電流檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)報(bào)告

1、電流信號(hào)檢測(cè)裝置（A題）論文編號(hào)：學(xué) 校 ：參賽隊(duì)員：電流信號(hào)檢測(cè)裝置摘要本作品設(shè)計(jì)一個(gè)電流信號(hào)檢測(cè)裝置，由功率放大模塊、小信號(hào)檢測(cè)模塊、分 析處理模塊和顯示模塊等組成。功率放大模塊采用LM1875設(shè)計(jì)電路，可使10Q電阻環(huán)路電流峰峰值達(dá)0.01A-1.80A o小信號(hào)檢測(cè)模塊采用羅氏互感線圈實(shí)現(xiàn)非 接觸式傳感的電流信號(hào)檢測(cè)，線圈輸出電壓較小，需經(jīng) TI公司的可變?cè)鲆娣糯?器VCA82做大后輸入分析處理模塊。分析處理模塊使用STM32F40為主控，電流信號(hào)經(jīng)其AD采樣后進(jìn)行FFT計(jì)算處理，得到環(huán)路電流信號(hào)的基波頻率幅值以 及各次諧波的幅值，由電壓、電流對(duì)應(yīng)關(guān)系映射為電流的各參數(shù)，并用 ILI9

2、806 模塊顯示。擴(kuò)展部分我們顯示了信號(hào)的頻譜。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)中放大波形失真度小， 測(cè)量精度高，計(jì)算速度快，可測(cè)試不同的電流范圍，適應(yīng)性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：功率放大、羅氏互感線圈、可變?cè)鲆娣糯?、FFT算法一、方案比較與選擇（一）功率放大電路方案方案1:采用LM475烈:計(jì)功放。該芯片正負(fù)電源供電能輸出高于 5V電壓, 輸出功率恰好能達(dá)到要求。芯片管腳較多，外圍電路較為復(fù)雜。方案2:采用AFE031設(shè)計(jì)功放。該芯片性能最佳，但是價(jià)格昂貴，貼片管 腳多而小，外圍電路很復(fù)雜。方案3:采用LM1875設(shè)計(jì)功放。該芯片性能優(yōu)良，帶寬大信號(hào)失真度小， 能達(dá)到設(shè)計(jì)要求且外圍電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便且操作簡(jiǎn)單，具有極高的性?xún)r(jià)

3、比。止匕外，選擇放大器應(yīng)避免選用d類(lèi)放大器，因?yàn)閐類(lèi)功放內(nèi)部采用了 pwm 開(kāi)關(guān)調(diào)制的方式，能量損耗小，但是對(duì)濾波電路要求高，輸出量高次諧波較多， 且輸入波形幅值較小時(shí)失真較大。而 LM1875為AB類(lèi)功放，滿(mǎn)足要求。綜合考慮選擇方案三。（二）線圈信號(hào)采集方案方案1:羅氏互感線圈后接兩級(jí)電壓放大電路，輸入 AD采樣分析。單片機(jī) 端AD采樣電壓只能為正值，故正弦和方波等交流信號(hào)只能采集一半，另一半自 行補(bǔ)充。此方案軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜，且非對(duì)稱(chēng)信號(hào)無(wú)法采集。方案2:羅氏互感線圈后接一級(jí)電壓放大電路，一級(jí)加法器電路，將電壓都 抬高到0V以上，在采集端檢測(cè)并減去直流信號(hào)，防止零頻分量過(guò)大。綜合考慮選擇方案二

4、，且為使小信號(hào)放大到合適范圍采用可編程變量增益放 大器，使電壓放大到0-3V。（三）FFT算法方案方案1 :采用基2的DIF-FFT,提前計(jì)算好FFT系數(shù)并存儲(chǔ)在內(nèi)存中，進(jìn)行蝶 形運(yùn)算時(shí)查表讀取FFT系數(shù)，此算法計(jì)算速度較快，但是內(nèi)存占用量大，不利于 提高FFT點(diǎn)數(shù)以減小頻率分辨率。方案2:采用基2的DIT-FFT, FFT系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算，計(jì)算速度和方案一相當(dāng)， 節(jié)約二分之一的內(nèi)存，由于 STM32F40現(xiàn)有較高的主頻，但內(nèi)存空間相對(duì)較少， 通過(guò)此算法可以犧牲少量時(shí)間復(fù)雜度來(lái)?yè)Q取較低的空間復(fù)雜度。綜合考慮選擇方案二。二、理論分析與設(shè)計(jì)（一）電流測(cè)量方法羅氏線圈又叫電流測(cè)量線圈、微分電流傳感器，是

