吳鵬浩 單一名 趙宏宇 戈忠義 竇浩鵬 吳寶春

摘 要：隨著電子行業(yè)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品與人們的日常生活密不可分。與此同時(shí)，對(duì)電子測(cè)量技術(shù)的精確度、便捷性的要求也逐步提高。文中以STM32單片機(jī)為核心控制器，采用功率放大、非接觸式電流獲取、電流信號(hào)幅值檢測(cè)分析、電流信號(hào)頻率檢測(cè)分析以及液晶顯示電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行功率放大與電流信號(hào)的頻率、幅值檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);功率放大;非接觸式電流;幅值檢測(cè);頻率檢測(cè);液晶顯示

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）04-00-02

0 引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電流信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的精確度、便捷性要求也越來越高。本文通過應(yīng)用STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)電流信號(hào)檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的非接觸式測(cè)量，并采用TFT液晶屏顯示所測(cè)頻率與幅值。該檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于電流信號(hào)的放大與測(cè)量具有重要的研究意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)主要包含硬件電路與軟件程序調(diào)試兩部分。硬件電路由5個(gè)功能模塊組成，分別是功率放大模塊、非接觸式電流獲取模塊、電流信號(hào)幅值檢測(cè)分析模塊、電流信號(hào)頻率檢測(cè)分析模塊以及液晶顯示模塊。軟件程序調(diào)試主要包括ADC采集數(shù)據(jù)處理與PWM波輸入捕獲。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 功率放大電路設(shè)計(jì)

功率放大電路采用TDA2050芯片作為驅(qū)動(dòng)，將輸入的交流電流放大到所需的1 A以上。TDA2050供電電壓范圍為 ±4.5～±25 V。輸入電壓為0～±15 V。同相放大交流信號(hào)，供電電壓采用100 nF與200 μF的電容濾波，降低脈動(dòng)波紋系數(shù)，平滑直流輸出，使電路工作性能更加穩(wěn)定。此電路的電壓放大倍數(shù)公式為Av=1+R3/R2，功率放大電路如圖2所示。

2.2 非接觸式電流獲取電路

由公式I1/I2=n2/n1得輸入端線圈n1匝數(shù)為1匝，輸出端線圈n2匝數(shù)為50匝，通過10 Ω電阻的電流經(jīng)過匝數(shù)比為1∶50的感應(yīng)線圈獲取后，經(jīng)過一個(gè)51 Ω的負(fù)載，將穩(wěn)定的交流電流值變?yōu)榉€(wěn)定的交流電壓值，再經(jīng)過一個(gè)差分放大電路變到2.5 V左右，交由隨后電路處理并檢測(cè)交流信號(hào)的幅值與頻率。差分放大電路是同相輸入與反相輸入相結(jié)合的放大電路，利用電路參數(shù)的對(duì)稱性與負(fù)反饋?zhàn)饔茫行У胤€(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，以放大差模信號(hào)抑制共模信號(hào)最為顯著，廣泛應(yīng)用于測(cè)量電路與直接耦合電路的輸入。此電路中利用差分放大電路與可變反饋電阻，可將10 mA～1 A的電流經(jīng)過負(fù)載產(chǎn)生的電壓放大到適合單片機(jī)處理的電壓，經(jīng)后續(xù)電路處理后交由單片機(jī)處理。非接觸式電流獲取電路如圖3所示。

2.3 電流信號(hào)幅值檢測(cè)分析電路

此部分需要檢測(cè)出正弦交流信號(hào)的峰峰值。由于正弦信號(hào)有正有負(fù)，但是單片機(jī)只能采集非負(fù)數(shù)據(jù)，故需經(jīng)過硬件電路處理，利用電阻R6，R7分壓使電壓升高，將信號(hào)不失真地全部平移到正半軸上，然后經(jīng)由一個(gè)電壓跟隨器使輸出的電壓信號(hào)更加穩(wěn)定。該部分電路如圖4所示。

2.4 電流信號(hào)頻率檢測(cè)分析電路

放大后的電壓信號(hào)需經(jīng)過硬件電路處理為PWM波后，才能被單片機(jī)采用PWM波捕獲方式檢測(cè)出電流信號(hào)的峰峰值。輸入信號(hào)經(jīng)由一個(gè)過零比較器將周期正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)橥芷诘姆讲?，?jīng)一個(gè)103電容濾波提高電路穩(wěn)定性，再經(jīng)過SS14肖特基二極管整流，利用其單向?qū)ǖ奶攸c(diǎn)，將所有小于零的電壓信號(hào)變?yōu)榱悖藭r(shí)就把正弦交流信號(hào)變成了PWM波。由于單片機(jī)最高只能檢測(cè)3.3 V電壓，為了保護(hù)單片機(jī)，用一個(gè)SS14肖特基二極管把電壓最大值穩(wěn)定在3.3 V，單片機(jī)經(jīng)過程序捕獲PWM波計(jì)算出正弦交流信號(hào)的頻率。電流信號(hào)頻率檢測(cè)分析電路如圖5所示。

3 軟件程序調(diào)試

3.1 ADC采集數(shù)據(jù)處理

首先將與ADC相關(guān)的寄存器進(jìn)行初始化，開始數(shù)據(jù)采集;然后將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)字量發(fā)送到液晶顯示屏顯示。ADC處理程序框圖如圖6所示。

3.2 PWM輸入捕獲

首先將與PWM相關(guān)的寄存器進(jìn)行初始化，采集數(shù)據(jù);然后開啟定時(shí)器輸入捕獲，將捕獲到的周期發(fā)送到顯示屏顯示。PWM捕獲程序框圖如圖7所示。

4 結(jié)果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度，對(duì)經(jīng)過硬件電路處理后的電流進(jìn)行頻率與幅值檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見表1所列。

對(duì)任意波信號(hào)發(fā)生器輸入頻率為100～1 000 Hz的交流正弦信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)無失真功率放大，感應(yīng)線圈可無失真地采集到電流信號(hào)且可在單片機(jī)的液晶顯示屏上顯示出電流信號(hào)的頻率與幅值。被測(cè)正弦電流峰峰值范圍為10 mA～1 A，電流測(cè)量精度優(yōu)于6%，頻率測(cè)量精度優(yōu)于1%。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)任意波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行功率放大與非接觸式電流信號(hào)檢測(cè)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)測(cè)量精度較高，制作成本低，且使用方便，適合用于對(duì)電流信號(hào)采集與檢測(cè)方面的研究。

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