用PLD實(shí)現(xiàn)相位精確測(cè)量的研究

摘 要：本文介紹了一個(gè)采用PLD，利用MAX+PLUSⅡ和 EWB等開發(fā)工具，完成了功率因數(shù)精確測(cè)量的設(shè)計(jì)。其核心芯片是Altera公司ACEX 1K系列的EP1K10TC144-3。
關(guān)鍵詞：可編程邏輯器件；MAX+PLUSⅡ；功率因數(shù)

引言
在電力系統(tǒng)中，由于負(fù)載均為感性，網(wǎng)上電流和電壓之間存在相位差，影響供電效率。因此，減少無功功率，提高功率因數(shù)，事在必行。目前一般是采用并聯(lián)電力電容的方法來提高功率因數(shù)，但如果并聯(lián)太多電容器，電流就會(huì)超前電壓，所以，準(zhǔn)確地測(cè)量相位時(shí)間差對(duì)提高功率因數(shù)是致關(guān)重要的，本設(shè)計(jì)就是基于上述原因提出的?？紤]到PLD集成度高、修改邏輯設(shè)計(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用PLD來實(shí)現(xiàn)。

PLD相位精確測(cè)量的
設(shè)計(jì)方案
在電網(wǎng)上，電流和電壓均為50Hz的正弦波，經(jīng)放大整形后，以電流為時(shí)間基準(zhǔn)，其波形如圖1所示。
在波形中，正脈沖寬度就是所要測(cè)量的I和V相位時(shí)間差ΔT。由于電網(wǎng)頻率較低，采用單周期內(nèi)測(cè)量相位時(shí)間差的方式，在檢測(cè)中要考慮電壓滯后和超前兩種情況。PLD相位檢測(cè)器原理框圖如圖2所示。
把波形中的正脈沖作為門控信號(hào)，控制閘門的啟閉，將標(biāo)準(zhǔn)(晶振)時(shí)間信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)I和V相位時(shí)間差ΔT的測(cè)量。從分頻器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)周期可設(shè)置為10-6s，在閘門開通時(shí)間，通過計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)量波形的正脈沖寬計(jì)數(shù)。控制電路通過自動(dòng)和手動(dòng)方式控制計(jì)數(shù)器和鎖存器，最后通過譯碼顯示電路顯示電流與電壓相位差的時(shí)間。

