基于TM4C的非接觸式簡(jiǎn)易電流信號(hào)頻譜分析裝置

簡(jiǎn)江偉 張宗昱 游遠(yuǎn)帆 朱燦杰

摘?要：本文提出一種新型的非接觸式電流信號(hào)頻譜分析裝置，本裝置能夠檢測(cè)幅度為10mA至5A，頻率為10Hz～1KHz的電流信號(hào)頻譜。裝置由電流傳感模塊、低噪放大模塊、偏置電路、TM4C1294控制模塊組成。電流傳感模塊采用非接觸式測(cè)量，信號(hào)經(jīng)低噪放大后同時(shí)輸入到偏置電路與后級(jí)程控增益電路，輸出增益控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益轉(zhuǎn)換，使得單片機(jī)的輸入信號(hào)能夠穩(wěn)定在所設(shè)置的最佳測(cè)量范圍。在單片機(jī)上利用FFT算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析并在液晶上顯示。

關(guān)鍵詞：非接觸式;自動(dòng)增益轉(zhuǎn)換;FFT算法;頻譜分析

1 總體結(jié)構(gòu)

本裝置由電流傳感模塊、低噪放大模塊、偏置電路、TM4C1294控制模塊四部分組成，電流傳感模塊用于感應(yīng)電流信號(hào)，輸出一個(gè)感應(yīng)電壓信號(hào)。隨著電流信號(hào)的變化，電流傳感模塊輸出的信號(hào)隨之線性變化，將輸出信號(hào)接入到低噪放大模塊。低噪放大模塊使用了儀表放大器與程控增益放大器，使得單片機(jī)的輸入信號(hào)電壓穩(wěn)定在3V左右，此時(shí)TM4C1294單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)做FFT處理，并顯示在液晶上。

2 電流傳感模塊設(shè)計(jì)

電流傳感模塊使用繞制線圈實(shí)現(xiàn)。通過待測(cè)電流變化引起的磁場(chǎng)變化將待測(cè)電流修信號(hào)以非接觸的方式傳感至磁環(huán)外線圈兩端以電壓信號(hào)輸出。[1]

設(shè)二次側(cè)線圈匝數(shù)為N2，電流信號(hào)頻率為f，為取磁環(huán)通過的磁通為Φm，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在磁芯未飽和時(shí)的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：[1]

U=-j4.44fN2Φm（1）

3 低噪放大模塊

電流傳感模塊在測(cè)大電流時(shí)會(huì)造成IO口燒壞，小電流時(shí)微弱信號(hào)無法讀取，故需要將信號(hào)放大到某一范圍，放大模塊由低噪放大與程控放大兩級(jí)電路組成。

3.1 低噪放大電路設(shè)計(jì)

當(dāng)被測(cè)電流為微弱信號(hào)時(shí)，測(cè)量模塊輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較微弱，此時(shí)空間中的噪聲對(duì)其干擾很大。電路使用TI公司生產(chǎn)的INA128低功耗精密儀表放大芯片，其具有120dB的高共模抑制比，低失調(diào)電壓，低溫漂、低輸入偏置電流的優(yōu)越性能。電路的增益為：

G=1+50KΩ/Rg（2）

式（2）中，Rg為電路增益電阻，該芯片可以通過設(shè)置增益電阻實(shí)現(xiàn)1到10000范圍內(nèi)任意增益。Rg取5KΩ的電位器，方便校準(zhǔn)。

3.2 程控放大電路設(shè)計(jì)

當(dāng)被測(cè)電流信號(hào)為量程最大或最小值附近時(shí)，不能直接連接到單片機(jī)讀取，需要經(jīng)過一定程度的信號(hào)放大或衰減。本設(shè)計(jì)使用TI公司的PGA281，提供二進(jìn)制增益步長128V/V至1/8V/V的精密零漂移功能的程控放大芯片，[2]單片機(jī)通過設(shè)置G0～G3引腳的電平值設(shè)置增益，信號(hào)由INN引腳（15引腳）單端輸入。

由于PGA281為差分信號(hào)輸出，單片機(jī)讀取時(shí)只讀取其單端VOP引腳的輸出信號(hào)，故取得的信號(hào)為差模信號(hào)的1/2倍。

4 偏置電路原理

由于TM4C1294的內(nèi)置AD不能采集負(fù)電壓，故需要引入直流偏置，偏置電路使用峰值檢波，其作為偏置引入到PGA281的INP引腳（14引腳），使其輸出信號(hào)總能保持在0V以上，從而進(jìn)行頻譜分析。

峰值檢波電路使用兩片OPA227芯片，利用兩個(gè)二極管整流，并利用RC環(huán)進(jìn)行充放電，當(dāng)輸入信號(hào)為正半周時(shí)，D1截至，D2導(dǎo)通，電容C開始充電直至最大電壓時(shí)刻;當(dāng)輸入信號(hào)在其負(fù)半周時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截至，最后輸出一個(gè)穩(wěn)定的電平值。

5 單片機(jī)控制及頻譜分析

5.1 單片機(jī)控制增益

單片機(jī)采樣使用TM4C1294內(nèi)置AD，其引腳輸入電平范圍在3V左右具有最好的精確度。因此將AD前級(jí)的輸入電壓最終穩(wěn)定在3V左右。

（1）對(duì)于一個(gè)大小未知的采樣信號(hào)，先利用單片機(jī)控制PGA281的增益使其衰減到原信號(hào)的1/4，防止電壓過大而造成損害。再通過與3V進(jìn)行比較，如較3V大，可以通過AD直接采樣，并計(jì)算得出此時(shí)的實(shí)際電壓大小為4*（采樣值）。

（2）若采樣信號(hào)電壓值較小，將其衰減1/4后進(jìn)行采樣顯然是不合適，應(yīng)將其放大至3V左右。通過讀取采樣值與3V進(jìn)行比較，從最小的放大倍數(shù)（*1）開始逐步放大，直至將信號(hào)放大到3V再采樣。

5.2 頻譜分析

在保證峰值電壓低于單片機(jī)測(cè)量電壓的前提下，使用TM4C1294單片機(jī)的定時(shí)器功能，采集8192個(gè)采樣點(diǎn)的采樣電壓，直接調(diào)用TM4C1294內(nèi)核中的FFT函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變化，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為8192個(gè)點(diǎn)，得到4096個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過頻譜分析的結(jié)果，可以得到信號(hào)的頻率和峰值等信息，并通過TFT彩屏顯示。

6 系統(tǒng)測(cè)試

由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)功率放大電路驅(qū)動(dòng)后，通過導(dǎo)線連接4Ω電阻負(fù)載，使其電流信號(hào)頻率范圍為50Hz～10KHz，幅度范圍為10mA～5A，檢測(cè)環(huán)路電流信號(hào)的幅度及頻率，測(cè)試結(jié)果如下所示：

測(cè)試結(jié)果表

從結(jié)果可以看出，在10Hz～1KHz頻率下，本裝置測(cè)量的信號(hào)幅度范圍為10mA～5A，且精度能夠優(yōu)于5%，能夠基本滿足工程測(cè)試的需求。

7 結(jié)論

本裝置裝置的成本低，性價(jià)比高，可應(yīng)用在大小的工程實(shí)踐中。經(jīng)過一定的拓展，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的電流檢測(cè)，更高次諧波的頻譜計(jì)算，具有一定的工程使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭宇.三相電子式多功能電能表的研制[D].重慶大學(xué)，2010.

[2]TI推出業(yè)界最高精度的全差動(dòng)可編程增益放大器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（11）：9.