（电力系统及其自动化专业论文）数字式继电保护测试装置的研制.pdf

t h e d e v e l o p m e n t o f d i g i t a l t e s td e v i c ef o r r e l a y p r o t e c t i o n s a b s t r a c t b yu s i n ga p p l i c a t i o np r o g r a mt h ev i r t u a li n s t r u m e n tc o m b i n e st h e g e n e r a lc o m p u t e r w i t ht h ef u n c t i o n a lm o d u l e ，t h u st h eu s e rc a nm a k eu s e o fp cp o w e r f u l g r a p h i c e n v i r o n m e n tt or e a l i z et h ec o n t r o lo ft h e i n s t r u m e n ta n dt h ea n a l y s i s 、s t o r a g ea n dd i s p l a y i n go f t h ed a t a ，i tc h a n g e s t h et r a d i t i o n a lu s em e t h o da n di m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo f t h ei n s t r u m e n t t h ep a p e rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no ft h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y o nt h er e l a yp r o t e c t i o nt e s t i n g ，a n du s et h eu s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) a s t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e n t h eh o s tm a c h i n ea n d t e s t i n g d e v i c e k e y w o r d s ：t e s td e v i c ef o rr e l a yp r o t e c t i o n s ，v i r t u a li n s t r u m e n t ， u n i v e r s a ls e r i a lb u s 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他教育机构的学位 或证书使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：薯艺鲁签字目期：l 。呸年石月石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解含肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：者褥 签字日期：搠年占月毛日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话 邮编 心月 、o尊 致谢 在从事课题研究和撰写论文过程中，得到导师温阳东教授、杨杰 副教授的精心指导，在此，向他们表示衷心的感谢。同时，也要感谢 丁明教授、孙鸣副教授在读研期间给我的关心与帮助。他们渊博的知 识、严谨的治学态度、高尚的工作热情永远是我今后学习的楷模。 同时，也要感谢合肥工业大学现场总线研究室的张晶晶、陈曙玲、 钱乐伟、陈旭、汪斌、毕锐、卫华、徐华丽等同学! 感谢电力系统及 其自动化教研室的各位老师! 作者：齐先军 2 0 0 3 5 第一章绪论 1 1 继电保护测试装置的历史与现状1 & 3 1 电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，故障和不正常 运行状态都可能在电力系统中引起事故，甚至造成大范围停电和人身伤亡。为 保证电力系统的安全运行，就必须在电力系统中安装各种继电保护装置和自动 装置。继电保护装置和自动装置的性能直接关系到电力系统运行的安全性，因 此在继电保护装置和自动装置投入运行前或检修时，必须对它们的各项性能指 标进行严格的测试，这种能够对各种继电保护装置和自动装置的性能指标进行 测试的装置就是继电保护测试装置 长期以来我国电力系统都采用模拟式继电保护测试装置，这种测试装置采 用移相器、自耦调压器、升流器和滑杆电阻等调整三相电压和三相电流的幅值 和相位，以调试各种继电保护和自动装置。这个过程需要较精密的电压表、电 流表、相位表、频率计和毫秒计等仪器进行测试才能完成。模拟式继电保护测 试装置不但体积庞大，不便于现场携带，而且接线复杂，劳动强度大，调试时 间长。 随着电力系统不断向高电压、远距离、大容量的方向发展，系统的网架结 构和运行方式日益复杂，这就对系统中的继电保护和自动装置提出了更高的要 求。