圖1 I、V、波形圖

圖2 PLD功率因數(shù)檢測(cè)器原理框圖

圖3 彈跳消除電路

圖4 控制電路

PLD的相位檢測(cè)器設(shè)計(jì)過程
信號(hào)的輸入及整形
由于電壓、電流信號(hào)都是50Hz的正弦波信號(hào)，為此，本設(shè)計(jì)把輸入信號(hào)先經(jīng)過7414變成方波后再異或，在設(shè)計(jì)中，經(jīng)過移相后，作為兩路輸入信號(hào)(I和V)。
若信號(hào)源不穩(wěn)定，則有時(shí)會(huì)存在峰刺的干擾，使得相位差不穩(wěn)定，顯示數(shù)據(jù)不正確。因此，必須在信號(hào)輸入前加入消除峰刺干擾的電路。只要適當(dāng)選取時(shí)鐘信號(hào)，就能消除峰刺。
彈跳消除電路的設(shè)計(jì)
一般按鍵的彈跳現(xiàn)象指在按鍵信號(hào)穩(wěn)定前后會(huì)出現(xiàn)一些不該存在的噪聲，如果將這樣的信號(hào)直接輸入計(jì)數(shù)器電路，將可能導(dǎo)致誤計(jì)數(shù)。
為了消除彈跳的信號(hào)現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)中采取了如圖3所示的電路。做法是先將按鍵的信號(hào)引至KEY腳，其中CP是電路的時(shí)鐘脈沖信號(hào)(應(yīng)視為取樣信號(hào)，約為8ms左右)。KEY信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)的D觸發(fā)器延遲后，再用RS觸發(fā)器作處理。
計(jì)數(shù)和顯示電路設(shè)計(jì)
此電路用了4塊74160十進(jìn)制同步、可預(yù)置位的計(jì)數(shù)器，它具有內(nèi)部先行進(jìn)位的功能，可用于高速計(jì)數(shù)系統(tǒng)。其8位寄存器具有專為驅(qū)動(dòng)大電容，或相對(duì)低阻抗而設(shè)計(jì)的圖騰柱三態(tài)輸出。
控制電路
由于電壓和電流均為50Hz的正弦波信號(hào)，它們的異或信號(hào)頻率為100Hz，如果每個(gè)周期都測(cè)量并顯示的話，觀察者將看不清楚所顯示的數(shù)據(jù)。所以必須把輸入信號(hào)分頻，測(cè)出分頻后的信號(hào)相位差，再由數(shù)學(xué)關(guān)系算出原信號(hào)的相位差；或者在測(cè)量并顯示另一個(gè)周期內(nèi)兩信號(hào)的相位差后，延遲幾秒鐘，然后再測(cè)量并顯示另一個(gè)周期內(nèi)兩信號(hào)的相位差。下面三種方案均能實(shí)現(xiàn)。
分頻
原輸入信號(hào)經(jīng)整形(變成方波)后，再經(jīng)過“彈跳消除電路”，變?yōu)轭l率為50Hz的方波信號(hào), 為了觀察者能看清楚所顯示的數(shù)據(jù)，必須分頻為0.1~1Hz的方波信號(hào)。為此，本設(shè)計(jì)把兩路信號(hào)都經(jīng)過兩片74393分頻，調(diào)整分頻倍數(shù)，使其頻率符合要求；考慮到此時(shí)時(shí)鐘頻率過大，四位十進(jìn)制數(shù)不能完全顯示(大概需要五位)，所以時(shí)鐘信號(hào)也必須經(jīng)過分頻，把分頻后的信號(hào)作為新的全局時(shí)鐘信號(hào)。
提取一個(gè)或幾個(gè)周期
由于相位差信號(hào)為連續(xù)的100Hz的周期信號(hào)，這樣，可以采用定時(shí)抽樣的方法，每隔幾秒鐘的時(shí)間就測(cè)量并顯示一個(gè)周期內(nèi)的相位差或幾個(gè)周期內(nèi)相位差的總和。
提取一個(gè)周期
利用三片74161作為延時(shí)電路，并利用74161的進(jìn)位時(shí)間就是一個(gè)相位差信號(hào)周期的特點(diǎn)提取一個(gè)周期的相位差信號(hào)?？刂齐娐啡鐖D4所示。K1為手動(dòng)控制按鍵，K2為自動(dòng)控制按鍵，1腳為相位差信號(hào)，Clk為分頻后的全局時(shí)鐘信號(hào)(計(jì)數(shù)脈沖)，2腳接計(jì)數(shù)器74160的時(shí)鐘輸入端，3腳接計(jì)數(shù)器的清零控制端，4腳接寄存器的輸入允許端。把1腳的相位差信號(hào)作為74161的時(shí)鐘信號(hào)。為了起到延遲的作用，本設(shè)計(jì)把“011111111111”和“100000000000”之間的一個(gè)相位差信號(hào)的周期提出來，這樣就得到一個(gè)周期為4096個(gè)相位差信號(hào)周期，正脈寬為1個(gè)相位差信號(hào)周期的脈沖信號(hào)(稱為脈沖1)，再把這個(gè)信號(hào)和相位差信號(hào)相與，新的脈沖信號(hào)的周期仍然是4096個(gè)相位差信號(hào)周期，但正脈寬等于1個(gè)相位差信號(hào)的正脈寬(稱為脈沖2)。把這個(gè)信號(hào)作為閘門信號(hào)去控制計(jì)數(shù)閘門，即與計(jì)數(shù)脈沖一起通過一個(gè)與門，這樣就實(shí)現(xiàn)了每4096個(gè)相位差信號(hào)周期時(shí)間(大約8秒鐘時(shí)間)測(cè)量并顯示一個(gè)相位差信號(hào)。把這個(gè)脈沖分頻后接上一個(gè)D觸發(fā)器，就得到一個(gè)周期不變、占空比為50%的方波信號(hào)，利用這個(gè)信號(hào)去控制計(jì)數(shù)器74160的清零端，這樣就實(shí)現(xiàn)了每周期計(jì)數(shù)一次、清零一次的功能(數(shù)據(jù)不會(huì)累加到下一個(gè)周期)。利用脈沖1去控制寄存器74373的輸入允許端，只有當(dāng)計(jì)數(shù)器處于計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)才允許輸入，把得到的數(shù)據(jù)保存并顯示；當(dāng)計(jì)數(shù)器處于清零狀態(tài)時(shí)不允許輸入，寄存器保存原來的數(shù)據(jù)并顯示。
按鍵K1，K2都能產(chǎn)生一個(gè)單脈沖，經(jīng)過D觸發(fā)器以后就會(huì)成為一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的高電平，K2后面的信號(hào)控制著計(jì)數(shù)閘門的后一級(jí)，即只有當(dāng)K2按下一次后，計(jì)數(shù)電路才能開始工作，這樣就實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)數(shù)。K1后的D觸發(fā)器清零端被脈沖1控制著，K1每按下一次，只能產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間為1個(gè)脈沖周期的高電平，即每按下一次只能計(jì)數(shù)一次，這樣就實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)控制。

誤差分析
設(shè)計(jì)中的誤差主要來自于兩個(gè)方面：
(1)信號(hào)經(jīng)過一個(gè)電路器件會(huì)有10ns的延時(shí)。本設(shè)計(jì)中，相位差信號(hào)經(jīng)過控制電路后產(chǎn)生了大約100ns的延時(shí)，延時(shí)后的信號(hào)再與原來的相位差信號(hào)相與就會(huì)使相位差減少100ns。不過這個(gè)誤差比較小，可以忽略。
(2)信號(hào)源不穩(wěn)定及晶振質(zhì)量的好壞是本設(shè)計(jì)中最主要的誤差。解決的辦法是采用緊密穩(wěn)壓電源及質(zhì)量較好的晶振?！?/P>

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6 EP1K10TC144-3datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/EP1K10TC144-3_1132432.html.