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2018年ti杯全国大学生电子设计，今天分享一个杭州省一等奖_A题_杭州电子科技大学_施钰斌_陈俊辉等的设计。
首先回顾一下A题
2018年TI杯大学生电子设计竞赛 A题：电流信号检测装置（本科） 1．任务 如图1所示，由任意波信号发生器产生的信号经功率放大电路驱动后，通过导线连接10Ω电阻负载，形成一电流环路；设计一采用非接触式传感的电流信号检测装置，检测环路电流信号的幅度及频率，并将信号的参数显示出来。
图1 电流信号检测连接图 2．要求 （1） 设计一功率放大电路，当输入正弦信号频率范围为50Hz~1kHz时, 要求流过10Ω负载电阻的电流峰峰值不小于1A，要求电流信号无失真。 （25分） （2） 用漆包线绕制线圈制作电流传感器以获取电流信号；设计电流信号检测分析电路，测量并显示电流信号的峰峰值及频率。 （15分） （3） 被测正弦电流峰峰值范围为10mA~1A，电流测量精度优于5%，频率测量精度优于1%。 （25分） （4） 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，频率测量精度优于1%；测量基本及各次谐波分量的幅度（振幅值），电流谐波测量频率不超过1kHz，测量精度优于5%。 （25分） （5） 其他。 （10分） （6） 设计报告 （20分）
3．说明 （1）为提高电流传感器的灵敏度，可用用漆包线在锰芯磁环上绕制线圈，制作电流传感器。 （2）在锰芯磁环上绕N2匝导线，将流过被测电流的导线从磁环中穿过（N1=1），构成电流传感器。
杭州电子科技大学_施钰斌_陈俊辉等的设计分享赏析
本设计以STM32F407为核心，实现隔离式的电流测量。使用TDA2030将输入信号进行功率放大，电流通过用康铜丝绕制的电流感应磁环后传递到下级，为方便控制电压，采用INA128进行后级放大，OPA695对电压进行抬升，最后输入STM32的AD中进行采样处理。
在竞赛中，需要有一种大局观，首先需要了解需要制作那些模块，再进行分工合作，在制作时备用板的制作可以节省大量时间，同组队友需要协商好前后级的连接方法。硬件应提前完成关键模块的制作，给写软件的同学充足的时间进行代码的处理。 电流信号检测装置（A题）
1 系统方案
1.1 功率放大电路
方案一： 使用OPA548将输入信号进行放大。
方案二： 使用TDA2030将输入信号进行放大。
由于在测试中，OPA548在长时间工作后会过热无法正常工作，且TDA2030波形在小电流时更为完好，故最终选用方案二。
1.2 电流感应
方案一： 使用磁环感应电流，通过采样电阻将电流转换成电压，在通过INA128将电压放大。
方案二： 使用磁环感应电流，通过采样电阻将电流转换成电压，在通过INA194将电压放大。
但由于INA194为单电源供电无法放大负电流，故采用INA128，实现负电流的测量，且INA128可调节放大倍数是输出电压更适用后级的测量，故选方案一。
1.3 电流检测与分析
方案一： 使用AD8505采集前级放大后的电压。
方案二： 使用加法器将INA128的输出电压抬高，并将输出电压控制在0-3.3V之间，直接使用STM32F407的片内AD进行采样。 直接只用STM32F407的片内AD电路比较简单，且能达到测量精度；而AD8505较贵，且需要自行配制程序，出于成本，电路结构，以及难易程度的考虑最终选择方案二。
1.4 系统总体框图 图1 系统框图
2 理论分析与计算
2.1功率放大电路设计
Imax=Ipp/2/1.414
Pmax=Imax*RL=3.53W
2.2感应信号放大器设计
电流传感器由一次线圈，二次线圈和磁芯构成，次线圈连接在主电路中从磁环内穿过（线圈匝数N1=1，电流为I1），二次线圈为锰芯磁环上绕制的漆包线匝数为N2，电流为I2，电流互感器的变流比:
K=I1/I2=N2/N1
I2=I1*N1/N2
INA128放大增益计算: G=1+50KΩ/Rg
2.3加法器设计
vo=vo1+vo2
vo1=（1+R4/R3）*R2/（R1+R2）
vo1=（1+R4/R3）*R1/（R1+R2）
2.4电流测量
通过磁环感应电流再转为电压信号，用adc采样进行傅里叶分析，把时域信号转为频域信号，得到其频率与幅值，再通过多次数据测量进行比对的到幅度的转换系数。
离散傅里叶变换（DFT），是傅里叶变换在时域和频域上都呈现离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换（DTFT）频域的采样。在形式上，变换两端（时域和频域上）的序列是有限长的，而实际上这两组序列都应当被认为是离散周期信号的主值序列。即使对有限长的离散信号作DFT，也应当将其看作经过周期延拓成为周期信号再作变换。在实际应用中通常采用快速傅里叶变换以高效计算DFT。所以再分析时用了stm32进行fft分析。
2.5谐波测量方法
该方法也是采用fft算法，进行采样分析，通过比对采样数据的到基波和谐波的频率和幅值。
如下是三角波和方波的傅里叶级数（可以得到其波形的组成）：
三角波：（A为峰峰值）
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方波（E为峰峰值）
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经过fft分析后，每一点表示一个频率的幅值，通过分析很容易得到基波和谐波的频率和峰峰值
3 电路与程序设计
3.1 功率放大电路的设计
电路功率较大，故选择有较大功率的TDA6030，使其其具有较大的输出能力，为降低芯片温度，需要外加散热片，为使电流环路电流峰峰值是任意波形发生器设置电压峰峰值的0.1，故功放保持增益为1。
图2 OPA548硬件电路
3.2 感应电流转换的设计 为满足片内AD的测量范围，且由于后级加法器抬高电压为1.2V，故在输入10Vpp的信号时，INA128输出应在2.4V之内，此通过调节Rg改变增益。
图3 INA128放大电路
3.3加法器的设计
由于片内AD采集范围为0-3.3V，为提高测量精度加法器最好使用1.6V的基准源抬高信号，但由于无现成1.5V，故使用1.2V的基准源提供参考电压。
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图4 加法器电路
3.4软件程序设计
程序流程框图如图所示：
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图5 程序流程框图
4.测试方案与测试结果分析
4.1测试仪器 示波器，手持电表，信号发生器
4.2测试方案
将信号输入到功率放大电路，串联万用表测量电流，单片机测量频率与峰值，与前级进行对比。
4.3测试数据
4.4测试结果分析
通过测量结果可知，波形在1A时没有明显失真，频率测量误差在1%以内，电流测量误差在5%以内，能够测量1KHz以内多次谐波分量，故该设计达到题目要求
5 总结
本设计以STM32F407进行测量显示，可实现题目所要求的各功能，可测量电流信号的频率及各次谐波分量的幅值。实际测试发现磁环匝数理论计算值与实际匝数有较大的偏差。
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