引言

　　隨著科學技術和國民經濟的快速發展，各種工業生產對電力系統對電能質量的要求越來越高，因此，對電網參數進行實時檢測與分析具有重要的意義。要解決電能質量問題，首先要建立電能質量各項指標的監測和分析系統，對電網中的各種指標進行實時更新測量和數據采集。傳統的電網數據采集系統往往采用單片機或數字信號處理器(DSP)作為控制器，來控制模／數轉換器(ADC)、存儲器和其他外圍電路的工作。但是，由于單片機本身的指令周期以及處理速度的影響，其時鐘頻率較低，各種功能都要靠軟件的運行來實現，而軟件運行時間在整個采樣時間中占有很大的比例，效率較低，很難滿足系統對數據采集系統實時性和同步性的要求。由于對電網的諧波進行FFT分析時，電網頻率不是一成不變的，因此，以固定的采樣頻率對電信號進行采樣時，如電網頻率發生波動，采樣頻率將不能與輸入信號同步，因而會產生頻譜泄漏。事實上，除了產生頻譜泄露以外，對于離散傅里葉變換來說，非同步采樣時，即使信號含有單一頻率，其離散傅里葉變換也不可能求出信號的準確參數，而會產生柵欄效應。

　　為了解決這些不足，可在數據采樣部分采用高速A／D轉換芯片ADS7864，即在數據采集的控制部分則利用FPGA(可編程邏輯器件)直接控制ADS7864對模擬信號進行采樣。然后將轉換好的12位二進制數據迅速存儲到FPGA內部的存儲器中。為了提高諧波測量的精度，還可采用硬件描述語言VHDL來設計數字鎖相環和同步被測信號，以實現對誤差的修正。控制器則根據數字鎖相環模塊檢測出的信號頻率大小實時調整A／D轉換器的采樣頻率，以同步被測信號，提高測量精度。

　　1 設計方案

　　圖1所示是本數據采集控制模塊的設計框圖。圖中，數字鎖相倍頻模塊每輸出一個有效的采樣觸發信號CLK，ADC控制器就完成一次6通道的采樣操作，然后停止等待下一個觸發脈沖的到來。時鐘管理模塊的作用是利用最小系統板上的50 MHz晶振輸入，經過編程進行1000分頻，以將其轉換成50 kHz提供給AD控制器。至于雙口RAM存儲模塊，由于QuqartusII內部有一個可調用的ROM宏功能模塊，因此，在使用時，只要將其調出，并按照本系統的要求對存儲容量和地址端口進行設置，就可以作為模塊來用。

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　　2 數字鎖相倍頻

　　2.1 數字鎖相倍頻器的基本原理

　　輸入信號經整形后可轉換為與輸入信號同頻率的方波信號，其頻率為FS，可對其進行K倍頻。首先設置一標準的時鐘信號，若時鐘頻率為FC，采用可編程分頻器對時鐘信號進行分頻，其分頻系數由計數器提供。若分頻系數為N，則輸出頻率為FC的N分頻，即：

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　　時鐘信號經K分頻后可送至計數器，由計數器在輸入信號的一個周期內對FC／K脈沖進行計數，若忽略各種誤差因數，其計數值為N，則：

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　　由上兩式可得：F0=KFS，這樣就實現了對輸入信號頻率的K倍頻，倍頻后的信號即可作為A／D的采樣信號。數字鎖相倍頻器中計數器的實質是選用采樣窗口信號通過同步過程所得的方波信號作為閘門信號，并將高頻率的同步時鐘信號作為填充脈沖來進行計數，設計數值為Ⅳ實現周期測量，由于該模塊在工作過程中可連續測量輸入信號的周期，所以兼有測頻的功能。因此，保證數字倍頻器跟蹤精度的關鍵是提高周期測量的精度和分頻系數的準確度。數字倍頻器的原理框圖如圖2所示。

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