張浩

摘要：本設(shè)計(jì)是一個(gè)電流信號(hào)檢測(cè)裝置，以電流檢測(cè)電路為主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以STM32F103單片機(jī)為數(shù)據(jù)采集核心，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊工作以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

設(shè)計(jì)分為功率放大電路、電流檢測(cè)電路、控制電路、電流電壓采樣電路。隨機(jī)波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)由LM1875TD構(gòu)成的放大電路處理后，通過(guò)導(dǎo)線和電阻負(fù)載連接起來(lái)，產(chǎn)生一個(gè)環(huán)路形電流，通過(guò)LM358構(gòu)成的電路將正弦波轉(zhuǎn)化成方波、利用STM32F103RCT6的輸入捕獲模式測(cè)量并顯示頻率，利用AD轉(zhuǎn)換模式測(cè)量電流峰峰值。

本設(shè)計(jì)電流信號(hào)檢測(cè)裝置采用非接觸式電流測(cè)量方式和高精度電流檢測(cè)放大器，相比于其他測(cè)量方式能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)損測(cè)量電流、與線電壓隔離、大信號(hào)電壓能夠很好地抵御噪聲，且電路分模塊進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：LM358P;LMl875T;STM32F103RCT6;頻率

中圖文分類號(hào)：TN80 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）14-0265-02

伴隨科技的迅速發(fā)展，電路在日常生活中的運(yùn)用也愈來(lái)愈頻繁，電流信號(hào)作為電路中的主要指標(biāo)之一，對(duì)電流信號(hào)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越高。本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)電流信號(hào)檢測(cè)裝置，檢測(cè)頻率范圍在50Hz-lkHz，導(dǎo)線繞制線圈作為電信號(hào)波形傳感器。采用完全無(wú)接觸式電信號(hào)檢測(cè)裝置，將環(huán)路電流的參數(shù)進(jìn)行顯示，參數(shù)包括其頻率、幅度。

1方案設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)基本方案

本設(shè)計(jì)的整體思路如下：隨機(jī)波信號(hào)產(chǎn)生器生成的信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大電路后，處理成了更大的電流，功率放大電路由LMl875T構(gòu)成。使用導(dǎo)線和電阻負(fù)載連接，產(chǎn)生一個(gè)環(huán)路形電流。捕獲過(guò)程為線圈中的感應(yīng)電流、經(jīng)過(guò)檢測(cè)電流電路中LM1875T模塊，將輸入的正弦波轉(zhuǎn)化為方波，再通過(guò)STM32F103RCT6單片機(jī)檢測(cè)TIMx_CHx引腳上的信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)發(fā)生突變時(shí)（例如從下降沿突變?yōu)樯仙兀?，將此時(shí)定時(shí)器中存儲(chǔ)的值（TIMx_CNT）存儲(chǔ)到與之相對(duì)應(yīng)通道的捕獲和比較寄存器（TIMx_CCRx）中。多次捕獲后求其平均值，從而實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的頻率測(cè)量及顯示。同時(shí)，輸入的正弦波經(jīng)過(guò)分壓電路，經(jīng)由STM32F103RCT6內(nèi)置ADC模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)峰峰值的檢測(cè)與顯示。整體框圖見(jiàn)圖1。

1.2功率放大電路模塊

本設(shè)計(jì)采用LMl875T單電源供電功率放大電路。LMl875單電源時(shí)，R1和R2用于分壓，偏置電壓取為VCC的一半，R3和1引腳連接，使輸出電壓在VCC電壓的一半上下變化，這樣得到的動(dòng)態(tài)范圍是最大的。由1875，C04，R26，R05等組成，電路放大倍數(shù)取決于兩個(gè)電阻負(fù)載之間的比值。C04的作用是用來(lái)抑制LMl875T的第4腳在工作過(guò)程中產(chǎn)生的誤差（引腳直流漂移）。放大器會(huì)產(chǎn)生低頻自激，為了防止這種誤差的產(chǎn)生加入R06、C07。T0-220封裝結(jié)構(gòu)的LMl875T，外形像一只功率管，體積相比來(lái)說(shuō)很小，并且其外圍電路組成很簡(jiǎn)單，輸出功率較大。電路內(nèi)設(shè)置了安全保護(hù)工作。原理圖見(jiàn)圖2所示嘲。

