??? 摘? 要： 以晶閘管構(gòu)成的全橋整流電路為對(duì)象，分析和建立了兩種觸發(fā)器以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的觸發(fā)控制。一種是以TCA785為核心芯片的模擬觸發(fā)器，另一種是以可編程邏輯陣列（FPGA）為核心芯片的數(shù)字觸發(fā)器" title="數(shù)字觸發(fā)器">數(shù)字觸發(fā)器。試驗(yàn)表明兩種觸發(fā)器都具有良好的性能，并且由模擬觸發(fā)向數(shù)字觸發(fā)的方向發(fā)展。?

????關(guān)鍵詞： 晶閘管；數(shù)字觸發(fā)器；可編程邏輯陣列；脈沖調(diào)制

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??? 觸發(fā)器性能簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其設(shè)計(jì)已經(jīng)有了很大程度的進(jìn)展。目前的專業(yè)觸發(fā)器集成度更高，功耗更小，針對(duì)性更強(qiáng)。?

??? 本文以觸發(fā)電路為載體，分析和建立了兩種觸發(fā)器，一種是基于TCA785的模擬觸發(fā)器，另一種是基于FPGA的數(shù)字觸發(fā)器。?

??? 基于FPGA的數(shù)字觸發(fā)器設(shè)計(jì)，使用了先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)開發(fā)環(huán)境和工具，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。?

1 基于TCA785的模擬觸發(fā)器?

??? 本文所設(shè)計(jì)的觸發(fā)器，以觸發(fā)晶閘管為目的，圖1為三相晶閘管全橋主電路，設(shè)計(jì)的觸發(fā)器依次與晶閘管觸發(fā)端TP1，TP2，TP3，TP4，TP5，TP6相連接。?

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1.1 TCA785內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能?

??? 圖2所示為TCA785集成觸發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。TCA785集成觸發(fā)器由同步過(guò)零、放電監(jiān)控、同步寄存器、控制比較、電壓分配、脈沖形成與分配等幾部分電路組成。TCA785集成觸發(fā)器采用PDIP161封裝形式。?

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??? TCA785集成觸發(fā)器的引腳功能如下：?

??? 1腳接地；2腳、4腳分別是觸發(fā)脈沖反相輸出端Q2、Q1；3腳是方波電壓輸出端QU；5 腳是同步信號(hào)" title="同步信號(hào)">同步信號(hào)輸入端V SYNC；6 腳是封鎖端, 當(dāng)該腳為“0”時(shí), 封鎖觸發(fā)脈沖輸出" title="脈沖輸出">脈沖輸出，為“1”時(shí),解除封鎖；通常6腳用于過(guò)流、過(guò)壓及其他控制時(shí)的輸入；7 腳輸出的是Q1、Q2的“與”脈沖(QZ=Q1·Q2) 輸出端；9 腳外接斜率電阻R9；10 腳外接斜率電容C10, R9和C10決定鋸齒波" title="鋸齒波">鋸齒波的斜率, 改變其值的大小可以改變鋸齒波的斜率；11腳外接控制電壓V11, 改變控制電壓的大小就可以改變觸發(fā)脈沖的觸發(fā)角A；12 腳、13 腳上外接電容C12、C13，其值大小分別決定14 腳、15 腳和4 腳、2 腳輸出的觸發(fā)脈沖寬度。14 腳、15 腳分別是觸發(fā)脈沖輸出端Q1、Q2。16腳接工作電源。?

1.2 TCA785工作原理?

??? 本文采用了三塊TCA785觸發(fā)晶閘管橋電路，其接線方式對(duì)稱?，F(xiàn)對(duì)一塊TCA785的引腳連線進(jìn)行說(shuō)明：在管腳11引入移相控制電平，管腳6接調(diào)制信號(hào)，管腳5接同步信號(hào)，管腳9和管腳10分別接鋸齒波斜率電阻和電容，管腳12通過(guò)電容接地，管腳15和管腳14為脈沖輸出端Q1、Q2。?

