基于SOPC的SPWM脉冲发生器的实现

郭宝增，刘志明，牛力

（河北大学电子信息工程学院，河北保定071002）

摘要：针对逆变控制领域的需求，采用自然采样法设计一个基于SOPC 的SPWM 脉冲发生器。在系统中，结合DDS 数字频率合成技术产生正弦调制波。使用Verilog 语言编程实现可逆计数器，利用可逆计数器形成一个完整的三角波。然后将同一时刻的正弦函数值与三角函数值相比较，形成一路脉冲调制波。最后为防止同相桥臂功率器件的同时导通，经过死区延时部分，形成最终的SPWM 脉宽调制波。基于SOPC 系统的SPWM 脉冲发生器既简化电路设计，又提高系统的可靠性、精确性，并通过实验验证实该系统设计的有效性、稳定性。关键词：直接数字式频率合成器；正弦波脉宽调制；可编程片上系统；自然采样法中图分类号:TP 273

文献标识码：A

文章编号：1674－6236（2010）04-0115-04

Realization of SPWM pulse generator based on SOPC

GUO Bao -zeng ，LIU Zhi -ming ，NIU Li

（College of Electronic and Information Engineering ，Hebei University ，Baoding 071002，China ）

Abstract :According to the requirement of inverter contro l area ，the SOPC -based SPWM pulse generator is designed by natural sampling.In this system ，the sine wave modulation is generated by combining with the direct digital synthesizer technology.To get a complete triangle by reversible counter that is achieved by Verilog programming language.Then ，the SPWM is generated by comparing the sinusoid and triangle at the same time.Finally ，in case of circulating at the same time in one bridge power device ，apply deadtime to get the final SPWM.The SOPC -based SPWM pulse generator has the features of simplifying circuit -design ，improving reliability and accuracy of the system.The validity and reliability of the system design is indicated by the experiment outcome.Key words ：DDS ；SPWM ；SOPC ；natural sampling

收稿日期：2009-09-25

稿件编号：200909083

作者简介：郭宝增（1953—），男，河北承德人，教授，硕士生导师。研究方向：集成电路设计。

随着电力电子开关器件及技术的不断发展，SPWM （正弦波脉宽调制）技术在逆变控制领域得到广泛应用。传统的

SPWM 驱动芯片速度慢、不够灵活，存在着电路设计复杂、体

积大、抗干扰能力差、设计周期长等缺点，对于许多有特殊要求的场合，由专用芯片很难满足实际的要求，因此，本文采用Altera 公司的EP2C35F672C8N 开发一种基于可编程片上系统的SPWM 脉冲波形电路，SOPC 技术将微处理器和SP -

WM 波形电路整合到一块FPGA 器件当中。可编程的片上系

统SOPC （System On Programmable Chip ）是一种特殊的嵌入式系统，首先它是片上系统（SOC ），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统中可编程的功能。SOPC 设计是以IP （Intellectual Property Core ）核为基础的，以硬件描述语言为主要设计手段，借助于以计算机为平台的EDA 工具进行的。SOPC 具有可靠性高、功耗低、保密性强、程序设计灵活等特点，在电子产品设计中得到广泛的应用[1]。在系统中，利用数字化自然采样法实现SPWM 脉冲。文中利用DDS （直接数字式频率合成器）技术，产生正弦调制波，然后与三角载波比较产生SPWM 脉冲波。

1SPWM 产生原理

正弦脉宽调制（SPWM ）技术，就是产生与正弦波等效的

一系列等幅不等宽矩形脉冲波形。实现SPWM 调制的方法很多，采样型SPWM 法是其中较常用的一种方法，它分自然采样法和规则采样法。自然采样法是目前最好的一种SPWM 实现方法，因为利用这种方法所得到的SPWM 波形最接近正弦波，而数字化自然采样法是用数字电路实现自然采样法的方法，并且数字化自然采样法的调制效果可以和自然采样法的调制效果相逼近[2]。本设计中采用数字化自然采样法，即SPWM 脉冲产生方法采用正弦调制波与三角载波相比较的传统方法[3]，但是正弦调制波、三角载波和比较逻辑等均采用基于

FPGA 的数字化方法来实现。图1所示为SPWM 波产生方式

示意图。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制波相交时，如果在交点时刻对电路中的开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合正弦脉宽调制的要求。

