一種高精度電流檢測裝置的設計與實現

葛蓉 李翔 崔淵 尹進 陳祝洋 陳東勤

摘要：電路中諧波分量的存在嚴重影響用電設備安全，精確測量電流大小可大幅提高電子產品性能。本文以精確檢測電流信號及其諧波信號的頻率和幅值為目標，設計了一種高精度電流檢測裝置。本裝置以MSP430和STM32103RC單片機為核心，由功放電路、非接觸式感應線圈、整形電路三部分硬件電路組成。電流信號經單片機AD采樣后，進行數據擬合及FFT等數據運算處理，在液晶屏上顯示被測電流信號的頻率及峰峰值，以及非正弦信號的基波及各次諧波的頻率和峰-峰值。經測試，本裝置很好地完成了10mA～1A電流大小的測量及非正弦波各次諧波的測量。

關鍵詞：微電流流檢測;諧波測量;功放電路;非接觸式感應線圈

一、引言

人們的日常生活和實驗研究都離不開眾多電子設備，而在使用電子設備時，瞬間電流過大會燒壞設備;此外電網中多種沖擊性、非線性負載設備的使用，使其電流和電壓信號在基波的基礎上堆疊了大量的諧波信號，因此需要高精度的電流檢測裝置改善這些情況[1]。

二、系統方案設計

本設計以功放模塊和電流檢測分析模塊為主，配合相應的AD采集模塊、MSP430單片機模塊、頻率測量模塊和STM32基波諧波測量模塊設計的電流信號檢測裝置。其中通過單片機MSP430完成對整個測量電路的功能控制和數據處理，對輸出電流信號的頻率和峰-峰值進行測量。STM32完成對電流信號基波以及各次諧波分量的測量。整個裝置系統包括任意波信號發生源、射極跟隨器、反相衰減器、功率放大器、放大器、過零比較器、峰值檢波電路、低通濾波器。電流檢測裝置的系統方案設計框圖如圖1所示。

三、核心電路設計

（一）功放與程控放大器模塊

本設計采用LM1875構成的集成功率放大器，設計的放大倍數為20。采用20 kΩ和1 kΩ的電阻組成負反饋網絡，同時在輸出端增加電阻與電容組成防高頻自激電路，在正負電源兩端增加退耦電容。而程控放大電路采用PGA202芯片，通過調整衰減電阻的比值可控制和改變其放大倍數。

（二）低通濾波器模塊

借助FliterPro Desktop設計3KHz低通濾波器，去除電流互感中產生的雜波影響，為了達到濾波效果，設計采用巴特沃茲型的四階低通濾波器，并由兩個二階低通濾波級聯而成，其特點是通帶內的頻率響應曲線最為平坦。

（三）峰值檢波器模塊

該模塊前級采用芯片OP37和OP07實現峰值檢波功能，OP37起電壓跟隨作用，輸出信號經過二極管1N4148濾除輸入信號負半軸電壓后，給電容C1充電，使電容兩端電壓保持在峰值，最后再經過OP07構成的電壓跟隨器輸出。

四、控制軟件設計

本設計軟件控制部分由MSP430和STM32兩種單片機共同完成，如圖2所示。在MSP430中使用AD采集模塊采集正弦波數據，并完成正弦波信號的幅度測量，同時在MSP430中用中斷定時器完成正弦波信號的頻率測量。在STM32中采用AD采集模塊采集非正弦波數據，并在完成數據采集后，進行FFT運算等數據處理得到基波及各次諧波的頻率和幅度，再由STM32的串口發送基波及各次諧波測量數據，MSP430的串口接收數據并送入液晶屏顯示。

五、數據結果與分析

（一）電流信號的測試結果

用繞制的線圈制作電流傳感器以獲得微電流信號，測量并顯示電流信號的峰峰值及頻率。被測正弦信號范圍為10mA～1A。輸入信號頻率為500Hz不變，控制輸入電壓峰峰值大小，測量輸出電壓峰峰值，計算出輸出電流峰峰值，并測量輸出信號頻率。

（二）基波與諧波分量的測試結果

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和各次諧波分量的幅度，電流諧波測量頻率不超過1kHz。信號發生器輸出非正弦信號，以高電平為3.3V，低電平為0V，頻率為100Hz，占空比為50%的方波為例，觀察其輸出基波與各次諧波幅度、頻率的測試結果，見表1。

六、結語

本文主要說明了電流檢測裝置的設計過程及原理，包括電流檢測電路、具有反饋控制的程控增益電路、信號整形電路，使用兩種單片機采集信號、FFT算法實現諧波分析，由此構成電流信號檢測裝置。該裝置在精確檢測電子系統中電流信號的大小及其諧波信號的頻率和幅值等參數中有重要的實用價值。

參考文獻：

[1] 鄺乃興. 串聯混合有源電力濾波器控制技術的優化研究[D].浙江大學， 2007.

[2] 楊旸，吳曉波.一種用于高端電流檢測的高精度放大器的設計[J].電路與系統學報，2011，16（2）：1-6.

[3] 王文海. 基于STM32微控制器的過采樣技術研究與實現[J]. 數字技術與應用，2017（10）：5+7