??? 由管腳5引入的同步信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部零點(diǎn)鑒別器，同步寄存器控制鋸齒波發(fā)生器，使之產(chǎn)生與同步信號(hào)同步且頻率為同步信號(hào)兩倍的鋸齒波。鋸齒波的斜率由管腳9和管腳10間的電阻電容決定，當(dāng)鋸齒波的電壓等于移相控制電平時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)調(diào)制的脈沖信號(hào)" title="脈沖信號(hào)">脈沖信號(hào)送到內(nèi)部輸出邏輯單元。管腳14、管腳15輸出脈沖相位差180°。?

??? 三個(gè)同步信號(hào)的選取為 A、B、C三相電壓，相位差為120°，而A、-C、B三項(xiàng)分別作三片TCA785的同步信號(hào)，在移相電壓的作用下就會(huì)產(chǎn)生6個(gè)周期脈沖信號(hào)QA1、QA2、QC1、QC2、QB1、QB2，如圖3所示。其中QA1、QA2有180°的相移，QC1、QC2有180°的相移，QB1、QB2有180°的相移，并且六者中相鄰兩個(gè)脈沖之間相位差為60°。?

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??? 對(duì)QA1、QA2、QC1、QC2、QB1、QB2做如下運(yùn)算即得到最終輸出：?

??? TP1=QA1+QC1； ?

??? TP2=QC1+QB1；?

??? TP3=QB1+QA2；?

??? TP4=QA2+QC2；?

??? TP5=QC2+QB2；?

??? TP1=QB2+QA1。?

2 基于FPGA的數(shù)字觸發(fā)器?

??? 晶閘管數(shù)字觸發(fā)器主要有電網(wǎng)同步信號(hào)檢測(cè)、輸出信號(hào)、檢測(cè)及反饋信號(hào)處理、模擬PI調(diào)節(jié)單元、相序自適應(yīng)、缺相保護(hù)單元、脈沖形成及脈沖驅(qū)動(dòng)單元組成。同步信號(hào)檢測(cè)部分獲得電網(wǎng)的三相同步信號(hào)，作為觸發(fā)脈沖輸出的基準(zhǔn)，同時(shí)也作為相序自適應(yīng)及缺相保護(hù)的依據(jù)；輸出信號(hào)檢測(cè)及反饋信號(hào)處理單元將輸出電壓或電流信號(hào)與移相給定信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬PID運(yùn)算后，由A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字觸發(fā)控制角，送入主控芯片。脈沖形成單元輸出的脈沖經(jīng)調(diào)制并經(jīng)脈沖變壓器隔離放大后驅(qū)動(dòng)晶閘管。?

2.1 主控芯片F(xiàn)PGA?

??? 本文使用的開發(fā)板是Actel公司的ProASIC開發(fā)板。Actel是反熔絲（一次性燒寫）PLD的領(lǐng)導(dǎo)者，由于反熔絲PLD抗輻射、耐高低溫、功耗低、速度快，所以在軍品和宇航級(jí)應(yīng)用上有較大優(yōu)勢(shì)。?

2.2 FPGA的設(shè)計(jì)流程?

??? FPGA設(shè)計(jì)流程分為設(shè)計(jì)輸入、功能仿真（前仿真）、布局與布線、時(shí)序仿真（后仿真）、配置下載等步驟，設(shè)計(jì)流程如圖4所示。?

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??? (1)設(shè)計(jì)輸入?

??? 設(shè)計(jì)輸入包括使用硬件描述語(yǔ)言HDL、狀態(tài)圖與原理圖輸入三種方式。HDL設(shè)計(jì)方式是現(xiàn)今設(shè)計(jì)大規(guī)模數(shù)字集成電路的良好形式，HDL語(yǔ)言描述在狀態(tài)機(jī)、控制邏輯、總線功能方面較強(qiáng)，使其描述的電路能在特定綜合器的作用下較好地實(shí)現(xiàn)具體硬件單元；而原理圖輸入在頂層設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通路邏輯、手工最優(yōu)化電路等方面具有圖形化強(qiáng)、單元節(jié)儉、功能明確等特點(diǎn)。常用方式是以HDL語(yǔ)言為主、原理圖為輔進(jìn)行混合設(shè)計(jì)，以發(fā)揮二者各自特色。?

