基于单片机的电流信号检测装置设计

贺涛 四川邮电职业技术学院

1 设计方案总体描述

本电流信号检测装置主要包含3部分，功率放大电路，电流检测分析电路和显示电路。由LM317K和LM337H核心元件组成的双电源供电，分别给放大电路，电流检测电路提供电源。任意波发生器输入一个任意波形，该信号通过放大器LF353放大，经过电流信号检测装置，让单片机触发AD开始转换，等待AD转换完毕，AD转换完毕后读取数据。最终通过液晶显示屏显示电流信号的幅度和频率相关参数。

2 核心电路系统理论分析与计算

2.1 放大电路的设计分析与计算

放大电路中采用一个10K电阻的漂移来抵消放大器的零点漂移，合理设置电路参数，把漂移抑制在较低的限度之内，让它的终点电位为零。放大电路采用LF353放大器做三级放大，第一级放大倍数为R7/R6+1=33K/10K+1=4.3倍，第二级放大倍数为R10/R9+1=3.6K/1K+1=4.6倍，第三级用一个电位器调整放大倍数到10倍左右。

经过三级放大后的信号通过两个达林顿三极管进行扩流，为了使输出电压稳定，本设计采用电容滤波。当整流电压比电容电压高时，电容将被充电，当整流电压逼电容电压低时，电容对电路放电。滤波电容在充放电过程中，可使输出电压相对稳定。

2.2 电流信号检测理论分析

谐波测量：目前最常用的谐波分析方法是使用傅里叶变换，将时域的离散信号进行傅里叶级数展开，得到离散的频谱，从离散的频谱中挑选出各次谐波对应的谱线，计算得出谐波各项参数。傅里叶变换（FFT）的功能是将信号从时域转换到频域进行计算，它是离散傅立叶变换的快速算法。

电流测量：用漆包线绕制线圈制作电流传感器以获取电流信号，其中线圈匝数比约为1/350。当电流通过线圈产生一个模拟电流信号，经过STM32单片机AD转换后得到数字电流信号，此时数字信号就可以进行FFT变换。当选取1024个采样点时，经过FFT之后，就可以得到1024个点的FFT结果。为了方便进行FFT运算，通常采样点取2的整数次方。

当信号采样数N时，经过快速傅里叶变换（FFT）后将得到N个点的复数，每个点对应一个频率。此时每个点的模值代表该频率值的幅频特性。某一点表示的频率用公式表示为：Fn=（n-1）*Fs/N。其中Fs为采样频率，Fn为信号频率，N为采样数。

3 电路与程序设计

3.1 电路的设计

（1）系统总体框图

图1 系统总体框图

（2）放大电路原理图

图2 放大电路原理图

（2）电流信号检测电路原理图

图3 电流信号检测电路原理图

3.2 程序的设计

（1）程序设计思路

本程序的设计目标是完成电流信号的测量，如：频率，幅度，测量精度，显示格式，电流信号波形并且显示波形，电流大小等。测电流时在电路中串联一个10Ω电阻负载转换成电压，再利用AD快速取样，输入单片机，测得电压的值。个根据电流的一个周期所产生的脉冲数来进行具体的程序设计。通过计算可以得到一个根据单片机定时捕获所产生函数，最后根据具体的误差进行精确调试。

（2）程序流程图

图4 程序流程图

4 设计测试结果

(1)输入正弦信号频率范围为50Hz～1KHz.

表1 环路电流信号频率检测

(2)被测正弦电流峰峰值范围10mA～1A.

表2 环路电流峰峰值检测

(3) 任意波信号发生器输出非正弦波

表3 任意波基波和谐波测量

5 测试结果分析

根据上述测试数据，由此可以得出一下结论：

（1）当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可以达到 1A以上，电流信号无失真。

（2）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%。

（3）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%。