基于TM4C的非接觸式簡易電流信號頻譜分析裝置

簡江偉 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頻譜分析裝置，本裝置能夠檢測幅度為10mA至5A，頻率為10Hz～1KHz的電流信號頻譜。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量，信號經(jīng)低噪放大后同時輸入到偏置電路與后級程控增益電路，輸出增益控制信號實(shí)現(xiàn)自動增益轉(zhuǎn)換，使得單片機(jī)的輸入信號能夠穩(wěn)定在所設(shè)置的最佳測量范圍。在單片機(jī)上利用FFT算法對信號進(jìn)行頻譜分析并在液晶上顯示。

關(guān)鍵詞：非接觸式;自動增益轉(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，輸出一個感應(yīng)電壓信號。隨著電流信號的變化，電流傳感模塊輸出的信號隨之線性變化，將輸出信號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)的輸入信號電壓穩(wěn)定在3V左右，此時TM4C1294單片機(jī)對輸入信號做FFT處理，并顯示在液晶上。

2 電流傳感模塊設(shè)計

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

設(shè)二次側(cè)線圈匝數(shù)為N2，電流信號頻率為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，在磁芯未飽和時的輸出感應(yīng)電動勢為：[1]

U=-j4.44fN2Φm（1）

3 低噪放大模塊

電流傳感模塊在測大電流時會造成IO口燒壞，小電流時微弱信號無法讀取，故需要將信號放大到某一范圍，放大模塊由低噪放大與程控放大兩級電路組成。

3.1 低噪放大電路設(shè)計

當(dāng)被測電流為微弱信號時，測量模塊輸出的感應(yīng)電動勢較微弱，此時空間中的噪聲對其干擾很大。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

當(dāng)被測電流信號為量程最大或最小值附近時，不能直接連接到單片機(jī)讀取，需要經(jīng)過一定程度的信號放大或衰減。本設(shè)計使用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，信號由INN引腳（15引腳）單端輸入。

由于PGA281為差分信號輸出，單片機(jī)讀取時只讀取其單端VOP引腳的輸出信號，故取得的信號為差模信號的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，利用兩個二極管整流，并利用RC環(huán)進(jìn)行充放電，當(dāng)輸入信號為正半周時，D1截至，D2導(dǎo)通，電容C開始充電直至最大電壓時刻;當(dāng)輸入信號在其負(fù)半周時，D1導(dǎo)通，D2截至，最后輸出一個穩(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前級的輸入電壓最終穩(wěn)定在3V左右。

（1）對于一個大小未知的采樣信號，先利用單片機(jī)控制PGA281的增益使其衰減到原信號的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，并計算得出此時的實(shí)際電壓大小為4*（采樣值）。

（2）若采樣信號電壓值較小，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)測量電壓的前提下，使用TM4C1294單片機(jī)的定時器功能，采集8192個采樣點(diǎn)的采樣電壓，直接調(diào)用TM4C1294內(nèi)核中的FFT函數(shù)對信號進(jìn)行快速傅里葉變化，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為8192個點(diǎn)，得到4096個數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過頻譜分析的結(jié)果，可以得到信號的頻率和峰值等信息，并通過TFT彩屏顯示。

6 系統(tǒng)測試

由信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號經(jīng)功率放大電路驅(qū)動后，通過導(dǎo)線連接4Ω電阻負(fù)載，使其電流信號頻率范圍為50Hz～10KHz，幅度范圍為10mA～5A，檢測環(huán)路電流信號的幅度及頻率，測試結(jié)果如下所示：

測試結(jié)果表

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

7 結(jié)論

本裝置裝置的成本低，性價比高，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，更高次諧波的頻譜計算，具有一定的工程使用價值。

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可編程增益放大器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（11）：9.