为适应这种要求，各种新型的保护原理和保护装置不断涌现。特别是微机 型继电保护装置的出现，使原有继电保护的性能有了显著的改善，大大提高了 电力系统的安全性和稳定性。然而，新型继电保护装置的大量出现也对相应的 继电保护测试装置提出了更高的要求，原有的模拟式继电保护测试装置除了在 价格上尚有一定的优势外，在性能和测试手段上已很难满足新型继电保护装置 的要求。于是各高校、科研机构和生产厂家纷纷将主要精力投入到开发微机型 继电保护测试装置上，目前已有多种产品面市。这些产品主要是由天津大学研 制的j j c 系列和华北电力大学研制的m r t 系列发展而来。经过各高校、科研 机构和生产厂家多年的研究和改进，无论从工作原理、技术水平，还是从制造 工艺上都有了很大的改善。为了获得良好的人机界面，实现较强的人机对话及 在线求助功能，多数测试装置均以p c 系列微机作为装置的核心。近年来，随 着笔记本电脑功能的日益完善、价格的持续下降以及工业现场对便携式仪器的 要求，测试装置中的微机系统一般均采用笔记本电脑。同时随着高性能功放和 i g b t 、m o s f e t 等高速、全控型器件的广泛应用以及逆变电源技术的飞速发 展，测试装置中的主机箱逐渐由原先笨重的三箱体结构向较为轻巧的单箱体方 向过渡。总体上说，微机型继电保护测试装置是在向着功能日益完善、体积重 量不断下降，性价比不断上升的方向发展的。 1 2 虚拟仪器技术在继电保护测试中的应用 1 2 i 虚拟仪器简介1 4 , 5 , 6 1 由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高速发展，以及它 们在测试技术与仪器仪表上的应用，使新的测试理论、测试方法、测试领域以 及仪器结构不断涌现并发展成熟，在许多方面已冲破了传统仪器的概念，电子 测量仪器的功能和作用也发生了质的变化。在这种背景下，自1 9 8 6 年美国国家 仪器公司c n i ) 提出虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 概念以来，这种集计算 机技术、通信技术和测量技术于一体的模块化仪器便在世界范围内得到了认同 和应用，逐步体现了仪器仪表技术发展的一种趋势。 所谓虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机，它由通用计算 机、模块化功能硬件和控制专用软件组成。在虚拟仪器系统中，运用计算机灵 活强大的软件代替传统的某些部件，用人的智力资源代替许多物资资源，其本 质是利用p c 机强大的运算功能、图形环境和在线帮助功能，建立具有良好人 机交互功能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示，通过一组 软件和硬件，实现完全由用户定义，适合不同应用环境和对象的各种功能。形 成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器没有的特殊功能的高档低价的新型 仪器。在虚拟系统中硬件仅仅是解决信号的输入和输出的方法和软件赖以生存 运行的物理环境，软件才是仪器的核心，藉以实现硬件的管理和仪器功能的实 现。使用者只要通过调整或修改仪器的软件，便可方便地改变或增减仪器系统 的功能和规模，甚至仪器的性质，完全打破了传统仪器由厂家定义，用户无法 改变的模式，给用户一个充分发挥自己的才能和想象的空间。 虚拟仪器的出现是仪器发展史上的场革命，代表着仪器发展的最新方向 和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不 可估量的影响，经过十几年的发展，不仅技术本身的内涵不断丰富，外延 不断扩展，目前已发展成具有g p i b ，p c - d a q ( d a t a a c q u i s i t i o n ) ，v x i 和p x i 四种 标准体系结构的开放技术。可应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊 断、航空航天、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质 勘探、生物医疗、教育及科研等诸多领域。近年来虚拟仪器技术逐步应用于电 力系统测量、电力系统监控以及电力系统的仿真和教学中。 1 , 2 2 基于u s b 通信接口的虚拟继电保护测试装置方案的提出 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可以分为五种类 型：p c 总线一插卡式虚拟仪器、并行口式虚拟仪器、g p i b 总线方式的虚拟仪 器、v x l 总线方式的虚拟仪器和p x i 总线方式的虚拟仪器“1 。 如果用g p i b 总线和v x i 总线开发虚拟继电保护测试装置，虽然能极大地提 高自动测试系统的工作速度，但是开发成本高，很大程度限制了它们在中小企 业中的应用。 如果采用p c 总线一插卡的方式开发虚拟继电保护测试装置，虽然成本较低 但也存在很多问题，如需要打开机箱换卡，移动困难，独立性差：箱内结构及 后面板出线容易引起干扰；台式p c 机内部总线升级过快，难以稳定标准；笔记 本电脑内部空间环境更差。 