最大值，满足新国标的要求。而如果用功放放大奇次波形的信号，由于功放分跟随能力有限，波形会在这个位置出现抖动，导致测量不准确。

在正弦波的切换过程中，由于传统的二极管不可控，而MOS管的电压驱动能够更好的控制，所以用MOS管来精准控制正弦波。波形切换所用的装置原理如图1所示，对电流源输出的正弦波信号，通过触发信号控制单元所发出的触发信号去控制两路电子开关在不同的时间位置上进行导通和关断，第一路电子开关的两端便能够得到所需的试验波形，对没有用到的电流部分旁路掉。其中触发信号控制单元所发出的两个触发信号与电流源正弦信号同步，可以采用分频或倍频的方式来产生触发信号，也可以采用其它办法，如可编程逻辑器件CPLD、FPGA等。本装置选择现场可编程门阵列（FPGA）来生成和处理触发信号，对MOS管的导通与关断进行控制。

图1  波形切换装置的实现原理图

3.  基于FPGA的计数模块功能的实现

3.1  FPGA整体设计

近年来，电子设计技术的飞速发展以及生产工艺上的进步大大降低了FPGA的成本，其功能及性能上的优越性更为突出，FPGA已成为目前设计数字电路或系统的首选器件之一。因此，本文所述的波形变换装置中采用FPGA来生成正弦波的控制信号，具体的变换过程中，主要是通过FPGA检测计算过零点数及脉冲数来控制电子开关。因此，基于FPGA的计数模块的设计是波形变换中最重要的部分，计数的速度与准确性是波形精准切换的关键。本文的计数模块采用的是Intel公司的10M02SCE114型号的FPGA芯片以及结合一些外围电路所设计的高精度计数模块。

FPGA与传统的PLD结构不同，其内部由许多独立的可编程逻辑模块构成，这些模块间的相互连接也比较灵活。FPGA主要由以下三部分构成：可编辑逻辑模块CLB、可编程输入/输出模块IOB和可编程布线资源IR。

3.2  计数模块应用方法的具体介绍

基于FPGA的计数模块在五种波形的实现过程中，大致分为两类，直接检测过零点计数和高频脉冲计数。其一，针对直流和偶次谐波、次谐波以及周期通断的三种波形，均是在正弦波的过零点处进行切换的，因此，可以将正弦波先通过比较器变换为方波，然后在FPGA中直接检测过零点的数量来控制电子开关的导通与关断，从而实现对正弦波的精准切割；其二，针对奇次谐波和时间通断的两种波形，都不是在正弦波的过零点处切换的，因此，需要使用有源晶振来产生高频脉冲，然后经过FPGA中整形电路的处理后变为标准脉冲，此时通过检测标准脉冲的数量来控制电子开关的通断。在计数过程中，首先是通过在波形变换装置的屏幕面板上设置波形或时间来产生通断时间数据，然后单片机通过SPI通信协议将通断时间数据传送到FPGA，从而在FPGA中进行计数，最后通过FPGA的输入输出模块（IOB）将控制信号传递给MOS管的门控电路。该计数模块的整体系统框图如图2所示。

图2  基于FPGA的计数模块的系统结构图

在本文所述的波形变换设备应用的FPGA中，主要由控制模块，计数模块，输入输出模块以及SPI接口模块4部分组成。控制模块连接着其它三个模块，是其中最重要的部分，主要负责单片机和FPGA之间的指令解析及数据传输，同时也负责计数模块与输出模块间的数据传输。计数模块主要实现简单的计数功能，当正弦波通过比较强转换为方波之后，在检测到方波的第一个上升沿之时开始计数，之后根据不同的波形会有不同的计数指令。输入输出模块主要是接收信号以及将两种计数方法所得到的结果发送给MOS门控电路，进而实现对电子开关的控制功能。SPI 接口模块是实现FPGA的计数模块与单片机的通信，其中单片机作为SPI通信协议的主设备运行，该SPI 接口作为从设备运行。单片机通过SPI通信协议把串行数据传输给控制模块，同时也将通过控制模块将结果返还给单片机。

4. 波形结果分析

将设计好的计数模块应用到波形变换控制当中，同时将波形变换装置的输出端口连接到示波器上，装置的屏幕控制面板如图3所示，在控制面板上分别选择所需的波形或者设定好周期通断或时间通断的时间数据，通过示波器来观察所得到的五种试验波形，符合大纲对波形准确度的要求，可以在电能表的谐波试验以及负载电流快速变化试验中作为标准试验波形来使用。

图3  波形变换装置的屏幕控制面板界面

尽管采用FPGA计数模块已经在一定程度上提高了测量精度，然而由于比较器模块的存在，在将正弦波整形为方波的过程中会产生一定的误差，所以，有时方波边沿处会存在波形畸变或者产生毛刺等现象，导致FPGA未能成功的捕捉到方波的边沿或者在短时间内捕捉到了多次的边沿而产生误差。

5. 结论

通过示波器对波形结果的检测与分析，可以了解到这种控制电子开关通断的方式来实现波形变换的方式是可行的，而且由于使用了FPGA来控制正弦波的切割时间，也极大的提升了波形发生的速度与准确性。

在波形变换装置的计数模块中，选用FPGA作为控制芯片，是由于FPGA芯片的功耗低，集成度高，稳定性好，而且开发周期短，方便多次修改，具有良好的扩展性，能够完成比较复杂的时序和逻辑组合电路的功能，大大加快了硬件电路设计进程。未来可以通过对相关结构和程序的优化进一步提升FPGA的功能特性，从而可以进一步实现更多种类的计数功能和更强大的数据处理能力。与单一依靠单片机计数相比，将FPGA与单片机相结合，FPGA的处理过程可以多路独立进行，充分发挥了FPGA的高工作频率以及单片机较好的扩展性，极大的提升了运行效率。

最终经过测试，该计数模块能够满足自动控制应用的要求，各项指标也均符合预先的设计目标。因此，该模块的实现方法也可以应用到其他的计数方案中。

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作者简介：

王梓阳（1995-） 女 大连交通大学电气信息工程学院 研究方向为电力电子技术