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1摘要交流调压电路广泛应用于灯光控制及异步电机软启动，也用于异步电机调速。在供用电系统中，这种电路还用于对无功功率的连续调节。随着EDA技术的发展，许多电子产品的设计都采用了FPGA器件。在FPGA的设计中，由于VHDL语言具有很好的行为描述和系统描述性能、语言易读特征、层次化设计等优点而得到了广泛的应用。论文详细分析了晶闸管三相三线制调压电路的工作原理，给出了晶闸管的导通顺序和触发脉冲的规则。以实验室EDA/SOPC为实验开发平台，以FPGA芯片EP2C5Q208C8作为控制核心，设计了脉冲产生各个功能模块，得到了两种方案的顶层设计仿真模块电路，并对其进行了仿真验证。论文还设计了稳压电源、同步信号提取电路、输入输出隔离电路，搭建了单相半波实验验证电路，获得了不同触发角的脉冲波形和输出电压波形。仿真和实验结果表明了设计的合理性和正确性，所设计的电路能够实现连续调压的功能。关键词：FPGA，VHDL，晶闸管，触发角2AbstractAcvoltageregulationcircuitarewidelyusedinlightingcontrolandasynchronousmotorsoftstart,alsousedforasynchronousmotorspeed.Inthepowersupplysystem,thiscircuitisalsousedinonreactivepowercontinuousadjustment.WiththedevelopmentofthetechnologyofEDA,manyelectronicproductdesignareadoptedFPGAdevice.InthedesignoftheFPGA,becauseVHDLlanguagehastheverygoodbehaviordescriptionandsystemperformance,easytoreaddescriptionlanguagecharacteristics,thehierarchicaldesignofadvantageandawiderangeofapplications.BasedonFPGAdesignEP2C5Q208C8chipascontrolchip,takingthree-phasesynchronousextractionsignaltotriggerthebenchmark,bychangingthethyristortriggertoexchangethepressureAngleofpurpose.TheexperimentalresultsshowthatusingtheFPGAchipcontrolthyristorconduction,whichiseasytocarryout,circuitstructurecompact,highcontrolaccuracyandstronganti-interferenceability,etc.KEYWORDS：FPGA，VHDL，thyristor，triggeringAngle3目录第1章前言........................................................51.1三相调压器仿真电路设计的意义................................51.2系统的原理及功能............................................5第2章EDA∕SOPC实验开发平台的介绍.................................7第3章FPGA的介绍.................................................10第4章三相交流调压电路的触发原理..................................124.1晶闸管的工作原理...........................................124.2晶闸管对触发电路的基本要求.................................134.3三相无中线调压电路的工作原理...............................13第5章三相同步信号的提取..........................................145.1同步信号的初步提取.........................................155.1.1电压比较器的选取......................................155.1.2直流稳压电源的设计....................................155.2输出隔离的设计.............................................165.3同步提取电路的设计.........................................17第6章触发脉冲的FPGA设计.........................................196.1脉冲产生模块的设计.........................................196.1.1移相控制脉冲的选取....................................196.1.2单脉冲产生模块........................................196.2脉冲扩展模块的设计.........................................256.3脉冲分配模块的设计.........................................276.4脉冲调制模块的设计.........................