目前，国内外比较高档的继电保护测试装置都是通过一根并行电缆实现笔 记本电脑和测试设备的通信( 可以称之为并口式虚拟继电保护测试装置) ，但 由于测试设备上大多没有m c u ( 微处理器) ，笔记本电脑直接将各相离散数据 送n d a ，受并行口通信速率的影响，正弦波每周离散数据的点数较少( 一般为 1 5 0 个点) ，因此输出波形的幅频特性和相频特性较差。另外，一般计算机上 的并行口较少( 通常为1 个) ，而且时常被打印机等外设占用，并行口又不支 持热插拔，使用非常不方便。 u s b ( u n i v e r s a l - s e r i a lb u s ) 的出现和迅速发展为研制虚拟继电保护测试 装置提供了契机。u s b 传输速率非常快，在1 9 9 8 年推出的协议u s b i 1 中，规定 的通信速率达到1 5 1 2 m b p s ，而在u s b 2 0 规范中，最高的通信速率可以达到 4 8 0 m b p s 。现在的笔记本电脑都有u s b 接口，而且通过h u b ( 集线器) 扩充的设 备可以达到1 2 7 个，通过3 5 米的总线电缆将测试设备接到远离p c 机、靠近 测试对象的地方，从而大大提高了电磁兼容性。u s b 可以带电操作( 热插 拔) ，使用起来更加方便”3 。 本论文就基于u s b 通信接口的虚拟继电保护测试装置的设计做了较为详尽 的阐述。为了叙述方便，将带有m c u 的硬件测试装置称为设备，而将向设备发 命令、数据并进行大量数学运算和提供人机界面的笔记本电脑( 或p c 台式机) 称为主机。这样，主机将命令和数据发送给设备，设备上的u s b 接口芯片接到 命令和数据后，通知m c u 取数据，并由m c u 控制信号波形的输出和实现实时闭 环控制。同时，设备可将实测数据通过u s b 接口芯片上传给主机，利用主机强 大的运算能力和丰富的图形界面对这些数据进行处理。基于u s b 通信接口的继 电保护测试装置如图1 i 所示： 主机 图1 1 基于u s b 通信接口的继电保护测试装置 3 待测 对象 1 3 继电保护测试装置总体设计 继电保护测试装置应能发出幅值、频率、相角均可调的正弦电压、电流信 号，作为待测继电器和自动装置的激励源。图1 2 就是继电保护测试装置的总 体设计框图。 图1 , 2 继电保护测试装置总体设计框图 主机通过u s b 通信接口向设备发出命令和数据( 如要求设备产生一定幅 值、频率、相角的正弦电压或电流信号) ，设备上的m c u ( 微控制器) 接到指 令和数据后通过其数据总线和地址总线操作信号发生器，于是信号发生器发出 相应的交流正弦信号，再经过低通滤波器后得到非常精准的交流信号，该交流 信号再由电压放大器和电流放大器放大后得到幅值和功率都足够大的电压和电 流。 由于放大器带大负载时，电压可能降低，电流可能增大，为了维持应该输 出的电压电流值加入了一个反馈环节，将实际输出值和理想输出值进行比较， 如果实际输出比理想输出偏低，则适当增加输出信号的幅值；反之，则适当减 小输出信号的幅值，使输出信号最终稳定在所允许的范围内，从而提高测量精 度。另外，当电压和电流越限( 超出了电压放大器或电流放大器的输出能力) 时，发出告警信号。 1 4 工作任务及论文介绍 可以说，继电保护测试装置是智能化的电源，对其的研究涉及到电子测量 4 技术、数字信号处理技术、数字仿真技术、计算机通信技术、电源技术、软件 开发技术等诸多领域。而本人的知识面和能力有限，在短时间内不可能对继电 保护测试装置的各个方面进行全面透彻的研究，只能就其中的一部分进行较为 深入的探讨。 本人所作的工作有以下几个方面： ( 1 ) 高精度可调频、调相、调幅的正弦信号发生器的设计： ( 2 ) 电压、电流实时闲环控制系统的设计； ( 3 ) 电压功放的设计与调试； ( 4 ) 利用高密度可编程逻辑器件进行数字电路系统的设计； ( 5 ) u s b 通信的硬件接口设计和单片机固件程序的编写与调试； ( 6 ) 主机u s b 接口通信程序的编写及虚拟面板的设计。 电流功放是由合作单位研制开发的，本人没有参与，因此在论文中就本人 所作的工作作详细的论述，而对电流功放只作简单的介绍。 论文在分析继电保护测试装置的历史和现状的基础上，结合当前仪器仪表 技术及计算机接口技术发展的方向和趋势，提出研究基于u s b 通信接口的虚拟 继电保护测试装置的观点。 论文首先综述了继电保护测试装置的历史和现状，阐述了虚拟仪器技术和 通用串行总线( u s b ) 接口技术用于继电保护测试装置的重要意义：接着较详 尽地论述了测试设备、u s b 通信接口及主机u s b 驱动程序、u s b 通信接口应用 程序和虚拟面板( 界面) 的设计，然后介绍了系统的软硬件相结合的抗干扰措 施，最后对论文和所作的工作进行总结，并指出后续工作的目标和方向。 第二章测试设各设计 测试设备是继电保护测试装置的硬件执行部分，它接受来自主机的命令和 数据( 调频、调幅、调相等) ，然后按照主机的命令控制信号发生器发出相应 的正弦信号，这些正弦信号经过低通滤波器后得以平滑，再进入电压和电流放 大器，得到足够功率和幅值的电压和电流激励信号。 2 1 正弦信号发生器的设计概述 使用一个激发装置( 即信号源) 来激励一个系统，以便观察、分析它对激 励信号的反映如何，这是电子测试技术的标准实验之一。