有关一种高精度电流检测装置的设计和实现毕业论文写作资料-论文写作网

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摘要：电路中谐波分量的存在严重影响用电设备安全,精确测量电流大小可大幅提高电子产品性能.本文以精确检测电流信号及其谐波信号的频率和幅值为目标,设计了一种高精度电流检测装置.本装置以MSP430和STM32103RC单片机为核心,由功放电路、非接触式感应线圈、整形电路三部分硬件电路组成.电流信号经单片机AD采样后,进行数据拟合及FFT等数据运算处理,在液晶屏上显示被测电流信号的频率及峰峰值,以及非正弦信号的基波及各次谐波的频率和峰-峰值.经测试,本装置很好地完成了10mA～1A电流大小的测量及非正弦波各次谐波的测量.

关键词：微电流流检测;谐波测量;功放电路;非接触式感应线圈

一引言

人们的日常生活和实验研究都离不开众多电子设备,而在使用电子设备时,瞬间电流过大会烧坏设备;此外电网中多种冲击性、非线性负载设备的使用,使其电流和电压信号在基波的基础上堆叠了大量的谐波信号,因此需要高精度的电流检测装置改善这些情况[1].

二系统方案设计

本设计以功放模块和电流检测分析模块为主,配合相应的AD采集模块、MSP430单片机模块、频率测量模块和STM32基波谐波测量模块设计的电流信号检测装置.其中通过单片机MSP430完成对整个测量电路的功能控制和数据处理,对输出电流信号的频率和峰-峰值进行测量.STM32完成对电流信号基波以及各次谐波分量的测量.整个装置系统包括任意波信号发生源、射极跟随器、反相衰减器、功率放大器、放大器、过零比较器、峰值检波电路、低通滤波器.电流检测装置的系统方案设计框图如图1所示.

三核心电路设计

(一)功放与程控放大器模块

本设计采用LM1875构成的集成功率放大器,设计的放大倍数为20.采用20 kΩ和1 kΩ的电阻组成负反馈网络,同时在输出端增加电阻与电容组成防高频自激电路,在正负电源两端增加退耦电容.而程控放大电路采用PGA202芯片,通过调整衰减电阻的比值可控制和改变其放大倍数.

(二)低通滤波器模块

借助FliterPro Desktop设计3KHz低通滤波器,去除电流互感中产生的杂波影响,为了达到滤波效果,设计采用巴特沃兹型的四阶低通滤波器,并由两个二阶低通滤波级联而成,其特点是通带内的频率响应曲线最为平坦.

(三)峰值检波器模块

该模块前级采用芯片OP37和OP07实现峰值检波功能,OP37起电压跟随作用,输出信号经过二极管1N4148滤除输入信号负半轴电压后,给电容C1充电,使电容两端电压保持在峰值,最后再经过OP07构成的电压跟随器输出.

四控制软件设计

本设计软件控制部分由MSP430和STM32两种单片机共同完成,如图2所示.在MSP430中使用AD采集模块采集正弦波数据,并完成正弦波信号的幅度测量,同时在MSP430中用中断定时器完成正弦波信号的频率测量.在STM32中采用AD采集模块采集非正弦波数据,并在完成数据采集后,进行FFT运算等数据处理得到基波及各次谐波的频率和幅度,再由STM32的串口发送基波及各次谐波测量数据,MSP430的串口接收数据并送入液晶屏显示.

五数据结果与分析

(一)电流信号的测试结果

用绕制的线圈制作电流传感器以获得微电流信号,测量并显示电流信号的峰峰值及频率.被测正弦信号范围为10mA～1A.输入信号频率为500Hz不变,控制输入电压峰峰值大小,测量输出电压峰峰值,计算出输出电流峰峰值,并测量输出信号频率.

(二)基波与谐波分量的测试结果

任意波信号发生器输出非正弦信号时,基波频率范围为50Hz～200Hz,测量电流信号基波频率和各次谐波分量的幅度,电流谐波测量频率不超过1kHz.信号发生器输出非正弦信号,以高电平为3.3V,低电平为0V,频率为100Hz,占空比为50%的方波為例,观察其输出基波与各次谐波幅度、频率的测试结果,见表1.