电流检测装置设计报告
- 格式：docx
- 大小：214.25 KB
- 文档页数：8
电流信号检测装置 （A题）
论文编号 ： 学 校 ： 参赛队员 ： ： ： 电流信号检测装置 摘要
本作品设计一个电流信号检测装置，由功率放大模块、小信号检测模块、分析处理模块和显示模块等组成。功率放大模块采用LM1875设计电路，可使10Ω电阻环路电流峰峰值达0.01A-1.80A。小信号检测模块采用罗氏互感线圈实现非接触式传感的电流信号检测，线圈输出电压较小，需经TI公司的可变增益放大器VCA821放大后输入分析处理模块。分析处理模块使用STM32F407为主控，电流信号经其AD采样后进行FFT计算处理，得到环路电流信号的基波频率幅值以及各次谐波的幅值，由电压、电流对应关系映射为电流的各参数，并用ILI9806模块显示。扩展部分我们显示了信号的频谱。经测试，系统中放大波形失真度小，测量精度高，计算速度快，可测试不同的电流范围，适应性强。
关键词：功率放大、罗氏互感线圈、可变增益放大、FFT算法 一、方案比较与选择 （一）功率放大电路方案 方案1：采用LM4752设计功放。该芯片正负电源供电能输出高于5V电压，输出功率恰好能达到要求。芯片管脚较多，外围电路较为复杂。 方案2：采用AFE031设计功放。该芯片性能最佳，但是价格昂贵，贴片管脚多而小，外围电路很复杂。 方案3：采用LM1875设计功放。该芯片性能优良，带宽大信号失真度小，能达到设计要求且外围电路简单，应用方便且操作简单，具有极高的性价比。 此外，选择放大器应避免选用d类放大器，因为d类功放内部采用了pwm开关调制的方式，能量损耗小，但是对滤波电路要求高，输出量高次谐波较多，且输入波形幅值较小时失真较大。而LM1875为AB类功放，满足要求。 综合考虑选择方案三。
（二）线圈信号采集方案 方案1：罗氏互感线圈后接两级电压放大电路，输入AD采样分析。单片机端AD采样电压只能为正值，故正弦和方波等交流信号只能采集一半，另一半自行补充。此方案软件设计复杂，且非对称信号无法采集。 方案2：罗氏互感线圈后接一级电压放大电路，一级加法器电路，将电压都抬高到0V以上，在采集端检测并减去直流信号，防止零频分量过大。 综合考虑选择方案二，且为使小信号放大到合适范围采用可编程变量增益放大器，使电压放大到0-3V。
（三）FFT算法方案 方案1：采用基2的DIF-FFT,提前计算好FFT系数并存储在内存中，进行蝶形运算时查表读取FFT系数，此算法计算速度较快，但是内存占用量大，不利于提高FFT点数以减小频率分辨率。 方案2：采用基2的DIT-FFT，FFT系数现场计算，计算速度和方案一相当，节约二分之一的内存，由于STM32F407具有较高的主频，但内存空间相对较少，通过此算法可以牺牲少量时间复杂度来换取较低的空间复杂度。 综合考虑选择方案二。
二、理论分析与设计 （一）电流测量方法 罗氏线圈又叫电流测量线圈、微分电流传感器，是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。输出信号是电流对时间的微分。本方案中采取软件实现积分，从而得到原来的信号。根据欧姆定律U=IR可根据示波器测量所的电压求得负载环路上的电流。 根据电磁感应定理,高精度罗氏线圈在被测额定一次电流()sin()itIt
作用下产生感应电动势e(t)为:
式中𝜇0为真空磁导率；N为罗氏线圈匝数；h为骨架高度；𝑟1为罗氏线圈骨架内径；𝑟2为罗氏线圈骨架外径。
（二）谐波分量计算方法 本方案采用快速离散傅里叶变换FFT对信号频谱进行分析并计算谐波频率分量频率和幅度。 首先采用ADC对信号进行采集，采样频率设置为4kHz，并对信号进行预处理计算信号平均值并去除直流分量；之后对信号进行4096点FFT运算得到信号的频谱，得到的频率分辨率约为1Hz满足题目要求，之后通过搜索算法检测信号频谱的峰值得到信号所包含的频率分量，之后通过公式计算各个频率分量的幅值。 由理论分析可知，若初级线圈电流为:
sin()iIIt 则次级线圈的输出电流为: )cos(tIMdtdIMIio
其中M为两线圈间的互感经过增益为G的放大器后最终进入ADC的信号为:
)cos()cos(tUtIGMUo
根据FFT可计算Uo的幅度U，进而得到:GM
UI
三、电路与程序设计 （一）系统总体框图