系统在这些模仿的信 号的激励下产生各种反应，因此称它们为激励信号。产生这些信号的仪器称为 信号源。继电保护测试的任务就是给继电器和自动装置输入激励信号( 电压、 电流、频率信号等) ，以测试继电器的动作特性和返回特性。因此，激励信号 的产生是继电保护测试装置的关键。 2 1 1 正弦信号产生方法概述i s , 9 , 1 0 1 常用的正弦信号产生方法有以下三种： ( 一) 采用传统的直接频率合成d s 技术 直接频率合成技术使用一个参考晶体振荡器，将其输入频率进行乘除处理 并滤波，然后用一个混频器将所有频率分量进行合成。这种方法能够实现快速 频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用了大 量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞 大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。 ( 二) 采用锁相环式频率合成器 利用锁相环将压控振荡器v c o 的输出频率锁定在所需的频率上。这种频 率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需频率信号。抑制杂散 分量，并且省去大量的滤波器，有利子集成化和小型化。但由于锁相环本身是 一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成 的正弦波的参数，如幅值、频率和相位都很难控制。 ( 三) 采用直接数字式频率合成器( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，简称 d d s 或d d f s ) 目前，由于高速数字电路技术的发展，波形的形成已经可以直接在时域中 实现。这种技术的关键是：将一周期正弦波离散化后所得的离散数据存储在 r o m 或r a m 中，通过r o m 或r a m 的地址线读取存储器中的波形数据并 送往d a 转换器，经d a 转换后输出逐步逼近的正弦波，该正弦波再通过低通 滤波器来消除混杂在其中的谐振波，从而使其平滑。如图2 1 所示： 图2 1 直接数字式频率合成器( d d s ) 原理图 由于d d s 具有相对带宽很宽、频率转换时间极短、频率分辨率可以做得很 高( 典型值为0 0 0 1 h z ) 等优点，而且，全数字化结构便于集成，频率、相位 和幅值均可以实现程控，因此我们采用了此方案。 2 1 2 正弦表的生成及正弦信号恢复方法 ( 一) 正弦表的生成 为了使输出的正弦波有较好的频率特性，应尽量提高每周波的离散点数， 同时考虑到数模转换器( 我们使用的是a d 6 6 7 ) 的转换速度，每周期取4 0 9 6 个 离散点。这里我们使用1 2 位的模数转换器a d 6 6 7 将离散的正弦波数据恢复成连 续的模拟正弦波。a d 6 6 7 可以接成单极性和双极性量程，因为要输出正弦波， 所以采用了双极性接法。此时a d 6 6 7 的输出电压( 采用1 0 v 量程输出) 与 输入二进制数据d 。办l o d o 的关系如式( 2 - i ) 所示： = 三碧笋( 2 d l i 十2 d l o + + 2 1 d l + 2 0 d o ) 一f t ， = 箐d 一 ( 2 - 1 ) 上 其中，d 为1 2 位二进制数，为参考电压，为5 v ( 此参考电压由 a d 6 6 7 内部产生) 。上式之所以要减去，是因为a d 6 6 7 采用双极性接法时 编码方式是二进制偏移码。a d 6 6 7 的输出电压范围为【- 5 v + 5 v ) 。 设峰值为5 v 理想正弦波函数为： ( ，) = 5 s i n w t( 2 - 2 ) 将( 2 2 ) 式离散化( 每周波取4 0 9 6 个点) ，得到各离散点的函数值，如式( 2 3 ) ： 1 开 g o ( ，) = 5 s i n ( 蒜。仃) ( 2 - 3 ) 其中，h = 0 ，l ，2 ，4 0 9 5 由式( 2 1 ) 和( 2 3 ) 可得： d = 2 ” 8 i o ( 蒜。”) + 1 】( 2 - 4 ) 我们利用高级编程语言c 语言根据式( 2 4 ) 编写了一段程序算出一个周期正 弦波的4 0 9 6 个离散数据。然后再将这4 0 9 6 个离散数据烧写到两片2 7 6 4 中，其中 一片用来存储每个数据的低8 位，另一片用来存储对应的每个数据的高4 位。 这样就形成了一个正弦波周期的离散数据表。 ( 二) 正弦信号的恢复【2 j 要将离散的正弦波数据恢复成连续的模拟正弦信号，只需依次将各离散数 据等时间间隔地送入d a 转换器，由d a 转换器输出逼近的正弦阶梯波，再经 低通滤波器平滑后即可得到连续的模拟正弦信号。按照查正弦表取数的方式可 以分为硬件查表取数法和软件查表取数法。 ( 1 ) 软件查表取数法 软件查表取数是由单片机按顺序在r o m 或r a m 中的正弦表中取值，并 按特定周期( t i ) 送入d a 转换器，转换成模拟量正弦阶梯波，滤波后即可得 到平滑的正弦信号输出。 当输出正弦波为5 0 h z ( 周期t = 2 0 m s ) 时， 正= t i n = 2 0 0 0 0 4 0 9 6 = 4 8 8 3 u s ( 2 - 5 ) 显然，单片机在这么短的时间内无法完成查表、输出离散数据等工作，为 此可以采用另一种方法：间隔取值法。 