葛蓉 李翔 崔淵 尹進(jìn) 陳祝洋 陳東勤

摘要：電路中諧波分量的存在嚴(yán)重影響用電設(shè)備安全，精確測(cè)量電流大小可大幅提高電子產(chǎn)品性能。本文以精確檢測(cè)電流信號(hào)及其諧波信號(hào)的頻率和幅值為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種高精度電流檢測(cè)裝置。本裝置以MSP430和STM32103RC單片機(jī)為核心，由功放電路、非接觸式感應(yīng)線圈、整形電路三部分硬件電路組成。電流信號(hào)經(jīng)單片機(jī)AD采樣后，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合及FFT等數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，在液晶屏上顯示被測(cè)電流信號(hào)的頻率及峰峰值，以及非正弦信號(hào)的基波及各次諧波的頻率和峰-峰值。經(jīng)測(cè)試，本裝置很好地完成了10mA～1A電流大小的測(cè)量及非正弦波各次諧波的測(cè)量。

關(guān)鍵詞：微電流流檢測(cè);諧波測(cè)量;功放電路;非接觸式感應(yīng)線圈

一、引言

人們的日常生活和實(shí)驗(yàn)研究都離不開(kāi)眾多電子設(shè)備，而在使用電子設(shè)備時(shí)，瞬間電流過(guò)大會(huì)燒壞設(shè)備;此外電網(wǎng)中多種沖擊性、非線性負(fù)載設(shè)備的使用，使其電流和電壓信號(hào)在基波的基礎(chǔ)上堆疊了大量的諧波信號(hào)，因此需要高精度的電流檢測(cè)裝置改善這些情況[1]。

二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以功放模塊和電流檢測(cè)分析模塊為主，配合相應(yīng)的AD采集模塊、MSP430單片機(jī)模塊、頻率測(cè)量模塊和STM32基波諧波測(cè)量模塊設(shè)計(jì)的電流信號(hào)檢測(cè)裝置。其中通過(guò)單片機(jī)MSP430完成對(duì)整個(gè)測(cè)量電路的功能控制和數(shù)據(jù)處理，對(duì)輸出電流信號(hào)的頻率和峰-峰值進(jìn)行測(cè)量。STM32完成對(duì)電流信號(hào)基波以及各次諧波分量的測(cè)量。整個(gè)裝置系統(tǒng)包括任意波信號(hào)發(fā)生源、射極跟隨器、反相衰減器、功率放大器、放大器、過(guò)零比較器、峰值檢波電路、低通濾波器。電流檢測(cè)裝置的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

三、核心電路設(shè)計(jì)

（一）功放與程控放大器模塊

本設(shè)計(jì)采用LM1875構(gòu)成的集成功率放大器，設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)為20。采用20 kΩ和1 kΩ的電阻組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在輸出端增加電阻與電容組成防高頻自激電路，在正負(fù)電源兩端增加退耦電容。而程控放大電路采用PGA202芯片，通過(guò)調(diào)整衰減電阻的比值可控制和改變其放大倍數(shù)。

（二）低通濾波器模塊

借助FliterPro Desktop設(shè)計(jì)3KHz低通濾波器，去除電流互感中產(chǎn)生的雜波影響，為了達(dá)到濾波效果，設(shè)計(jì)采用巴特沃茲型的四階低通濾波器，并由兩個(gè)二階低通濾波級(jí)聯(lián)而成，其特點(diǎn)是通帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最為平坦。

（三）峰值檢波器模塊

該模塊前級(jí)采用芯片OP37和OP07實(shí)現(xiàn)峰值檢波功能，OP37起電壓跟隨作用，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)二極管1N4148濾除輸入信號(hào)負(fù)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(jīng)過(guò)OP07構(gòu)成的電壓跟隨器輸出。

四、控制軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件控制部分由MSP430和STM32兩種單片機(jī)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(shù)據(jù)，并完成正弦波信號(hào)的幅度測(cè)量，同時(shí)在MSP430中用中斷定時(shí)器完成正弦波信號(hào)的頻率測(cè)量。在STM32中采用AD采集模塊采集非正弦波數(shù)據(jù)，并在完成數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)行FFT運(yùn)算等數(shù)據(jù)處理得到基波及各次諧波的頻率和幅度，再由STM32的串口發(fā)送基波及各次諧波測(cè)量數(shù)據(jù)，MSP430的串口接收數(shù)據(jù)并送入液晶屏顯示。

五、數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

（一）電流信號(hào)的測(cè)試結(jié)果

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

（二）基波與諧波分量的測(cè)試結(jié)果

任意波信號(hào)發(fā)生器輸出非正弦信號(hào)時(shí)，基波頻率范圍為50Hz～200Hz，測(cè)量電流信號(hào)基波頻率和各次諧波分量的幅度，電流諧波測(cè)量頻率不超過(guò)1kHz。信號(hào)發(fā)生器輸出非正弦信號(hào)，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(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表1。

六、結(jié)語(yǔ)

本文主要說(shuō)明了電流檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程及原理，包括電流檢測(cè)電路、具有反饋控制的程控增益電路、信號(hào)整形電路，使用兩種單片機(jī)采集信號(hào)、FFT算法實(shí)現(xiàn)諧波分析，由此構(gòu)成電流信號(hào)檢測(cè)裝置。該裝置在精確檢測(cè)電子系統(tǒng)中電流信號(hào)的大小及其諧波信號(hào)的頻率和幅值等參數(shù)中有重要的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄺乃興. 串聯(lián)混合有源電力濾波器控制技術(shù)的優(yōu)化研究[D].浙江大學(xué)， 2007.

[2] 楊旸，吳曉波.一種用于高端電流檢測(cè)的高精度放大器的設(shè)計(jì)[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2011，16（2）：1-6.

[3] 王文海. 基于STM32微控制器的過(guò)采樣技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017（10）：5+7