[发明专利]基于FPGA的示波功率仪采集系统

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的示波功率仪采集系统，在进行定频采样时，待测信号经ADC模块采集后经过抽点模块存入定频采样模块中；在进行同步采样时，采样数据首先通过基波频率测量模块准确测量得到基波频率，其方法为先使用FFT分析法粗略计算出输入信号的基波频率，经过滤除毛刺后通过测频法或测周法精确测量出信号的频率，最后通过对输入信号倍频后完成同步采样。本发明可以在精准测量输入信号基波频率并显示的同时，快速实现定频采样和同步采样。

技术领域

本发明属于示波功率仪技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于FPGA的示波功率仪采集系统。

背景技术

目前，全球对于能源和电力效率的关注日益增加，但是传统功率测量仪表无法实现精确的动态测量和波形的捕获，而示波器无法用于高精度的功率测量。示波功率仪能够精确测量并计算相关功率参数，同时具有一定示波器的功能，可以对电压电流的波形进行捕获。采集模块是示波功率仪的一个重要组成部分，对于基于FPGA(Field ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列)的示波功率仪采集模块而言，其重点及难点主要体现在系统级层面搭建采集架构，主要包括定频采样模式和同步采样模式，并设计出最符合用户需求并且可以广泛应用的方案。

定频采样模式是指示波功率仪中ADC以恒定速率进行采样，采样数据ADC_DATA发送至FPGA中。当用户选择不同时基档位时，采样数据ADC_DATA在FPGA中进行抽点。当一帧波形采样完成后，FPGA将这一帧波形数据发送至上位机进行显示。

同步采样也称为跟踪采样，即为了使采样频率f_s始终与输入信号的频率f₁保持固定的比例关系M＝f_s/f₁，必须使采样频率随输入信号的频率的变化而实时地调整。这种同步采样方式实施的技术保障可利用硬件测频设备或软件计算频率的方法来配合实现。同步采样的难点是准确获取输入信号的基波频率f₁，当输入信号中含有谐波成分时，该信号通过交流耦合后，其一个周期内可能会有多个过零点，因此该信号通过零比较器后，不论是测频法还是测周法其测量结果都大于输入信号的基波频率。同时，示波功率仪的时基档位一般是采用1-2-5步进，当示波功率仪工作在同步采样模式时，由于采样率f_s随着输入信号频率f₁的变化处于动态变化中，f_s可能不是1-2-5的整倍数，因此上位机无法根据当前的采样率f_s来制定时基档位和计算抽点系数，用户难以观测到当前的采样波形。

综上所述，如何精准测量输入信号的基波频率和搭建采集架构是示波功率仪数据采集部分的重点及难点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA的示波功率仪采集系统，在精准测量输入信号基波频率并显示的同时，快速实现定频采样和同步采样。

为了实现上述发明目的，本发明基于FPGA的示波功率仪采集系统包括比较器模块，ADC模块，FFT运算模块，参考时钟选择模块，滤毛刺模块，频率测量模块和上位机，其中FFT运算模块，参考时钟选择模块，滤毛刺模块和频率测量模块在FPGA中实现，其中：

比较器模块用于对经过交流耦合后的输入信号进行过0比较，得到与输入信号同频同相的矩形波信号CARD_CNV，并将矩形波信号CARD_CNV输出至滤毛刺模块；

ADC模块用于对同一输入信号进行采集，将采集得到的包含N个采样点的采集数据序列ADC_DATA发送至抽点模块、触发模块、定频采样模块和同步采样模块，ADC的采样率f_s由输入ADC的参考时钟ADC_CNV频率决定，即f_s＝f_{ADC_CNV}；

抽点模块根据上位机发送的抽点系数对采样序列ADC_DATA进行抽点，将抽点后的序列DATA_IN发送至定频采样模块；