摘 要

在电子信息技术领域中，相位是几个最基本的参数之一，如何测得准确的相位信息已经显得越来越重要了。但由于相位差不是独立存在的，它依附于电流、电压信号中，所以在测量的时候就需要想办法排除电流、电压信号对测量的干扰；并且，单独的相位值是没有意义的，比较值相位差才有实用价值，所以测量时需要保持其它相关量的一致性。因此，我们在测量相位差的时候就不可避免的要解决这些困难。而如今，信息技术和计算机技术都发展到了一个很高的水平，数字化技术已经在测量和检测技术中发挥了十分重要的作用。这为我们测量相位差提供了很好的解决方法。

本次所选的课题就是需要利用FPGA技术，通过这种技术来设计一个三相相位继电器。该设计的重点就在于测量两路频率相同的正弦信号的相位差。经过资料的搜集和方案的比较，本文采用的最终设计方案主要包括三个单元，分别为信号整形单元、FPGA信号采集和数据处理单元、继电器单元。经过对各个单元的设计、仿真和调试，最终设计出的相位差检测模块精度高，抗干扰能力强，而整个继电器也反应灵敏，使用可靠。

关键词：相位差测量；FPGA；继电器

Abstract

In the field of electronic information technology, the phase is a fundamental parameter， how to accurately measure the phase has become increasingly important. However, due to the phase difference do not exist alone, it is dependent on current, voltage signal, so you need to find a way to exclude current, voltage signal interference ; and the phase difference is a more amount required to keep measurements consistent with other quantities. These are more difficult to measure the phase difference, but with the rapid development of information technology and computer technology, digital signal processing technology has become the main method of modern measurement, detection technology.

    This issue is by means of a field programmable gate array device (FPGA) technology, devised a three-phase phase relay. The focus of the design is that the two-way signal with the frequency of the phase difference detection. After comparison of the data collection and programs, the final design used in this paper consists of three main elements, namely a signal shaping unit, FPGA signal acquisition and data processing unit, the relay unit. Each unit has been designed for simulation and debugging, high final design phase difference detection module precision, strong anti-interference ability, and the entire relay is also responsive and reliable.

Key Words：phase difference measurement; FPGA; relay

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景和意义 1

1.2 相位测量技术的历史和发展现状 2

1.3 论文的工作内容和结构安排 3

第2章 设计方案论证 4

2.1 相位测量的常用技术指标 4

2.2 相位差测量原理和方案比较 4

2.2.1 双踪示波法 5

2.2.2 补偿法 5

2.2.3 数字化测量法 6

2.3 本章小结 7

第3章 系统设计 8

3.1 整形电路设计 8

3.1.1 限幅电路 8

3.1.2 过零比较电路 8

3.2 FPGA设计 10

3.2.1 FPGA芯片选型 10

3.2.2 FPGA 逻辑设计 11

3.3 本章小结 16

第4章 系统仿真与调试 17

4.1 仿真结果分析 17

4.2 误差分析 18

4.2.1 过零比较器引起的相移 18

4.2.2 计数器计数误差 18

4.2.3 工频干扰 18

4.3 本章小结 19

第5章 总结 20

参考文献 21

致谢 22

附录A 23

附录B 33

第1章 绪论

1.1 选题背景和意义

相位是一个十分基本的参数，在电子技术领域，它在很多方面都有应用。与我们切身相关的很多方面都存在相位知识的应用，例如，当我们调节收音机上的频率旋钮时就可以收到不同的广播频道，收听不同的节目；调节电视机上的微调按钮可以获得更加清晰的电视图像等等，这些都成为了我们生活中的常识。除了这些生活中我们很熟悉的这些外，在电力系统、勘测技术、智能化技术、自动化技术、航空航天等很多的领域都有着十分广泛和重要的用途，只是这些高新技术领域对相位测量的精度要求比生活中的高得多。尤其是在电力系统中，对交流电压和电流间相位差的测量是十分频繁的，它与很多要监控的量有着密切关系，比如有功功率、无功功率、功率因数、用电量等等。而且当两个电网需要进行合闸时，对这两个电网中信号的相位的要是求十分严格，必须完全相同，如果不同，将在电网中产生强大的冲击电流，造成严重事故，破坏电网系统。由此可见，精确高效的测量相位差在电力系统中是十分重要的。而本次选题就是来自于电力系统。众所周知，继电器是一个使用十分广泛的器件，特别是在电力系统中，主要用于电路的控制。本课题就是从继电器出发，要求设计一个三相相位继电器，设计的要点和难点就是测量三相电各相之间的相位差，通过与三相电间标准相位差的比较产生高低电平来控制继电器的通断，从而控制后续电路的通断。传统的采用硬件电路来测量相位差的方法有着很明显的缺点和不足，比如测量的精度不能达到很高，硬件电路的结构十分复杂，容易受到外界因素的影响和干扰，并且设计周期很长，成本高。鉴于这些缺点和不足以及FPGA明显的优势，本设计采用的是FPGA技术。现场可编程门阵列器件（FPGA）是现在十分流行的一种高端技术。它具有大规模、高集成度、可靠性强等很多优点，并且对早期的ASIC进行了大大的改进，使其实用性更强。例如，它缩短了设计周期，降低了设计成本，更便于设计开发，灵活性强。除此之外，FPGA内部还集成了RAM或者EPROM等存储器，设计开发人员可以对其进行编程，从而改变器件的功能，方便快捷。这样一来，很多原本用硬件来实现的功能就可以采用软件编程来实现，更好的节约了设计成本，在整个设计系统的体积减小了很多的同时，使系统的性能也能大大提高。本次设计采用FPGA来测量两路三相交流电同频正弦信号的相位差和频率数据，可以充分发挥FPGA的结构优势，测量速度快，测量精度也高。

1.2 相位测量技术的历史和发展现状