将标准正弦波在一个周期内离散、量化为n = q ，个点( n 仍取4 0 9 6 ) 即将n 个离散点分成1 个数据块，每相邻的q 个点为一个数据块，每次从1 个 数据块的同一位置( 即每隔q 个点) 取一个离散数据送d a 转换器，如图2 2 所示： 卜、而1 丽赢叫卜1 而丽莉叫 l 第个数据块 1 弟1 个奴循职 图2 2间隔取值法原理图 此时，输出波形的阶梯数为： p = i = ，q 取数周期为： 五= t 1 = t q ( 2 7 ) 输出波形初相位角为： 口= ( 3 6 09 n ) ( ，0 q + 山) ( 2 - 8 ) 式中i o = 0 ，1 ，p l , j o = 0 ，1 ，q - 1 ， 改变j o 可细调输出波形相位，改变i o 可粗调输出波形相位。 若同样输出5 0 h z 正弦波，取q = 3 2 ，则t 2 = 1 5 6 2 5 u s ，这样8 0 c 1 9 6 k c 能够在 t 2 时间内完成查表、送数等工作。 应该指出，此时输出波形的阶梯数减少为p = 1 2 8 ，这对波形合成精度会产生 一点影响，但通过适当加大滤波时间常数，同样可以得到精密的正弦信号。 ( 2 ) 硬件查表取数法 硬件查表取数法不用c p u 干预，直接由硬件计数器控制r a m 或r o m 的 地址线，使其地址等时间间隔递增一，计数满了溢出后从零开始计数，周而复 始地取数送往d a 转换器，输出正弦阶梯波。 硬件查表取数法不占用单片机资源，且每周期输出波形的阶数较多( 如在 本设计方案中，每周期输出正弦阶梯波的阶数为4 0 9 6 ) ，因而波形质量好；另 外，随着大规模集成电路的飞速发展，使得硬件电路的设计变得日益简单、灵 活，计数器电路完全可以设计在一片很小的大规模集成电路里。 综上所述，在本设计中采用了硬件查表取数的方法，硬件计数器电路设计在一 片h d p l d 里，其电路设计将在后文介绍。 2 1 3h d p l d 在正弦信号发生器中的应用 ( 一) 可编程逻辑器件简介t 坦j 自2 0 世纪6 0 年代以来，数字集成电路已经历了从s s i 、m s i 到l s i 、 v l s i 的发展过程。2 0 世纪7 0 年代以l k 位存储器为标志的大规模集成电路 ( l s i ) 问世以后，微电子技术得到迅速发展。集成电路的集成规模几乎以平 均每l 一2 年翻一番的惊人速度迅速增长。集成技术的发展也大大促进了电子 自动化( e d a ) 技术的进步，2 0 世纪9 0 年代以后，由于新的e d a 工具不断 出现，使设计者可以直接设计出系统所需要的专用集成电路，从而给电子系统 设计带来了革命性的变化。过去传统的系统设计方法是采用s s i 、m s i 标准通 用器件和其它元件对电路板进行设计，由于一个复杂电子系统所需要的元件往 往种类和数量都很多，连线也很复杂，因而所设计的系统体积大、功耗大、可 靠性差。先进的e d a 技术使传统的“自下而上”的设计方法，变成一种新的 “自顶向下”的设计方法，设计者可以利用计算机对系统进行方案设计和功能 划分，系统的关键电路可以采用一片或几片专用集成电路( a s i c ) 来实现， 因而使系统体积和重量减小，功耗降低，而且具有高性能、高可靠性和保密性 9 好等优点。 专用集成电路( a s i c a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 是指专门 为某一应用领域或专门用户需要而设计、制造的l s i 或v l s i 电路，它可以将 某些专用电路或电子系统设计在一个芯片上，构成单片集成系统。a s i c 可分 为数字a s i c 和模拟a s i c ，数字a s i c 又分为全定制和半定制两种。 全定制a s i c 芯片的各层( 掩膜) 都是按特定电路功能专门制造的。设计 人员从晶体管的版图尺寸、位置和互连线开始设计，以达到芯片面积利用率 高、速度快、功耗低的最优性能，但其设计制作费用高，周期长，因此只适用 于批量较大的产品。 半定制是一种约束性设计方式。约束的主要目的是简化设计、缩短设计周 期和提高芯片成品率。目前半定制a s i c 主要有门阵列、标准单元和可编程逻 辑器件三种。 门阵列( g a t e a r r a y ) 是一种预先制好的硅阵列( 称为母片) ，内部包括 几种基本逻辑门、触发器等，芯片中留有一定的连线区。用户根据所需要的功 能设计电路，确定连线方式，然后再交给生产厂家布线。 标准单元( s t a n d a r dc e l l ) 是厂家将预先配置好、经过测试，具有一定功 能的逻辑块作为标准单元存储在数据库中，设计人员在电路设计完成之后，利 用c a d 工具在版图一级完成与电路一一对应的最终设计。和门阵列相比，标 准单元设计灵活、功能强、但设计和制造周期较长，开发费用也比较高。 可编程逻辑器件( p l d p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是a s i c 的一个重 要分支。与上述两种半定制电路不同，p l d 是厂家作为一种通用型器件生产的 半定制电路，用户可以通过对器件编程使之实现所需要的逻辑功能。