5、一個(gè)均勻纏繞在非鐵磁性 材料上的環(huán)形線圈。輸出信號(hào)是電流對(duì)時(shí)間的微分。本方案中采取軟件實(shí)現(xiàn)積分， 從而得到原來(lái)的信號(hào)。根據(jù)歐姆定律 U=IR可根據(jù)示波器測(cè)量所的電壓求得負(fù)載 環(huán)路上的電流。根據(jù)電磁感應(yīng)定理,高精度羅氏線圈在被測(cè)額定一次電流i（t） = I Msingt+0） 作用下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e（t）為：e（t） 二 一 0Nh ln 生 I cos（ t 二）2二r1式中 為真空磁導(dǎo)率；N為羅氏線圈匝數(shù)；h為骨架高度；為羅氏線圈骨架內(nèi)徑；為羅氏線圈骨架外徑。（二）諧波分量計(jì)算方法本方案采用快速離散傅里葉變換FFT對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行分析并計(jì)算諧波頻率分 量頻率和幅度。首先采用ADC寸信號(hào)進(jìn)行采集

6、，采樣頻率設(shè)置為4kHz,并對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理 計(jì)算信號(hào)平均值并去除直流分量；之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行 4096點(diǎn)FFT運(yùn)算得到信號(hào)的 頻譜，得到的頻率分辨率約為1Hz滿(mǎn)足題目要求，之后通過(guò)搜索算法檢測(cè)信號(hào)頻 譜的峰值得到信號(hào)所包含的頻率分量，之后通過(guò)公式計(jì)算各個(gè)頻率分量的幅值。由理論分析可知，若初級(jí)線圈電流為：L = I sin（ t 二）則次級(jí)線圈的輸出電流為：dIiI o = M =M I cos（ t 二） dt其中M為兩線圈間的互感經(jīng)過(guò)增益為G的放大器后最終進(jìn)入 ADC勺信號(hào)為:U o =GM I cos（ t ,二）=U cos（ t ,1）根據(jù)FFT可計(jì)算Uo的幅度U,進(jìn)而得到：I =U-G

7、M三、電路與程序設(shè)計(jì)（一）系統(tǒng)總體框圖羅氏戰(zhàn)齷STM32F407r關(guān)系映射顯示A D來(lái)樣領(lǐng)諧分析壓大踏電放電圖1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖此次作品設(shè)計(jì)了電流信號(hào)檢測(cè)裝置，利用LM1875E片及其外圍電路構(gòu)成功率放大電路，對(duì)輸入的任意信號(hào)進(jìn)行功率放大，當(dāng)輸入正弦信號(hào)頻率范圍為 50Hz-1kHz時(shí)，流過(guò)10Q負(fù)載電阻的電流峰峰值大于1A,且電流信號(hào)無(wú)失真。根據(jù)互感原理，用漆包線繞制羅氏線圈制作電流傳感器以獲取電流信號(hào)；對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后AD轉(zhuǎn)換并采樣，利FFT算法進(jìn)行分析，測(cè)量并顯示電流信號(hào)的 峰峰值及頻率。（二）各部分電路1.功率放大電路如圖2所示是LM1875*型應(yīng)用電品采用土 12V供電.為達(dá)到所要求

8、的功率且電壓放大倍數(shù)始終為1,先將輸入信號(hào)分壓再放大圖2 LM1875功率放大電路原理圖和pcb2.小信號(hào)放大電路如圖3所示兩級(jí)放大器級(jí)聯(lián)，前半部分是反向比例放大器，后半部分是加法 器兼放大器，為電路加合適偏置電壓使整體電壓在0.5-3V。為防止小信號(hào)過(guò)?。ㄈ┏绦蛟O(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)部分采用STM32F40為主控，用自身內(nèi)置12位AD采樣，采樣電壓 范圍為0-3.3V ,采樣頻率為4KHz,采樣點(diǎn)數(shù)為4096。硬件電路放大倍數(shù)由單片 機(jī)控制可變?cè)鲆娣糯笃?VCA821®行切換，分為10mA-100mA0.1A-0.5A、0.5A-1A 三個(gè)檔級(jí)，使電壓信號(hào)范圍在 0.5-3V之間。采樣后信

