2.3 FPGA控制電路

　　FPGA是光纖電流互感器控制電路實現信號檢測與閉環控制的核心。如圖1所示，其主要功能是負責生成整個控制系統的控制時序；完成A/D采集控制及數據讀取、存儲；對采集到的數字信號按預定的解調和積分算法進行處理，將處理后的數據在發送到階梯波生成算法的同時，經濾波處理之后傳到UART串口控制模塊，完成與計算機的數據通信；此外還要將階梯波生成算法產生的數據與方波數據疊加后控制D/A轉換器輸出相應的模擬信號。FPGA控制時序如圖2所示，電路上電復位后，FPGA程序加載并對外圍A/D、D/A及其他程控電路及接口初始化；FPGA內部時序控制模塊產生周期5μs的調制方波，該調制方波通過D /A控制接口輸出到D/A產生同樣周期的模擬方波信號并控制后端光調制器上產生±π/2的相移，確保前端光纖傳感部分的相位檢測靈敏度最高；模數轉換器前端輸入信號是含有相位差信息的交流信號，該信號的高低電平差值與相位差成正比，通過檢測該信號的高低電平差值就可以間接獲得當前相位差值，從而根據前面所述理論獲得對應電流大小，該信號周期與方波周期一致。

　　FPGA通過時序控制單元控制A/D轉換器在每個方波周期內對該信號高電平和低電平分別進行多次采樣求平均后相減，獲得該信號的解調信息即相位信息。由于前端光纖傳感部分的相位差為0時表明實現一次閉環控制，因此，上述解調出的相位信息需要經過階梯波生成算法將相位差信息轉換為階梯波臺階數據，再經過后端 200 kHz固定方波和數字階梯波疊加生成模塊將該臺階數據與方波數據累加輸出到D/A轉換器，D/A轉換器輸出模擬信號驅動控制相位調制器產生抵消上述檢測到的相位差信息，形成一次閉環控制。該處設計時應設計階梯波累加判別程序，當階梯波累加數據值超過驅動相位調制器產生2π相移時，應該減去相位調制器產生 2π相移所對應值后再累加。由于該階梯波臺階的高度反映了被測電流引起的相位差值，所以該值與被測電流也成線性關系，可將該值經數字平滑濾波后由FPGA 內部設計的UART通信接口傳輸到上層控制界面用于計算當前被測電流的大小。

　　圖2 FPGA閉環控制時序圖

　　2.4 數模轉換及驅動電路

　　該部分功能是把200 kHz固定方波和數字階梯波疊加生成模塊所輸出的數字信號轉變為模擬電壓信號，經過功率驅動部分的放大和幅度調節控制相位調制器（在D/A滿量程輸出時，產生的模擬電壓值為相位控制器半波電壓的兩倍），從而在光纖傳感環中產生一個附加的反饋相移，抵消掉本次閉環控制周期內檢測到的相位差。D/A選擇主要考慮模擬信號輸出建立時間、增益誤差、輸出線性度以及分辨率幾個指標。D/A輸出信號建立時間不僅對閉環控制帶寬具有重要影響，而且當其建立時間較長時，會對輸出階梯波臺階的前、后沿影響很大，導致模數轉換器前端輸入信號的尖峰脈沖拉長，而有效采樣時間窗口變短，因此建立時間越短越好。D/A的增益誤差和輸出線性度決定了輸出模擬信號的誤差和線性度，而模擬信號的誤差和線性度施加在相位調制器上后或直接影響反饋相位的控制誤差，因此需選擇增益誤差和輸出線性度小的模數轉換器。D/A的分辨率直接決定相位控制的最小分辨精度，其分辨率最好大于A/D的分辨率。設計中采用16位的高速D/A芯片AD9726實現該模數轉換功能。由于該芯片為電流型輸出，所以后端采用高速運放AD81l實現電流輸出轉電壓輸出和電壓幅度放大功能。

　　3 實驗驗證及討論

　　為驗證上述控制電路性能，結合前端光纖電流傳感頭模塊搭建了全光纖電流互感器裝置。同時，采用大電流發生器（交流，有效值0 ~ 5 000A，50 Hz）作為測試電流源，并以0.0l級（誤差低于0.0l%）的標準電流互感器為基準，按照國標要求，搭建了一套準確度校檢系統，以之校檢該全光纖電流互感器的測量準確度，從而驗證上述控制電路的指標和功能。圖3是上層控制界面通過串口獲得的50 Hz交流電信號的截圖，可見通過上述控制電路可以有效解調出50 Hz交流電信號的周期和幅度信息，從而實現對光纖傳感頭的閉環控制功能。

　　圖3上層控制界面獲得的50Hz交流電信號

　　在本控制電路基礎上搭建的全光纖電流互感器裝置樣機額定一次電流值Ipr設定為100A-4000A，根據國標要求，在Ipr的l%-120%范圍內，實測電流值i測的測量誤差如表1所示，其中標準電流值i標指0.01級標準電流互感器對待測電流進行檢測得到的電流值（有效值，與真實值之間的誤差低于 0.0l%），單位為A；樣機解調信號的數字輸出指樣機對待測電流進行解調后輸出的數字量；樣機解調出的電流值i解，指樣機解調信號的數字輸出乘以一個固定變比得到的數值，表征解調輸出的電流值（有效值），單位為A；電流誤差為i標和i解之間的誤差。

　　圖4全量程范圍的實測誤差曲線

　　根據表1的數據，可得到全量程范圍內的誤差曲線，如圖4所示。可以直觀看出全量程范圍內的實測誤差均滿足0.2 S級測量準確度的要求。即設計的電路完成了對光纖傳感頭的閉環控制和測試數據解調。

　　本文初步研究了用于全光纖電流互感器的閉環檢測控制電路，基于單片FPGA實現信號采集、數據輸出以及與計算機通信等控制和數據解調、積分濾波、階梯波產生等算法，完成了對光纖電流互感器傳感頭輸出信號的檢測以及閉環控制。該控制電路具有結構簡單、集成度高、閉環控制速度快、控制精度高等特點，為研制滿足電力電網測試需求的全光纖電流互感器奠定了基礎。此外，基于該控制電路研制的全光纖電流互感器樣機，經測試，其額定一次電流100 A~4000 A范圍內均實現了0.2 S級測量準確度，初步滿足電力電網對電流互感器測量準確度的要求。