p l d 是用 户可配置的逻辑器件，它的成本比较低，使用灵活，设计周期短，而且可靠性 高，承担风险小，因而很快得到普及应用，发展非常迅速。 可编程逻辑器件从2 0 世纪7 0 年代发展到现在，已形成了许多类型的产品， 其结构、工艺、集成度、速度和性能等都在不断改进和提高。 最早出现的可编程逻辑器件是1 9 7 0 年制成的p r o m ，它由全译码的与阵列 和可编程的或阵列组成。由于阵列规模大、速度低，因此它的主要任务还是做 存储器。 2 0 世纪7 0 年代中期出现了可编程逻辑阵列( p l a p r o g r a m m a b l el o g i c a r r a y ) 器件，它由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成，虽然其阵列规模 大为减少，提高了芯片的利用率，但由于编程复杂，支持p l a 的开发软件有一 定的难度，因而也没有得到广泛应用。 2 0 世纪7 0 年代采美国m m i 公司( m o n o l i t h i c m e m o r i e si n c ，单片存贮器 公司) 率先推出了可编程阵列逻辑( p a l p r o g r a m m a b l e a r r a y l o g i c ) 器件， o 它由可编程的与阵列和固定的或阵列组成，采用熔丝编程方式，双极型工艺制 造，器件的工作速度很高。由于它的输出结构种类很多，设计很灵活，因而成 为第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件。 2 0 世纪8 0 年代初l a t t i c e 公司发明了通用阵列逻辑( g a l g e n e r i c a r r a y l o g i c ) 器件，它在p a l 的基础上进一步改进，采用了输出逻辑宏单元 ( o l m c ) 的形式和e 2 c m o s 工艺结构，因而具有可擦除、可重复编程、数据可 长期保存和可重新组合结构等优点。g a l 比p a l 使用更加灵活，它可以取代 大部分s s i 、m s i 和p a l 器件，所以在2 0 世纪8 0 年代得到了广泛应用。 p a l 和g a l 都属于低密度p l d ，其结构简单，设计灵活，但规模小，难 以实现复杂的逻辑功能。2 0 世纪8 0 年代末，随着集成电路工艺水平的不断提 高，p l d 突破了传统的单一结构，向着高密度、高速度、低功耗以及体系结构 更灵活，适用范围更宽的方向发展，因而相继出现了各种不同结构的高密度 p l d 。 2 0 世纪8 0 年代中期a l t e r a 公司推出了一种新型的可擦除、可编程逻辑器件 ( e p l d e r a s a b l e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，它采用c m o s 和u v e p r o m 工艺制作，集成度比p a l 和g a l 高得多，设计也更加灵活，但内部互连能力 比较弱。1 9 8 5 年x i l i n x 公司首家推出了现场可编辑逻辑器件( f p g a f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 器件，它是一种新型的高密度p l d ，采用c m o s r a m 工艺制作，其结构和阵列型p l d 不同，内部由许多独立的可编程逻辑模 块组成，逻辑块之间可以灵活地相互连接，具有密度高、编程速度快、设计灵 活和可再配置设计能力等许多优点。f p g a 出现后立即受到世界范围内电子设 计工程师的普遍欢迎，并得到迅速发展。 2 0 世纪8 0 年代末l a t t i c e 公司提出了在系统可编程技术以后，相继出现一系 列具备在系统可编程能力的复杂可编程逻辑器件( c p l d c o m p l e x p l d ) 。 c p l d 是在e p l d 的基础上发展起来的，它采用e 2 c o m s 工艺制作，增加了内 部连线，改进了内部结构体系，因而比e p l d 性能更好，设计更加灵活，其发 展也非常迅速。 2 0 世纪9 0 年代以后，高密度p l d 在生产工艺、器件的编程和测试技术等方 面都有了飞速发展。例如c p l d 的集成度一般可达数千门甚至上万门，a l t e r a 公司推出的e p m 9 5 6 0 ，其单密度达到1 2 ，0 0 0 个可用门，包含多达5 0 个宏单 元，2 1 6 个用户i o 引脚，并能提供1 5 n s 的脚至脚延时，1 6 位计数的最高频率 为1 1 8 m h z 。a m d 公司推出的m a c h 5 系列产品，其单片密度最多达2 万 门，引脚到引脚的延时为7 5 n s ，构成计数器时最高频率达1 2 5 m h z 。目前 c p l d 的集成度最多可达2 5 万个等效门，最高工作速度已达1 8 0 m h z 。可编程 集成电路的线宽已广泛采用0 3 5 u m i 艺，各厂家正在积极开发0 1 8 u m 和0 1 5 u m 工艺的器件。f p g a 的门延时己小于3 n s 。x i l i n x 公司生产的f p g a 从最初的 1 2 0 0 个可利用门发展到现在已达2 5 万个可利用门，规模己扩大了两百多倍。