图1 系统总体设计框图 此次作品设计了电流信号检测装置，利用LM1875芯片及其外围电路构成功率放大电路，对输入的任意信号进行功率放大，当输入正弦信号频率范围为50Hz-1kHz时, 流过10Ω负载电阻的电流峰峰值大于1A，且电流信号无失真。
02
1()lncos()2NhretItr根据互感原理，用漆包线绕制罗氏线圈制作电流传感器以获取电流信号；对信号进行放大后AD转换并采样，利FFT算法进行分析，测量并显示电流信号的峰峰值及频率。 （二）各部分电路 1.功率放大电路 如图2所示是LM1875典型应用电路，采用±12V供电.为达到所要求的功率且电压放大倍数始终为1，先将输入信号分压再放大。
图2 LM1875功率放大电路原理图和pcb 2.小信号放大电路 如图3所示两级放大器级联，前半部分是反向比例放大器，后半部分是加法器兼放大器，为电路加合适偏置电压使整体电压在0.5-3V。为防止小信号过小采用可变增益放大器，设置两个放大等级。
图3 可变增益两级放大电路原理图 （三）程序设计 程序设计部分采用STM32F407为主控，用自身内置12位AD采样，采样电压范围为0-3.3V，采样频率为4KHz,采样点数为4096。硬件电路放大倍数由单片机控制可变增益放大器VCA821进行切换，分为10mA-100mA、0.1A-0.5A、0.5A-1A三个档级，使电压信号范围在0.5-3V之间。 采样后信号检测并消除直流分量，经FFT变换后观测后分析各参数并映射为电流参数。为防止实际中的放大器非线性放大对信号精度的影响，我们拟合了一个三维曲面分析电压频率、幅值和电流幅值的对应关系。最后用彩屏显示电流信号参数以及频谱。
图4 程序设计框图 四、测试方案与测试结果 （一）测试仪器 Tektronix双踪示波器、Tektronix波形发生器、ss2323可跟踪直流稳定电源、KEITHLEY台式万用表 （二）测试方法与结果 1.要求（1）测试 测试方法：用信号源产生50Hz-1kHz的正弦波，用示波器观测10Ω负载两端的交流电压，根据欧姆定律计算流过负载的电流。 测量结果如表1所示。
表1 要求（1）电流测试结果 频率（Hz） 50 100 200 400 800 1000 输入电压峰峰值（V） 输出电压峰峰值（V） 电流峰峰值（A）
2.要求（2）、（3）测试 测试方法：用信号源的产生电压峰峰值为0.1-10V的正弦信号，则被测电流在10mA-1A范围内变化，经单片机处理后计算电流频率、幅值，通过显示屏显示结果并和理论结果比较，计算精度。 测量结果如表2所示。
表 2 要求（2）、（3）测试结果 输入电压频率（Hz） 测量电流频率（Hz） 电流频率误差（%） 输入电压峰峰值（V） 测量电流峰峰值(V) 电流峰峰值误差（%） 50 100 150 200 500 800 1000
3.要求（4）测试 测试方法：用任意波信号发生器输出非正弦信号，控制基波频率范围为50Hz-200Hz，测量电流信号基波频率及各次谐波分量的幅度，用示波器做FFT分析并与之比较，计算精度。测量波形有方波、三角波、脉冲波等，由于篇幅原因，数据放在附件2里，现只记录方波测量最终结果。 测量结果如表3、4所示。 表3 要求（4）方波频率精度测试结果（Vpp=1V） 频率误差 基波 二次谐波 三次谐波 四次谐波 五次谐波 六次谐波 50Hz 100Hz 150Hz 200Hz
表4 要求（4）方波幅度精度测试结果 幅度误差 基波 二次谐波 三次谐波 四次谐波 五次谐波 六次谐波 50Hz 100Hz 150Hz 200Hz
（三）测试结果分析 根据以上测试结果，分析得知频率越小线圈感应电流越小，需要的放大倍数越大，谐波分量更不好捕捉。此外，方波、脉冲波等经线圈耦合后失真度比正弦信号大得多，比较影响测量精度。经本系统测量分析后信号频率和幅值均达到要求的精度，各项结果符合系统指标。
五、总结 本系统电路设计结构简单，对经典电路进行了一些完善。为测量线圈内小电流，通过可变增益放大器将量程放大到AD采样的合适范围。计算时充分了考虑了非线性放大幅值对应关系，采用曲线拟合使结果更加准确，测量精度高，适用性强。
参考文献： [1]袁亮,张旭乐,张贺,赵盼盼,张凯.基于多量程控制罗氏线圈标准电流互感器研究[J].国外电子测量技术,2016,35(11):88-93. [2]孙肖子，张企民.模拟电子电路及技术基础.西安电子科技大学出版社.2008