??? (2)功能仿真?

??? 使用設(shè)計(jì)軟件包對(duì)己實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行完整測(cè)試，模擬實(shí)際物理環(huán)境下的工作情況。前仿真是指僅對(duì)邏輯功能進(jìn)行測(cè)試模擬，以了解其實(shí)現(xiàn)的功能是否滿足原設(shè)計(jì)的要求。仿真過(guò)程沒(méi)有加入時(shí)序信息，不涉及具體器件的硬件特性，如延時(shí)特性。?

??? (3)綜合?

??? 針對(duì)給定的電路實(shí)現(xiàn)功能和實(shí)現(xiàn)此電路的約束條件，如速度、功耗、成本及電路類型等，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化處理，獲得一個(gè)能滿足上述要求的電路設(shè)計(jì)方案。綜合的結(jié)果則是一個(gè)硬件電路的實(shí)現(xiàn)方案。該方案必須同時(shí)滿足預(yù)期的功能和約束條件。對(duì)于綜合來(lái)說(shuō)，滿足要求的方案可能有多個(gè)，綜合器將產(chǎn)生一個(gè)最優(yōu)的或接近最優(yōu)的結(jié)果。因此，綜合的過(guò)程也就是設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)化過(guò)程，最后獲得的結(jié)構(gòu)與綜合器的工作性能有關(guān)。?

??? (4)布局與布線?

??? 從映射取出定義的邏輯和輸入輸出塊，并把它們分配到FPGA內(nèi)部的物理位置，通?；谀撤N先進(jìn)的算法完成；布線是指利用自動(dòng)布線軟件使用布線資源選擇路徑試著完成所有的邏輯連接。因?yàn)樽钚碌脑O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具是時(shí)序驅(qū)動(dòng)的，因此可以使用約束條件操作布線軟件，完成設(shè)計(jì)規(guī)定的性能要求。在布局布線過(guò)程中，可同時(shí)提取時(shí)序信息形成報(bào)告。?

??? (5)時(shí)序仿真?

??? 在布局布線后，提取有關(guān)的器件延遲、連線延時(shí)等時(shí)序參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的仿真稱為后仿真，它是接近真實(shí)器件運(yùn)行的仿真。?

??? (6)下載驗(yàn)證?

??? 下載是在功能仿真與時(shí)序仿真正確的前提下，將綜合后形成的位流下載到具體的FPGA芯片中，也叫芯片配置。FPGA設(shè)計(jì)有兩種配置形式：直接由計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)專用下載電纜進(jìn)行配置；由外圍配置芯片進(jìn)行上電時(shí)自動(dòng)配置。FPGA具有掉電信息丟失的性質(zhì)，因此可以先將文件下載到緩存中，然后再將其燒錄到配置芯片中，將文件下載到FPGA器件內(nèi)部后進(jìn)行實(shí)際器件的物理測(cè)試即為電路驗(yàn)證，當(dāng)?shù)玫秸_的驗(yàn)證結(jié)果后就證明了設(shè)計(jì)的正確性。?

2.3 數(shù)字化雙脈沖觸發(fā)電路設(shè)計(jì)?

??? 要求實(shí)現(xiàn)一個(gè)相位隨著參考電壓移動(dòng)的雙脈沖信號(hào)：當(dāng)參考電壓在3.3V和8.7V之間變化時(shí)，雙脈沖信號(hào)的相位隨著參考電壓的變化而變化。?

??? 本文選用Libero IDE v6.2軟件進(jìn)行程序輸入和仿真，設(shè)計(jì)電路。主要設(shè)計(jì)步驟如下：?

??? (1)前仿真?

??? 這一步對(duì)描述的電路進(jìn)行仿真。首先，用WaveFormer Lite為這個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)，然后調(diào)用這個(gè)激勵(lì)文件進(jìn)行仿真。其輸入波形如圖5所示。?

