（A-电流信号检测装置]）重庆市“TI杯”奖_重庆邮电大学

sigma

（A-电流信号检测装置]）重庆市“TI杯”奖_重庆邮电大学 [复制链接]

本作品设计实现了非接触式传感的电流信号检测装置。通过功率放大电路将通过负载电阻的电流峰峰值升至1A以上，以漆包线自制线圈作为电流传感器测得信号并经过INA188固定增益放大器和PGA205可控增益放大器两级放大后输入STM32F407的内置ADC进行采样，并用串口屏显示。实现了精确测量被测电流的峰峰值和频率以及各次谐波分量的幅度。经测试，本作品稳定供电的情况下，能够完成题目要求的所有指标并增加了时域与频域波形显示的功能。
在本次比赛中我们将在课堂上学到的知识应用于实际作品中，极大地提高了自己分析问题，解决问题的能力。同时也感谢TI公司提供的各类芯片与样片申请渠道，给我们的练习与设计提供了极大的便利。

电流信号检测装置报告

摘 要

本作品设计实现了非接触式传感的电流信号检测装置。通过功率放大电路将通过负载电阻的电流峰峰值升至1A以上，以漆包线自制线圈作为电流传感器测得信号并经过INA188固定增益放大器和PGA205可控增益放大器两级放大，实现了精确测量被测电流的峰峰值和频率以及各次谐波分量的幅度。经测试，本作品稳定供电的情况下，能够完成题目要求的所有指标。

关键字：功率放大  固定与程控增益放大器  漆包线自制线圈

一、    方案设计与论证

经过分析和论证，我们认为此电流信号检测装置可分为功率放大器，电流感测线圈，增益可控放大器与模数转换等模块

1.1、功率放大器方案论证与选择

方案一： 使用大功率晶体管搭建功率放大器实现。此方案输出功率大，器件易得，设计自由，散热快。但工作点调试复杂，在短时间内不易实现。

方案二： 使用集成功率放大器件。我们选择使用LM1875T来实现功率放大的功能。该器件是美国国家半导体公司出品的AB类大功率低失真放大器，最大输出功率25W，且外围电路简单。

结合基础和发挥部分要求，使用分立器件大件功率放大电路太过复杂，因此选用方案二比较合适。

1.2、增益可控放大器方案论证与选择

方案一：使用压控增益放大器VCA810直接放大线圈感测信号。增益从-40dB到+40dB可调。但是该器件输入失调电压过大，且增益不便于使用单片机进行精确控制

方案二： 使用仪表放大器INA188级联PGA205、PGA103组成8挡可调的放大器模块。PGA205与PGA103增益控制简单，级联之后可以满足AD对于输入信号幅值的要求。

方案三： 使用场效应管的可变电阻区实现增益控制。由于线圈感测信号幅值太小，该方案设计较为复杂且稳定性差

综合比较，考虑到题目要求精度较高，因此选择方案二。

1.3、 模数转换方案论证与选择

方案一：使用STM32F407内置ADC，STM32F407VGT6芯片共有两个12位16通道ADC，一个12通道ADC，采样速率最高到1Mhz，满足本题要求。

方案二：使用ADC芯片ADS8326，其为16位单通道微功耗ADC，采样速率为250kSPS。

综合考虑，若使用ADS8326则会增加芯片支持电路的设计工作，所以我们选择使用内置ADC

二、理论分析与计算

2.1、系统原理

系统结构框图如图2-1所示。

图2-1  系统结构框图

系统中小信号经LM1875功率放大器后与10欧负载形成回路，用磁线圈电流传感器获取电流信号，经INA188仪放及PGA205分档放大后，利用OP07做加法器使电平偏移，最有由AD采样送入单片机STM32F407VGT6处理并用显示屏显示。

2.2 功率放大器设计

本系统功率放大器采用了LM1875T，其为AB类功率放大器。由于功放本身的特点，当其工作在增益0dB的情况下，相位滞后会超过180°，从而造成自激。为了规避自激，我们在芯片反馈电阻两端并联了一个47pF的小电容，降低了主极点频率，破坏自激振荡的条件。同时参考芯片手册，将芯片接成增益为2的同相放大器，在输入端通过电阻分压将输入信号幅值降低为其原本幅值的1/2。从而达到功放系统增益为1的设计要求。

2.3、增益可控放大器设计及增益调整

本系统增益调整由程控仪表放大器PGA205实现。线圈产生的感生电流由并联在线圈两端的采样电阻转换成电压信号，通过仪表放大器INA188实现对电压信号的20倍放大，之后进入PGA205,通过MCU控制PGA205的A0，A1脚，实现对输入信号固定1,2，4,8倍的放大。

2.4、谐波幅度计算基本原理

以T为周期的连续周期信号fT(t),如果满足Dirichlet条件，即在一个周期内只有有限个间断点，在一个周期内有有限个极值点，在一个周期内函数绝对可积，则可展成完备的正交三角函数集的组合：

2.5 感应线圈设计

因为题目要求感应线圈初级匝数为1匝，为了提高感生电动势，我们使用外径10mm的高磁导率环形铁氧体磁芯作为线圈磁体，使用0.2mm直径的漆包线绕制150匝制作线圈。同时为了避免线圈磁饱和，在线圈两端并联10Ω电阻，使用仪表放大器采集电阻两端电压信号，实现电流-电压转换。

三、电路与程序设计

3.1 电路设计

3.1.1 可控增益放大器单元电路设计

利用数字程控放大器PGA205与PGA103进行数控电压放大倍数，通过程序控制各端口电平来控制PGA205与PGA103的放大倍数，放大倍数分档×1，×2，×4，×8，×10，×20，×40，×80。原理图如图3-1-1所示：

图3-1-1  PGA205可控放大原理图3.1.2、固定增益放大单元电路设计

利用INA188对程控放大器输出的电压进行第一级放大，以提高后级输入阻抗，以免对线圈造成干扰。原理图如图3-1-2所示：

图3-1-2  INA188放大电路图

3.1.3 功率放大器单元电路设计

利用LM1875T对输入的小信号进行功率放大，功率放大器其原理图3-1-3如图所示。

图3-1-3 功率放大器

3.2 程序设计主流程图

四、误差分析：

   1.电源的噪声较大，导致每一级输入的信号中都混叠噪声。

   2.由于线圈的绕制精度问题，导致测得的电流信号有一定的误差。

五、结论

实现一个电流信号检测装置是本设计目的。我们完成了所以要求的指标。在输入正弦信号频率范围为50Hz~1kHz时，流过10Ω负载电阻的电流峰峰值不小于1A，电流信号无失真；准确测量并显示了电流信号的峰峰值及频率；在被测正弦电流峰峰值范围为10mA~1A时，电流测量精度优于5%，频率测量精度优于1%；输入基波频率范围为50Hz~200Hz的非正弦信号时，测得频率精度优于1%，准确测得各次谐波分量的幅度，并且频率不超过1kHz，测量精度优于5%。

倾心思梦

谢谢分享！