電流信號檢測裝置設(shè)計

張浩

摘要：本設(shè)計是一個電流信號檢測裝置，以電流檢測電路為主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以STM32F103單片機為數(shù)據(jù)采集核心，協(xié)調(diào)各個模塊工作以實現(xiàn)相應(yīng)功能。

設(shè)計分為功率放大電路、電流檢測電路、控制電路、電流電壓采樣電路。隨機波信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號經(jīng)過由LM1875TD構(gòu)成的放大電路處理后，通過導(dǎo)線和電阻負(fù)載連接起來，產(chǎn)生一個環(huán)路形電流，通過LM358構(gòu)成的電路將正弦波轉(zhuǎn)化成方波、利用STM32F103RCT6的輸入捕獲模式測量并顯示頻率，利用AD轉(zhuǎn)換模式測量電流峰峰值。

本設(shè)計電流信號檢測裝置采用非接觸式電流測量方式和高精度電流檢測放大器，相比于其他測量方式能夠?qū)崿F(xiàn)無損測量電流、與線電壓隔離、大信號電壓能夠很好地抵御噪聲，且電路分模塊進行工作，實現(xiàn)最優(yōu)檢測。

關(guān)鍵詞：LM358P;LMl875T;STM32F103RCT6;頻率

中圖文分類號：TN80 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-0265-02

伴隨科技的迅速發(fā)展，電路在日常生活中的運用也愈來愈頻繁，電流信號作為電路中的主要指標(biāo)之一，對電流信號的檢測標(biāo)準(zhǔn)也越來越高。本設(shè)計設(shè)計一個電流信號檢測裝置，檢測頻率范圍在50Hz-lkHz，導(dǎo)線繞制線圈作為電信號波形傳感器。采用完全無接觸式電信號檢測裝置，將環(huán)路電流的參數(shù)進行顯示，參數(shù)包括其頻率、幅度。

1方案設(shè)計

1.1系統(tǒng)基本方案

本設(shè)計的整體思路如下：隨機波信號產(chǎn)生器生成的信號經(jīng)過功率放大電路后，處理成了更大的電流，功率放大電路由LMl875T構(gòu)成。使用導(dǎo)線和電阻負(fù)載連接，產(chǎn)生一個環(huán)路形電流。捕獲過程為線圈中的感應(yīng)電流、經(jīng)過檢測電流電路中LM1875T模塊，將輸入的正弦波轉(zhuǎn)化為方波，再通過STM32F103RCT6單片機檢測TIMx_CHx引腳上的信號，當(dāng)檢測到信號發(fā)生突變時（例如從下降沿突變?yōu)樯仙兀瑢⒋藭r定時器中存儲的值（TIMx_CNT）存儲到與之相對應(yīng)通道的捕獲和比較寄存器（TIMx_CCRx）中。多次捕獲后求其平均值，從而實現(xiàn)電流信號的頻率測量及顯示。同時，輸入的正弦波經(jīng)過分壓電路，經(jīng)由STM32F103RCT6內(nèi)置ADC模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，從而實現(xiàn)電流信號峰峰值的檢測與顯示。整體框圖見圖1。

1.2功率放大電路模塊

本設(shè)計采用LMl875T單電源供電功率放大電路。LMl875單電源時，R1和R2用于分壓，偏置電壓取為VCC的一半，R3和1引腳連接，使輸出電壓在VCC電壓的一半上下變化，這樣得到的動態(tài)范圍是最大的。由1875，C04，R26，R05等組成，電路放大倍數(shù)取決于兩個電阻負(fù)載之間的比值。C04的作用是用來抑制LMl875T的第4腳在工作過程中產(chǎn)生的誤差（引腳直流漂移）。放大器會產(chǎn)生低頻自激，為了防止這種誤差的產(chǎn)生加入R06、C07。T0-220封裝結(jié)構(gòu)的LMl875T，外形像一只功率管，體積相比來說很小，并且其外圍電路組成很簡單，輸出功率較大。電路內(nèi)設(shè)置了安全保護工作。原理圖見圖2所示嘲。

1.3電流檢測分析電路模塊

1.3.1電流信號峰峰值檢測

本設(shè)計考慮到程序應(yīng)比較簡單，精度應(yīng)比較高，用STM32F103RCT6內(nèi)置ADC模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，測試并記錄不同頻率下的電壓值，計算出電壓與電流的比例關(guān)系，用電壓乘以比列系數(shù)得到電流信號的峰峰值。電流檢測電路是用來檢測壓機供電電流的。保護壓機不致在電流異常時，而損壞壓機。采用集成運算放大器進行電流檢測電路。

1.3.2電流信號頻率檢測模塊

從操作方便，原理簡單方面考慮，采用通過LM358構(gòu)成的電路將正弦波轉(zhuǎn)化成方波，利用STM32F103RCT6捕獲方波信號的上升沿并定時，測量多組數(shù)據(jù)求其平均值，并顯示。

電路如下圖3所示。

2理論分析與計算

2.1電流測量電路分析與計算

LM358P是雙運放電路，可以放大電壓或電流或經(jīng)行轉(zhuǎn)換、細(xì)密整流等。交流電源使整流二極管在導(dǎo)通和停止之間來回切換。在這種周期性的電流變化作用下，負(fù)載將會獲得脈沖直流電。在電源的作用下，二極管導(dǎo)通時負(fù)載上的電流波形與電壓波形形狀一致;二極管處于反向停止?fàn)顟B(tài)時，負(fù)載電壓幾近為零。計算LM358的放大倍數(shù)的方法與其他通用運放一樣，主要由反饋電阻來決定的，反相比例運算電路：Av=-uo/ui=-Rf/R。

2.2諧波分量測量電路分析與計算

根據(jù)傅里葉級數(shù)展開原理，每個具有一定周期的函數(shù)都能用正弦和余弦函數(shù)來表示。函數(shù)能夠展開成為相同周期的兩項之和。

一個具有周期的函數(shù)f（t）在連續(xù)點處可以用以下正余弦函數(shù)組合表示，但前提是必須滿足狄里赫利條件，如下所示：

基波的幅值為c1，n次諧波的幅值表示為cn，一次諧波幅值也能表示為c1。aO/2也能被表示為0次諧波幅值。

諧波的頻率必然也等于基波的頻率的整數(shù)倍，三次諧波即為基波的三倍，五次諧波即為五倍，以此類推。無論是幾次諧波，全是正弦波。

3程序設(shè)計

3.1程序設(shè)計流程圖

在編寫此程序過程中，合理的運用了中斷和定時器程序，程序在運行中防止出現(xiàn)在中斷時進行其他任務(wù)，保證程序穩(wěn)定運行。LM358P初始化后啟動ADC模塊，ADC模塊轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過擴大和運算后通過液晶顯示器顯示出來，程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

4結(jié)束語

電流信號檢測裝置廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，大規(guī)模集成電路領(lǐng)域以及其他領(lǐng)域的參數(shù)識別、設(shè)備檢測等方面。本設(shè)計的電流信號檢測裝置滿足設(shè)計要求，具有較好的檢測效果。