电子设计工程

Electronic Design Engineering

第18卷Vol.18第4期No.42010年4月Apr.2010

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《电子设计工程》2010年第4期

2基于SOPC 的SPWM 波形的实现

SPWM 脉冲发生器的SOPC 系统框图如图2所示。其中，

Nios 处理器是Altera 公司免费提供的32位CPU ，作为软核

嵌入FPGA 中，作为整个SOPC 系统的处理单元，Nios 之外的各个模块接到Avalon 总线上，通过Avalon 总线进行数据交换。

图2中，SPWM 模块由频率变换、正弦调制波生成、三角载波生成、幅度调节、数据比较、死区时间这6部分组成。功能是按设定的载波比和调制度，输出符合要求的高精度高稳定性的SPWM 脉冲波；SRAM 为系统提供程序运行空间和数据存储空间。在Quartus Ⅱ的SOPC Builder 中实现，生成

SRAM 控制器；Flash 电路用于存储FPGA 的配置文件和Nios Ⅱ的软件代码；按键、LCD 液晶显示电路通过按键对载波比

和调制度进行设定，通过Nios 处理器将设定参数送至SPWM 模块，使之产生相应参数的脉冲波。LCD 则显示系统当前工作状态的参数设置。

图3为SPWM 脉冲发生器中SPWM 模块的原理图。

本系统采用载波信号和调制信号不保持同步的异步调制方式。在异步调制方式中，通常保持载波频率固定不变，即三角载波的频率保持不变。三角载波的数字化是利用计数器来产生阶梯状的数字化三角载波，其核心部件是一个无符号加减计数器。利用其循环加减计数来产生阶梯状的数字化三角载波。计数器先执行加法，从0计数到某一值，在本系统中

设定为255，再执行减法计数从255到0，从而实现三角载

波。本系统中三角载波的峰峰值为255。设Q 为数字化三角载波的峰值，T CLK 为加减计数器的时钟周期，T s 为三角载波周期，则这3者之间的关系为:

Q ＝

T C 2T CLK

（1）

下面给出Verilog HDL 设计的三角载波发生器的部分程序[4]。

initial

begin cout=0；sum=0；A=1；end always @（posedge clk ）begin

if （cout==254）

begin cout<=0；A<=~A ；end else

begin cout<=cout+1；end end

always @（posedge clk ）begin

if （A ）

begin sum<=sum+1；end else

begin sum<=sum-1；end end

正弦调制波产生采用直接数字频率合成器DDS 方案实现。DDS 技术是一种采用数字化技术、通过控制相位的变化速度，直接产生各种不同频率和不同幅度信号的频率合成方

法。DDS 具有较高的频率分辨率，可实现快速的频率切换且在频率改变时能够保持相位的连续，很容易实现频率、相位和幅度的数控调制[5]。DDS 系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个相位寄存器组成，每来一个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查找表地址上，正弦查找表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相应点。在FPGA 内部开辟一块ROM 区域，将通过程序生成的离散时间正弦波幅值存入其中[6]。图4所示为正弦调制波的顶层文件设计。

在本系统中，将256个离散时间正弦波幅值存入ROM 中。在系统上电后，根据设定的频率按照相位与地址一一对应的关系从表中依次读出预先存好的幅值。本系统采用异步调制方式，三角载波的幅值与频率是固定的，这样通过改变正弦调制波的频率与幅值，则改变系统的载波比与调制。

幅度调节模块是控制正弦波的输出幅度，从而控制

SPWM 的脉冲宽度。这一功能是通过并行乘法器实现的。它实

现容易，运算速度快，可靠性高，可以满足系统的高效要求。在系统中乘法器对正弦函数表中取出的正弦幅值进行调制深度加权调整。设某时刻正弦调制波幅值为Y IN ，相应的调制度所对应的一整数为λ，则此时输出正弦信号的幅值Y OU T ：

Y OUT =λY IN /256（2）

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《电子设计工程》2010年第4期

2）推断上述“应变”与“应变”调整特性，是一切负反馈系

统的共同属性。作出这一推断的依据，主要基于以下两点：

①电阻的参数定义作为可测量电压与电流的比值，概念

上具有可扩展的外延包容性。电压量可扩展为广义的“势”或“位”函数，而电流量可扩展为广义的“流”或“通量”函数；电阻参数载体的结构与形态变化无穷。

②反馈控制理论的一般模型，具有广泛的适用性；数学

方法推导所得出的定性结论，原则上适用于一切涉及反馈的系统学科。尤其值得注意的是：推导新式的求导数运算，并未涉及时间量。这就意味着：本文结论原则上适用于各类反馈控制系统，无论其外参数以什么时间尺度发生变化。

总之，本文证明的新式不仅具体提供了电路系统内单元参数受外单元参数变化影响；如果推断成立，也可从反馈控制的调节角度说明一般反馈系统在功能，乃至结构参数方面受到外部环境参数变化影响。因此，不仅可引出众多学科的具体研究工作，而且必然对控制论的思想,哲学基础完备，产生重要影响。

新式的技术及教学价值有待适用领域的专家去阐述发掘；新式所引出的一般性课题，即反馈控制系统的外部参数因子变化引起其内部参数因子相应改变，则值得各类研究者们开拓探究。参考文献:

[1]丘关源．电路[M]．北京：高等教育出版社，2009.

