基于單片機的電流信號檢測裝置設計

賀濤 四川郵電職業技術學院

1 設計方案總體描述

本電流信號檢測裝置主要包含3部分，功率放大電路，電流檢測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，電流檢測電路提供電源。任意波發生器輸入一個任意波形，該信號通過放大器LF353放大，經過電流信號檢測裝置，讓單片機觸發AD開始轉換，等待AD轉換完畢，AD轉換完畢后讀取數據。最終通過液晶顯示屏顯示電流信號的幅度和頻率相關參數。

2 核心電路系統理論分析與計算

2.1 放大電路的設計分析與計算

放大電路中采用一個10K電阻的漂移來抵消放大器的零點漂移，合理設置電路參數，把漂移抑制在較低的限度之內，讓它的終點電位為零。放大電路采用LF353放大器做三級放大，第一級放大倍數為R7/R6+1=33K/10K+1=4.3倍，第二級放大倍數為R10/R9+1=3.6K/1K+1=4.6倍，第三級用一個電位器調整放大倍數到10倍左右。

經過三級放大后的信號通過兩個達林頓三極管進行擴流，為了使輸出電壓穩定，本設計采用電容濾波。當整流電壓比電容電壓高時，電容將被充電，當整流電壓逼電容電壓低時，電容對電路放電。濾波電容在充放電過程中，可使輸出電壓相對穩定。

2.2 電流信號檢測理論分析

諧波測量：目前最常用的諧波分析方法是使用傅里葉變換，將時域的離散信號進行傅里葉級數展開，得到離散的頻譜，從離散的頻譜中挑選出各次諧波對應的譜線，計算得出諧波各項參數。傅里葉變換（FFT）的功能是將信號從時域轉換到頻域進行計算，它是離散傅立葉變換的快速算法。

電流測量：用漆包線繞制線圈制作電流傳感器以獲取電流信號，其中線圈匝數比約為1/350。當電流通過線圈產生一個模擬電流信號，經過STM32單片機AD轉換后得到數字電流信號，此時數字信號就可以進行FFT變換。當選取1024個采樣點時，經過FFT之后，就可以得到1024個點的FFT結果。為了方便進行FFT運算，通常采樣點取2的整數次方。

當信號采樣數N時，經過快速傅里葉變換（FFT）后將得到N個點的復數，每個點對應一個頻率。此時每個點的模值代表該頻率值的幅頻特性。某一點表示的頻率用公式表示為：Fn=（n-1）*Fs/N。其中Fs為采樣頻率，Fn為信號頻率，N為采樣數。

3 電路與程序設計

3.1 電路的設計

（1）系統總體框圖

圖1 系統總體框圖

（2）放大電路原理圖

圖2 放大電路原理圖

（2）電流信號檢測電路原理圖

圖3 電流信號檢測電路原理圖

3.2 程序的設計

（1）程序設計思路

本程序的設計目標是完成電流信號的測量，如：頻率，幅度，測量精度，顯示格式，電流信號波形并且顯示波形，電流大小等。測電流時在電路中串聯一個10Ω電阻負載轉換成電壓，再利用AD快速取樣，輸入單片機，測得電壓的值。個根據電流的一個周期所產生的脈沖數來進行具體的程序設計。通過計算可以得到一個根據單片機定時捕獲所產生函數，最后根據具體的誤差進行精確調試。

（2）程序流程圖

圖4 程序流程圖

4 設計測試結果

(1)輸入正弦信號頻率范圍為50Hz～1KHz.

表1 環路電流信號頻率檢測

(2)被測正弦電流峰峰值范圍10mA～1A.

表2 環路電流峰峰值檢測

(3) 任意波信號發生器輸出非正弦波

表3 任意波基波和諧波測量

5 測試結果分析

根據上述測試數據，由此可以得出一下結論：

（1）當輸入正弦信號頻率范圍為 50Hz～1kHz 時, 流過 10Ω負載電阻的電流峰峰值可以達到 1A以上，電流信號無失真。

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

（3）任意波信號發生器輸出非正弦信號時，基波頻率范圍為50Hz～200Hz，測量電流信號基波頻率，頻率測量精度優于 1%；測量基本及各次諧波分量的幅度（振幅值），電流諧波測量頻率不超過1kHz，測量精度優于 5%。