賀濤 四川郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1 設(shè)計(jì)方案總體描述

本電流信號(hào)檢測(cè)裝置主要包含3部分，功率放大電路，電流檢測(cè)分析電路和顯示電路。由LM317K和LM337H核心元件組成的雙電源供電，分別給放大電路，電流檢測(cè)電路提供電源。任意波發(fā)生器輸入一個(gè)任意波形，該信號(hào)通過放大器LF353放大，經(jīng)過電流信號(hào)檢測(cè)裝置，讓單片機(jī)觸發(fā)AD開始轉(zhuǎn)換，等待AD轉(zhuǎn)換完畢，AD轉(zhuǎn)換完畢后讀取數(shù)據(jù)。最終通過液晶顯示屏顯示電流信號(hào)的幅度和頻率相關(guān)參數(shù)。

2 核心電路系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1 放大電路的設(shè)計(jì)分析與計(jì)算

放大電路中采用一個(gè)10K電阻的漂移來抵消放大器的零點(diǎn)漂移，合理設(shè)置電路參數(shù)，把漂移抑制在較低的限度之內(nèi)，讓它的終點(diǎn)電位為零。放大電路采用LF353放大器做三級(jí)放大，第一級(jí)放大倍數(shù)為R7/R6+1=33K/10K+1=4.3倍，第二級(jí)放大倍數(shù)為R10/R9+1=3.6K/1K+1=4.6倍，第三級(jí)用一個(gè)電位器調(diào)整放大倍數(shù)到10倍左右。

經(jīng)過三級(jí)放大后的信號(hào)通過兩個(gè)達(dá)林頓三極管進(jìn)行擴(kuò)流，為了使輸出電壓穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)采用電容濾波。當(dāng)整流電壓比電容電壓高時(shí)，電容將被充電，當(dāng)整流電壓逼電容電壓低時(shí)，電容對(duì)電路放電。濾波電容在充放電過程中，可使輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定。

2.2 電流信號(hào)檢測(cè)理論分析

諧波測(cè)量：目前最常用的諧波分析方法是使用傅里葉變換，將時(shí)域的離散信號(hào)進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開，得到離散的頻譜，從離散的頻譜中挑選出各次諧波對(duì)應(yīng)的譜線，計(jì)算得出諧波各項(xiàng)參數(shù)。傅里葉變換（FFT）的功能是將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行計(jì)算，它是離散傅立葉變換的快速算法。

電流測(cè)量：用漆包線繞制線圈制作電流傳感器以獲取電流信號(hào)，其中線圈匝數(shù)比約為1/350。當(dāng)電流通過線圈產(chǎn)生一個(gè)模擬電流信號(hào)，經(jīng)過STM32單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字電流信號(hào)，此時(shí)數(shù)字信號(hào)就可以進(jìn)行FFT變換。當(dāng)選取1024個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)，經(jīng)過FFT之后，就可以得到1024個(gè)點(diǎn)的FFT結(jié)果。為了方便進(jìn)行FFT運(yùn)算，通常采樣點(diǎn)取2的整數(shù)次方。

當(dāng)信號(hào)采樣數(shù)N時(shí)，經(jīng)過快速傅里葉變換（FFT）后將得到N個(gè)點(diǎn)的復(fù)數(shù)，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率。此時(shí)每個(gè)點(diǎn)的模值代表該頻率值的幅頻特性。某一點(diǎn)表示的頻率用公式表示為：Fn=（n-1）*Fs/N。其中Fs為采樣頻率，F(xiàn)n為信號(hào)頻率，N為采樣數(shù)。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 電路的設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)總體框圖

圖1 系統(tǒng)總體框圖

（2）放大電路原理圖

圖2 放大電路原理圖

（2）電流信號(hào)檢測(cè)電路原理圖

圖3 電流信號(hào)檢測(cè)電路原理圖

3.2 程序的設(shè)計(jì)

（1）程序設(shè)計(jì)思路

本程序的設(shè)計(jì)目標(biāo)是完成電流信號(hào)的測(cè)量，如：頻率，幅度，測(cè)量精度，顯示格式，電流信號(hào)波形并且顯示波形，電流大小等。測(cè)電流時(shí)在電路中串聯(lián)一個(gè)10Ω電阻負(fù)載轉(zhuǎn)換成電壓，再利用AD快速取樣，輸入單片機(jī)，測(cè)得電壓的值。個(gè)根據(jù)電流的一個(gè)周期所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來進(jìn)行具體的程序設(shè)計(jì)。通過計(jì)算可以得到一個(gè)根據(jù)單片機(jī)定時(shí)捕獲所產(chǎn)生函數(shù)，最后根據(jù)具體的誤差進(jìn)行精確調(diào)試。

（2）程序流程圖

圖4 程序流程圖

4 設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)果

(1)輸入正弦信號(hào)頻率范圍為50Hz～1KHz.

表1 環(huán)路電流信號(hào)頻率檢測(cè)

(2)被測(cè)正弦電流峰峰值范圍10mA～1A.

表2 環(huán)路電流峰峰值檢測(cè)

(3) 任意波信號(hào)發(fā)生器輸出非正弦波

表3 任意波基波和諧波測(cè)量

5 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，由此可以得出一下結(jié)論：

（1）當(dāng)輸入正弦信號(hào)頻率范圍為 50Hz～1kHz 時(shí), 流過 10Ω負(fù)載電阻的電流峰峰值可以達(dá)到 1A以上，電流信號(hào)無失真。

（2）被測(cè)正弦電流峰峰值范圍為 10mA～1A時(shí)，電流測(cè)量精度優(yōu)于 5%，頻率測(cè)量精度優(yōu)于 1%。

（3）任意波信號(hào)發(fā)生器輸出非正弦信號(hào)時(shí)，基波頻率范圍為50Hz～200Hz，測(cè)量電流信號(hào)基波頻率，頻率測(cè)量精度優(yōu)于 1%；測(cè)量基本及各次諧波分量的幅度（振幅值），電流諧波測(cè)量頻率不超過1kHz，測(cè)量精度優(yōu)于 5%。