................286.5时钟分频模块的设计.........................................286.6系统总体的设计.............................................304第7章实验结果及验证..............................................38致谢..............................................................43参考文献...........................................................4351前言1.1三相调压器仿真电路设计的意义交流调压电路广泛运用于工业加热、灯光控制（如调光台灯和舞台灯光的控制）、异步电机调速及软启动、电解电镀的交流侧调压。在供用电系统中，这种电路还用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流的直流电源中，也常采用交流调压电路在变压器一次侧调压，而变压器二次侧用二极管整流。这样的电路体积小，成本低，易于制造。微电子技术与电力电子技术的结合，信息电子技术已经融入电力电子技术领域形成一个整体，计算机控制技术已经在电力电子技术中生根、开花、结果。现在电力电子装置的控制不仅依赖硬件电路，而且可以利用软件编程，既方便又灵活，使各种新颖、复杂的控制策略和方案得以实现。在交流调压电路中，触发控制电路是核心。触发电路的稳定性、可靠性直接关系到整个变换性能的好坏。传统的晶闸管触发电路是以分立元件构成的模拟触发器为主。由于元件参数的分散性和零点漂移等因素，触发脉冲的对称性较差。采用Altera公司高性能FPGA芯片EP2C5Q208C8，本文设计了三相无中线调压电路的晶闸管触发控制电路。在QUARTUSⅡ软件的支持下，采用文本输入和原理图相结合的方式有效地利用了FPGA芯片的资源，在占用很少资源的情况下实现了输出脉冲对称性、响应快、精度高、稳定性好、易调试的触发控制电路，克服了传统电路对称性差的缺点，具有明显的优势。1.2系统的原理及功能系统要实现的功能是输出六路同步双窄脉冲列，以此来控制晶闸管的导通，从而实现晶闸管电路的输出调压控制。基于FPGA的三相调压电路的总体原理框图如图1-1所示。6三相电压图1-1基于FPGA的三相调压电路总体框图在系统的总体框图中，FPGA控制电路是核心，也是设计实现的重点。同步提取电路是实现精准触发的前提，也是移相控制的保证。光耦隔离电路是要实现模拟与数字的隔离，用于保护FPGA芯片。时钟模块为EDA实验箱提供的高精度数字时钟。系统设计的原理是利用FPGA芯片的可编程性，实现晶闸管的精准触发，电路结构简单，易于操作。变压器同步提取电路光耦隔离电路FPGA控制电路晶闸管负载隔离驱动电路时钟72EDA∕SOPC实验开发平台介绍SOPC-NIOSEDA/SOPC实验开发系统是根据现代电子发展的方向，集EDA和SOPC系统开发为一体的综合性实验开发系统，是电子设计和电子项目开发的理想工具。整个开发系统由核心板、SOPC开发平台和扩展板构成，根据用户不同的需求配置成不同的开发系统。EP2C5核心板为基于AlteraCycloneII器件的嵌入式系统开发提供了一个很好的硬件平台，它可以为开发人员提供以下资源：1．主芯片采用AlteraCycloneII器件EP2C5Q208C8；2．EPCS1I8配置芯片；3．标准AS编程接口和JTAG调试接口；4．50MHz高精度时钟源；5．三个高密度扩展接口；6．系统上电复位电路；7．支持+5V直接输入，板上电源管理模块。图2-1为核心板EP2C5模块组成图。图2-1核心板EP2C5模块组成图8EDA/SOPC实验开发平台提供了丰富的资源供学生或开发人员学习使用，资源包括接口通信、控制、存储、数据转换以及人机交互显示等几大模块，接口通信模块包括SPI接口、IIC接口、VGA接口、RS232接口、网络接口、USB接口、PS2键盘/鼠标接口、1－Wire接口等；控制模块包括直流电机、步进电机和交通灯的控制模块等；存储模块包括EEPROM存储器模块等；数据转换模块包括串行ADC、DAC、高速并行ADC、DAC以及音频CODE等；人机交互显示模块包括8个按键、12个拨动开关、12个LED发光二极管显示、4×4键盘阵列、128×240图形点阵LCD、8位动态7段码管、16×16点阵、实时时钟等；另外平台上还提供了一个简易模拟信号源和多路时钟模块。Altera公司的QuartusII软件提供了可编程片上系统（SOPC）设计的一个综合开发环境，是进行SOPC设计的基础。QuartusII集成环境包括以下内容：系统级设计，嵌入式软件开发，可编程逻辑器件（PLD）设计，综合，布局和布线，验证与仿真。QuartusII设计软件根据设计者需要提供了一个完整的多平台开发环境，它包含整个FPGA和CPLD设计阶段的解决方案。图2-2说明了QuartusII软件的开发流程。图2-2QuartusII软件的开发流程9此外，QuartusII软件允许用户在设计流程的每个阶段使用QuartusII图形用户界面、EDA工具界面或命令行界面。在整个设计流程中可以使用这些界面中的一个，也可以在不同的设计阶段使用不同的界面。QuartusII软件支持VHDL和Verilog硬件描述语言（HDL）的设计输入、基于图形的设计输入方式以及集成系统设计工具。QuartusII软件可以将设计、综合、布局和布线以及系统的验证全部整合到一个无缝的环境之中。其中还包括第三方EDA工具的接口如MATLAB等。103FPGA介绍现场可编程门阵列FPGA芯片是Xilinx公司于1985年首家推出的，它是一种新型的高密度PLD，采用CMOS-SRAM工艺制作。FPGA的结构与门阵列PLD不同，其内部由许多可编程逻辑模块组成，逻辑块之间可以灵活的互相连接。FPGA结构一