1.3電流檢測(cè)分析電路模塊

1.3.1電流信號(hào)峰峰值檢測(cè)

本設(shè)計(jì)考慮到程序應(yīng)比較簡(jiǎn)單，精度應(yīng)比較高，用STM32F103RCT6內(nèi)置ADC模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，測(cè)試并記錄不同頻率下的電壓值，計(jì)算出電壓與電流的比例關(guān)系，用電壓乘以比列系數(shù)得到電流信號(hào)的峰峰值。電流檢測(cè)電路是用來(lái)檢測(cè)壓機(jī)供電電流的。保護(hù)壓機(jī)不致在電流異常時(shí)，而損壞壓機(jī)。采用集成運(yùn)算放大器進(jìn)行電流檢測(cè)電路。

1.3.2電流信號(hào)頻率檢測(cè)模塊

從操作方便，原理簡(jiǎn)單方面考慮，采用通過(guò)LM358構(gòu)成的電路將正弦波轉(zhuǎn)化成方波，利用STM32F103RCT6捕獲方波信號(hào)的上升沿并定時(shí)，測(cè)量多組數(shù)據(jù)求其平均值，并顯示。

電路如下圖3所示。

2理論分析與計(jì)算

2.1電流測(cè)量電路分析與計(jì)算

LM358P是雙運(yùn)放電路，可以放大電壓或電流或經(jīng)行轉(zhuǎn)換、細(xì)密整流等。交流電源使整流二極管在導(dǎo)通和停止之間來(lái)回切換。在這種周期性的電流變化作用下，負(fù)載將會(huì)獲得脈沖直流電。在電源的作用下，二極管導(dǎo)通時(shí)負(fù)載上的電流波形與電壓波形形狀一致;二極管處于反向停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，負(fù)載電壓幾近為零。計(jì)算LM358的放大倍數(shù)的方法與其他通用運(yùn)放一樣，主要由反饋電阻來(lái)決定的，反相比例運(yùn)算電路：Av=-uo/ui=-Rf/R。

2.2諧波分量測(cè)量電路分析與計(jì)算

根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)展開原理，每個(gè)具有一定周期的函數(shù)都能用正弦和余弦函數(shù)來(lái)表示。函數(shù)能夠展開成為相同周期的兩項(xiàng)之和。

一個(gè)具有周期的函數(shù)f（t）在連續(xù)點(diǎn)處可以用以下正余弦函數(shù)組合表示，但前提是必須滿足狄里赫利條件，如下所示：

基波的幅值為c1，n次諧波的幅值表示為cn，一次諧波幅值也能表示為c1。aO/2也能被表示為0次諧波幅值。

諧波的頻率必然也等于基波的頻率的整數(shù)倍，三次諧波即為基波的三倍，五次諧波即為五倍，以此類推。無(wú)論是幾次諧波，全是正弦波。

3程序設(shè)計(jì)

3.1程序設(shè)計(jì)流程圖

在編寫此程序過(guò)程中，合理的運(yùn)用了中斷和定時(shí)器程序，程序在運(yùn)行中防止出現(xiàn)在中斷時(shí)進(jìn)行其他任務(wù)，保證程序穩(wěn)定運(yùn)行。LM358P初始化后啟動(dòng)ADC模塊，ADC模塊轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過(guò)擴(kuò)大和運(yùn)算后通過(guò)液晶顯示器顯示出來(lái)，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

4結(jié)束語(yǔ)

電流信號(hào)檢測(cè)裝置廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，大規(guī)模集成電路領(lǐng)域以及其他領(lǐng)域的參數(shù)識(shí)別、設(shè)備檢測(cè)等方面。本設(shè)計(jì)的電流信號(hào)檢測(cè)裝置滿足設(shè)計(jì)要求，具有較好的檢測(cè)效果。