在 系统可编程技术、边界扫描技术的出现也使器件在编程技术和测试技术及系统 可重构技术方面有了很快的发展。 目前世界各著名半导体器件公司，如x i l i n x 、a l t e r a 、l a t t i c e 丰 i a m d a t m e l 等公司，均提供不同类型的c p l d 、f p g a 产品，众多公司的竞争促成 了可编程集成电路的提高，使其性能不断完善，产品日益丰富。可以预计，可 编程逻辑器件将在结构、密度、功能、速度和性能等各方面得到进一步发展， 并在电子系统设计中得到更广泛的应用。 ( 二) h d p l d 在正弦信号发生器中的应用 在正弦信号发生器中，采用了大量的计数器、同步六位二进制乘法器、锁 存器、各种逻辑门，还有用于译码的地址译码器7 4 l s l 3 8 。如果使用一个个芯 片连接成系统，不仅电路板体积大，而且可靠性低，一旦印刷电路板制成以后 就不能再修改，如有错误只能重新制印刷电路板。 在本系统设计中，我们使用了高密度可编程逻辑器件( h d p l d - - h i g h d e n s i t yp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 来代替一个个小规模的集 成电路芯片。e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 是a l t e r a 公司的m a x7 0 0 0 系列器件，它有 5 0 0 0 个器件门，2 5 0 0 个典型可用门，1 2 8 个宏单元，8 个逻辑阵列块，8 4 个 i 0 引脚。 m a x 7 0 0 0 系列器件是基于乘积项结构的可编程逻辑器件，特别适用于实 现高速、复杂的组合逻辑。它采用c m o se e p r o m 单元实现逻辑功能，这种 用户可编程结构可以容纳各种各样的、独立的组合逻辑和时序逻辑功能。在开 发和调试阶段，可快速丽有效地反复编程m a x7 0 0 0 器件，并保证可编程、擦 除1 0 0 次以上。 q u a r t u s 和m a x + p l u si i 开发系统均支持m a x7 0 0 0 系列器件。在本设 计中，我们使用的是m a x + p l u s i i 开发系统，我们将计数器、锁存器、译码 电路、逻辑门等均作在一片e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 中，这样就大大减小了印刷电路板 的体积，并给调试带来了极大的方便。 使用m a x + p l u s i i 开发系统设计的过程包括以下几步，若任一步出错或 未达到设计要求，重复各步。如图2 3 所示： l 设计输入卜刊编译项目h一仿真与定时分析卜一编程测试卜h 完成 r 1 。2 。“7 。1 图2 , 3m a x + p l u s i i 开发流程 1 2 其中，输入设计项目的方法有图形输入、文本输入、波形输入及第三方 e d a 工具生成的设计网表文件等。因为m a x + p l u si i 开发系统提供了丰富 的图元和宏功能符号库，使用起来非常方便，所以我们用输入图形的方法进行 设计。 本设计中正弦信号调频、调相、调幅的实现，都充分利用了h d p l d 集成 芯片e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 ，这些将在后文论述；同时译码电路也在e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 中实现。这样就使得整个电路板的面积大大减小，同时提高了电路设计的灵活 性和可靠性。 2 1 4 正弦信号调频的实现 有两种方法可以实现正弦信号的调频：采用相位累加器调频和采用计数器 调频。 ( 一) 采用相位累加器调频【1 3 j 所谓相位累加器就是在连续时钟作用下将初值连续累加，同时将累加和输 出的数字逻辑器件。相位累加器的位数较高，一般都要高于波形存储器的地址 位数，取相位累加器的高位输出作为波形存储器的输入地址。 这里以相位累加器为2 4 位、波形存储器地址为1 2 位、波形固定存储点数为 4 0 9 6 点来说明。当相位初值选不同的数值时，相位累加器累加的结果也不相 同，作为波形地址的高位输出也会发生变化。 当相位初值 2 ”时，相位累加器每累加一次，用作波形地址的相位累加 器的高位输出将不连续变化，这样相同的时钟下输出一个完整的正弦波所取得 的波形点数将少于4 0 9 6 点。 反之，当相位初值 2 ”时，用作波形地址的相位累加器的高位输出将会 连续变化，而且是几个连续时钟作用下相位累加器的高位输出都不变化，即波 形地址不变，重复取一个波形数据，也就是说相同时钟下输出一个完整正弦波 所取到的波形点数要大于4 0 9 6 点。相同时钟下，波形点数的改变也就意味着波 形频率的改变。只要恰当选择波形的相位初值，就可以做到波形频率的连续 变化。相位累加器的原理如图2 4 所示： 时钟 图2 4相位累加器原理图 1 3 在图2 4 中，相位累加器是n 位，时钟频率为k ，相位初始值为，则 输出频率，为： f = ( 厶2 “) ( 2 - 9 ) 当相位初始值a d , 于2 ”时，输出频率厂就实现了连续改变。 ( 二) 采用计数器调频 这种方法的思路是固定每个正弦周期的离散数据点数，如每周期采样4 0 9 6 个点，而通过计数器改变正弦表输出离散数据到数模转换器的时间间隔来达到 调频的目的。 综上所述，采用相位累加器调频的方法实质上是在相同的时钟作用下，通 过改变每周期波形点数来达到改变频率的目的。因而在不同输蹬频率下，每周 期输出波形的阶数不同，这就要求在不同输出频率下低通滤波器的时间常数作 相应的改变，不利于低通滤波器的设计。相反，采用计数器调频的方法固定了 每周期的采样点数，因而方便了低通滤波器的设计。因此，我们采用了计数器 调频的方法，计数器调频电路设计在一片e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 中，如图2 5 所示： 输入时钟 经计数器7 4 1 9 7 二分频( 厶，) 后进入三片级联的同步6 位二进 制乘法器7 4 9 7 ，7 4 9 7 的真值表可知： r 一f m 2 x f l t i - 型! ! 血+ 型旦! 厶! 。“1 2 62 6 2 6 1 2 6 2 6 2 6 ：2 1 2 x f m 2 + 2 + 百x f a i l + 一f m o 厶i ( 2 - 1 0 ) 式中，f m 2 、f m l 、f m o 分别为进入三片7 4 9 7 的6 位二进制数。 将上式分子( 除兀。以外的部分) 展开得： 2 汜( m 1 7 2 5 + m 1 6 2 4 + + m 1 2 ) + 2 6 ( m 1 1 2 5 + m i o 2 4 + m 6 ) + ( m 5 2 5 + m 4 2 4 + m 0 ) = m 一 ( 2 一1 1 ) 即 厶i ：面mx 辱( 2 - 1 2 ) 三片级联7 4 9 7 的输出时钟五。再经7 4 1 9 7 八分频后，得到输出时钟工。 所以， 工。= 兰矗 ( 2 1 3 ) ，作为作为1 2 位二进制计数器的输入时钟( 由3 片四位二进制计数器7 4 1 9 3 级联组成) 控制a t 0 a t l l 从0 0 0 h 到f f f h 周而复始的变化，因此可以用 这1 2 根线作为正弦波形数据存储器2 7 6 4 的地址线，等时间间隔地从正弦波形存 储器中取数并输出给模数转换器a d 6 6 7 ，再经过低通滤波器就实现了正弦信号 1 4 的恢复。 图2 5计数器调频电路 输入时钟九经计数器7 4 1 9 7 二分频( 厶。) 后进入三片级联的同步6 位 二进制乘法器7 4 9 7 ，由7 4 9 7 的真值表可知： ，一f m 2 厶1 f m i 厶1 f m o 厶l 。”“ 2 6。2 6 2 6 1 2 6 2 6 2 6 ：2 1 2 xfm2+2j6。fm1+fmo厶l(2-10)115 ，f nj 式中，f m 2 、f m l 、f m o 分别为进入三片7 4 9 7 的6 位二进制数。 将上式分子( 除 。以外的部分) 展开得： 2 垤( m 1 7 - 2 5 + m 1 6 2 4 + + m 1 2 ) + 2 6 ( m 1 1 2 5 + m 1 0 2 4 + m 6 ) + f m 5 2 5 + m 4 2 4 + m 0 ) = m ( 2 1 1 ) 即 厶：丽m 每( 2 - 1 2 ) 三片级联7 4 9 7 的输出时钟正。l 再经7 4 1 9 7 八分频后，得到输出时钟0 所以， 正。：差厶( 2 - 1 3 ) 正。作为作为1 2 位二进制计数器的输入时钟( 由3 片四位二进制计数器7 4 1 9 3 级联组成) 控制a t o a t l l 从0 0 0 h 到f f f h 周而复始的变化，因此可以用 这1 2 根线作为正弦波形数据存储器2 7 6 4 的地址线，等时间间隔地从正弦波形存 储器中取数并输出给模数转换器a d 6 6 7 ，再经过低通滤波器就实现了正弦信号 的恢复。 因为正弦波每周采样4 0 9 6 点，所以输出正弦波的频率为： 厂：石f o u r ：芸，( 2 - 1 4 ) 其中，m 为1 8 位二进制数。 取输入时钟无= 1 0 m h z ， 贝0 当m = 3 f f f f h 时，厂m 。= 1 5 2 5 8 h z 当m = 0 0 0 0 h 时，厶= o h z 频率调节范围为：0 1 5 2 5 8 h z 。 一个l s b 对应的频率调整为o 0 0 0 5 8 h z ，小于o 0 0 1 h z ，所以可以实现 0 0 0 1 h z 的频率步进。 2 1 5 正弦信号调相的实现 在对功率方向继电器和阻抗继电器进行测试时，需要调节电压和电流之间 的相位差，因此正弦信号发生器发出的正弦信号的相位要可调，这里我们使用 了地址差调相的方法。 如前所述，将正弦信号经离散抽样后再数字化，把这些数字化数据存储在 e p r o m 中，用一套数字电路产生一串地址控制e p r o m ，将存储在里面的数 字化波形数据按顺序依次取出来，经d a 电路还原成阶梯正弦波信号，最后经 过低通滤波器恢复成正弦信号。通过数字电路向几个存储波形数据的e p r o m 提供先后地址差固定的地址码序列即可实现相位调节，这就是地址差调相法， 如图2 6 所示 1 4 1 ： 图2 6固定地址差调相法原理图 设计中，我们固定电流的初始相位，即在图2