基于FPGA的高精度电压监测仪检验装置的研究与设计

摘要

电压监测仪是一款具有对电力系统正常运行状态缓慢变化所引起的电压偏差进行连续监测、统计功能的电子式仪器或仪表。作为监测电压质量的重要工具，其可靠性和精确性对电量准确无误的统计、保证电网的安全供电发挥着至关重要的作用。然而伴随着电压监测仪的长期使用，仪表器件的老化、参数的温漂、外界环境影响等因素均会导致电压监测仪的测量准度降低，因此需要对其进行定期的检验。本文正是针对这一问题，设计开发了一款基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的直接数字合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技术的电压监测仪检验装置，保证电压监测仪得到及时准确的检验。
　　首先，本文介绍了课题的选题背景及国内外的研究现状，给出电压监测仪检验装置的技术指标。其次，讲述了该装置实现的功能和工作流程，并陈述了系统总体结构设计方案。再次，论述了直接数字频率合成技术(DDS)的工作原理，从相位的概念出发按一定的相位间隔，将待产生波形幅度的二进制数据存储于高速存储器作为查找表进行频率合成，使输出相位连续，提高了频率分辨率。然后，详细阐述了FPGA外围电路、D/A数模转换电路、滤波电路、功率放大电路的设计方案;并利用Multisim软件对各部分电路进行了理论仿真试验，结果表明所设计的电压监测仪检验装置方案的可行性。
　　最后，在研发的试验样机上进行了测试，结果表明设计的检验装置能够产生精度为0.05级的标准电压源，并能够动态地显示信号频率以及正弦信号电压的瞬时值。设计装置输出信号的频率、相位、幅值可调，并且精度和抗干扰性等技术性能指标基本上达到了预期的设计目标。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 课题研究现状

1．3 检验装置的技术指标

1．4 本文的主要工作

1．5 论文的组织结构

第2章 检验装置的总体设计方案

2．1 检验装置的总体结构

2．1．1 检验装置实现的主要功能及特点

2．1．2 检验装置的工作流程

2．2 检验装置的设计方案

2．3 本章小结

第3章 DDS技术在FPGA中的应用与仿真

3．1 频率合成技术简介

3．1．1 频率合成技术的发展

3．1．2 频率合成技术指标

3．2 直接数字频率合成原理

3．3 DDS的结构设计及仿真实现

3．3．1 DDS的总体结构设计

3．3．2 相位累加器设计及仿真

3．3．3 波形存储器ROM设计仿真

3．3．4 DDS系统的完整仿真

3．4 DDS的性能特点

3．5 DDS理想输出频谱特性

3．6 DDS实际频谱分析

3．6．1 相位截断误差

3．6．2 幅度量化误差

3．6．3 D／A线性误差

3．7 频谱杂散的改善

3．8 本章小结

第4章 检验装置的硬件电路设计

4．1 设计方案比较

4．2 现场可编程门阵列(FPGA)控制器及其外围电路设计

4．2．1 FPGA简介

4．2．2 FPGA配置电路设计

4．2．3 系统电源与晶振电路设计

4．2．4 通讯电路设计

4．3 D／A数模转换电路设计

4．3．1 双极性变换电路设计

4．3．2 幅值调节电路

4．4 滤波器设计

4．4．1 二阶压控有源滤波器原理

4．4．2 滤波器仿真分析

4．5 功率放大电路设计

4．5．1 放大电路组成及原理

4．5．2 功率放大电路仿真

4．6 采样电路设计

4．6．1 电压检测电路

4．6．2 电流检测电路设计

4．7 PCB硬件电路版图

4．8 本章小结

第5章 系统软件设计及实验结果分析

5．1 系统软件设计

5．2 硬件调试及实验结果分析

5．3 信号源精度分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