[2]狄苏尔CA ，葛守仁．电路基本理论[M]．林争辉，译．北京：人

民教育出版社，1979.

[3]华成英，童诗白．模拟电子技术基础[M]．4版．北京：高等教

育出版社，2006.

[4]康华光．电子技术基础：模拟部分[M]．5版．北京：高等教育

出版社，2006．

[5]张肃文.低频电子线路[M]．2版．北京：高等教育出版社，

2003．

[6]Dorlaid A.Neamen ．电子电路分析与设计:模拟电子技术[M]．3版．北京：清华大学出版社，2007.

高，稳定性好。同时，由SOPC 系统实现的此SPWM 脉冲发生器，设计灵活，可在线编程，可根据不同要求的工作场合进行系统参数的修改。参考文献：

[1]潘松，黄继业，曾毓敏.SOPC 技术实用教程[M].北京：清华

大学出版社，2005.

[2]毛惠丰，陈增禄，任记达，等.SPWM 数字化自然采用法的

理论及脉冲误差分析[J]．中国电机工程学报，2006，26（9）：

131-136．

[3]刘凤君.正弦波逆变器[M].北京：科学出版社，2002.[4]夏宇闻.Verilog 数字系统设计教程[M].北京:航空航天大学

出版社，2003.

[5]马骏然，张春熹.基于FPGA 的直接数字频率合成波形发

生器[J].电子测量技术，2006，29（4）:78-79.

[6]杨守良.基于LPM_ROM 的正弦信号发生器电路实现方法[J].微计算机信息，2005，21（3）：134-135.

[7]杨春玲，朱敏.EDA 技术与实验[M].哈尔滨:哈尔滨工业大

学出版社，2009.

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6Gb/s SAS 交换机

LSI 公司宣布面向OEM 客户推出6Gb/s SAS 交换机产品系列样机。该款全新的LSISAS6160与SAS6161交换机可将多

个服务器连接至1个或多个的外部存储系统，从而能够显著扩展SAS 在直联存储（DAS ）环境中的功能。SAS616x 系列交换机可用于为云计算、超级数据中心以及中小型企业环境中的机架式服务器和存储系统安装提供简单易用的低成本共享型存储选项。

这两款SAS 交换机都具有分区功能，可使多个主机能够安全地共享存储资源，不仅有助于最大限度地提高存储资源利用率、消除存储孤岛现象，而且还能大幅简化存储管理、备份和升级。

LSI SAS616x 交换机系列基于LSI 企业增强型芯片、固件和软件之上。SAS6160和SAS6161交换机具备机架式16端口、

半宽和全宽两种1U 规格，可方便快速与机架式服务器一起安装，并能与现有的SAS 基础架构全面兼容。这两种型号的产品在

16个×4SAS 信道上均可实现24Gb/s 的SAS 连接性能，总带宽可高达384Gb/s 。每种型号都支持SAS 和SATA 连接，可以

连接超过1000台设备，从而使客户能够充分发挥大型SAS 拓扑和多层存储解决方案的优势。

LSI SAS616x 交换机系列产品可提供全面的SAS 域管理功能，其中包括端口配置、分区、固件管理、诊断以及SAS 拓扑检

验等。用户通过使用这两款带冗余数据路径的交换机解决方案能够支持高可用性应用。

自SAS 技术诞生以来，LSI 推出了众多市场领先产品，其中涵盖控制器IC 、扩展器、主机总线适配器、MegaRAID 与3ware

RAID 控制器卡、主板上RAID （ROMB ）解决方案以及存储系统等，目前基于SAS 的产品发货量已超过1800万。通过向业界

提供从芯片到系统的最佳的SAS 技术、高度可靠的互操作性以及统一的厂商支持，LSI 已经成为那些希望推出广泛系列存储解决方案的OEM 厂商的的最佳供应商选择。

预计今年下半年可面向OEM 客户批量供货。

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（上接第114页）

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