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??? 選擇Simulate>Run>Run All進(jìn)行仿真，選擇Wave窗口的大小及最小單位，選擇最佳的觀察波形，其仿真波形如圖6所示。?

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??? (2)反饋仿真?

??? 由于后仿真軟件不支持延時(shí)系統(tǒng)，即不支持程序中的transport語(yǔ)句，這也是該程序不夠完善的地方。在正常情況下，后仿真基本不可能錯(cuò)誤，對(duì)此，進(jìn)行兩種設(shè)計(jì)方法的嘗試：?

??? 使用10個(gè)clk信號(hào)，利用它們的上升沿進(jìn)行時(shí)間判斷，先用4個(gè)clk信號(hào)判斷時(shí)間合成雙脈沖信號(hào)，然后在另外6個(gè)上升沿到達(dá)時(shí)輸出該信號(hào)，但問(wèn)題是只能以一個(gè)脈沖信號(hào)輸入為準(zhǔn)，不能同時(shí)輸入一個(gè)以上的脈沖信號(hào)，輸入多個(gè)脈沖系統(tǒng)不能進(jìn)行正確的判斷，前仿真都不能正確輸出。?

??? 另外一種方法是構(gòu)造一個(gè)從某一時(shí)間開始的雙脈沖，然后在某一時(shí)刻調(diào)用該脈沖，遇到的難題是輸入不能是時(shí)間信號(hào)，必須進(jìn)行時(shí)間和脈沖信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)，用脈沖信號(hào)的上升沿或用幾個(gè)脈沖信號(hào)的組合來(lái)對(duì)應(yīng)時(shí)間，但對(duì)于這樣一個(gè)連續(xù)的時(shí)間，目前還沒(méi)有找到可以執(zhí)行的方法進(jìn)行二者之間的對(duì)應(yīng)，關(guān)于對(duì)時(shí)間信號(hào)的編碼及在處理過(guò)程中調(diào)用該編碼還沒(méi)有找到有效的處理方法。?

??? 最后布局布線和后仿真驗(yàn)證，事實(shí)上，完成了前仿真也就完成了80%以上的工作。?

2.4 雙脈沖觸發(fā)電路的仿真實(shí)現(xiàn)?

??? 仿真結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示。?

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??? 由圖6、圖7、圖8、圖9可知，程序?qū)崿F(xiàn)了隨著移相電壓的變化雙脈沖發(fā)生相移，滿足從30°～150°之間進(jìn)行相移的要求。?

3 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論?

??? (1)模擬觸發(fā)器中的TCA785管腳波形?

??? 由圖10可知，管腳5輸出為方波，滿足TCA785輸入的要求，也滿足設(shè)計(jì)中將三相電轉(zhuǎn)化為方波給TCA785芯片提供輸入的要求。?

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??? 由圖11可知，管腳10的輸出為鋸齒波，并且和對(duì)應(yīng)輸入的相位對(duì)應(yīng)，滿足TCA785芯片的原理和設(shè)計(jì)要求。?

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??? 由圖12可知，是經(jīng)過(guò)調(diào)制后的雙脈沖輸出，兩個(gè)雙脈沖都滿足脈沖寬36°、雙脈沖重量脈沖相距60°的要求，并且這兩個(gè)相鄰的脈沖相差60°，正好滿足設(shè)計(jì)要求。?

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??? (2)數(shù)字觸發(fā)器中的FPGA管腳波形?

??? 圖13為雙脈沖波形輸出波形。由圖可知，輸出波形雙脈沖相差60°，單脈沖寬度近36°，正好符合設(shè)計(jì)要求。

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??? 從模擬觸發(fā)器和數(shù)字觸發(fā)器的對(duì)比可知，他們都很好地產(chǎn)生了雙脈沖觸發(fā)信號(hào)，都滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。但是FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)字觸發(fā)器，還是代表了觸發(fā)器的發(fā)展方向，可以按實(shí)際要求任意設(shè)計(jì)，只是本文使用了模擬PI調(diào)節(jié)器，僅僅是對(duì)部分電路實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，有待進(jìn)一步改進(jìn)提高。?

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