9、號(hào)檢測(cè)并消除直流分量，經(jīng)FFT變換后觀測(cè)后分析各參數(shù)并映射為 電流參數(shù)。為防止實(shí)際中的放大器非線性放大對(duì)信號(hào)精度的影響，我們擬合了一個(gè)三維曲面分析電壓頻率、幅值和電流幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后用彩屏顯示電流信 號(hào)參數(shù)以及頻譜。圖4程序設(shè)計(jì)框圖四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果（一）測(cè)試儀器Tektronix雙蹤示波器、Tektronix波形發(fā)生器、ss2323可跟蹤直流穩(wěn)定電 源、KEITHLEY?式萬(wàn)用表（二）測(cè)試方法與結(jié)果1 .要求（1）測(cè)試測(cè)試方法：用信號(hào)源產(chǎn)生50Hz-1kHz的正弦波，用示波器觀測(cè)10Q負(fù)載兩 端的交流電壓，根據(jù)歐姆定律計(jì)算流過(guò)負(fù)載的電流。測(cè)量結(jié)果如表1所示。表1要求（1）電流測(cè)試結(jié)果

10、所（Hz）501002004008001000輸入電壓峰峰值（V）輸出電壓峰峰值（V）電流峰峰值（A）2 .要求（2）、（ 3）測(cè)試測(cè)試方法：用信號(hào)源的產(chǎn)生電壓峰峰值為 0.1-10V的正弦信號(hào)，則被測(cè)電流 在10mA-1A范圍內(nèi)變化，經(jīng)單片機(jī)處理后計(jì)算電流頻率、 幅值，通過(guò)顯示屏顯示 結(jié)果并和理論結(jié)果比較，計(jì)算精度。測(cè)量結(jié)果如表2所示。表2要求（2）、（3）測(cè)試結(jié)果輸入電壓 頻率（Hz）測(cè)量電流頻 率（Hz）電流頻率誤 差（%輸入電壓峰峰值（V）測(cè)量電流峰峰值（V）電流峰峰值 誤差（%5010015020050080010003 .要求（4）測(cè)試測(cè)試方法：用任意波信號(hào)發(fā)生器輸出非正弦信號(hào)，控

11、制基波頻率范圍為 50Hz-200Hz,測(cè)量電流信號(hào)基波頻率及各次諧波分量的幅度，用示波器做FFT分析并與之比較，計(jì)算精度。測(cè)量波形有方波、三角波、脈沖波等，由于篇幅原 因，數(shù)據(jù)放在附件2里，現(xiàn)只記錄方波測(cè)量最終結(jié)果。測(cè)量結(jié)果如表3、4所示。表3要求（4）方波頻率精度測(cè)試結(jié)果（Vpp=1V）基波二次諧波三次諧波四次諧波五次諧波六次諧波50Hz100Hz150Hz200Hz表4要求（4）方波幅度精度測(cè)試結(jié)果幅度誤差基波二次諧波三次諧波四次諧波五次諧波六次諧波50Hz100Hz150Hz200Hz（三）測(cè)試結(jié)果分析根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，分析得知頻率越小線圈感應(yīng)電流越小， 需要的放大倍數(shù) 越大，諧波分量更不好捕捉。止匕外，方波、脈沖波等經(jīng)線圈耦合后失真度比正弦 信號(hào)大得多，比較影響測(cè)量精度。經(jīng)本系統(tǒng)測(cè)量分析后信號(hào)頻率和幅值均達(dá)到要 求的精度，各項(xiàng)結(jié)果符合系統(tǒng)指標(biāo)。五、總結(jié)本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)經(jīng)典電路進(jìn)行了一些完善。為測(cè)量線圈內(nèi)小電 流，通