宽频电流信号检测研究

王全周 王 林

（1.莱福终端智能<盐城>科技有限责任公司，江苏 盐城 224003；2.盐城工学院，江苏 盐城 224001）

0 引言

电流信号反映生活中各类电子设备、器件的运作状况，对电流信号检测，可分析设备的状况及用户状况，电流信号检测装置在通信电源系统，建筑智能化系统等中被迫切需要。 科学技术的发展，检测电流信号的检测手段不断增加，测量范围不断扩大，精度也随之提高，并出现了诸如钳形表之类的手持式测量设备。 本文通过应用STM32 单片机设计电流信号检测电路，实现对电流信号的非接触式测量。 系统设计框图如图1 所示。

1 系统理论分析

1.1 互感器设计

为了满足10 mA 至1 A 测量电流的范围及精度，感应线圈需要增大互感系数，改善小信号的检测灵敏度。互感系数取决于线圈匝数，磁芯材料和尺寸，线径缠绕方法等。 但磁导率过高，匝数过大，导致线圈饱和。设计时要确保待测信号动态范围内感应电流波形不出现失真。

图1 系统框图

由安培环路定理可知，如式（1）所示。

线圈中的感应电动势，如式（2）所示。

式中，N 为线圈匝数，S 为线圈截面积，μ 为磁环磁导率，R 为线圈半径。

由式（2）可以看出，增大线圈直径可以减小线圈内阻，增大磁导率，增大线圈的截面积，适当减小线圈半径，可以提高检测灵敏度，避免线圈饱和。

电流传感器由一次线圈， 二次线圈和磁芯组成，次线圈连接在主电路中从磁环内通过（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， 如式（3）、（4）所示。

放大电路由差分放大电路， 双运放差分转单端电路，反相加偏置运算电路组成。 差分放大电路两端增益高度对称，确保其共模量干扰小；反相偏置运算电路，保证整个无失真的信号在采样要求输入范围内。

1.2 谐波含量测量

对于谐波测量，由于其频率范围太多，无法采用滤波电路完成对其的测量，因此，需取样后通过傅里叶变换，计算出各次谐波的频率及幅度。 由于单片机只能接入正电压，因此也需要一个电路对信号进行抬高。 对于抬高以后的电路，它的傅里叶变换增加了一个直流分量，只需要减去此分量，即可完成测量任务。因此，对于谐波的频率和幅度的测量，通过FFT 的方法进行测量，其测量方法如下：

（1）利用电流传感器将信号传递到检测装置；

（2）通过外部电路对其进行放大，并用低通滤波器消除啊外界的干扰；

（3）把信号进行抬高，使其中心位于1.65 V 左右，波形范围在0～3.3 V 内；

（4）然后用单片机对信号进行取样，然后进行FFT 变换，可得出此信号的频谱。

（5）使用显示屏屏完成对实验结果的显示。

测量谐波的幅值和频率， 基波频率为50～200 Hz，谐波测量不超过1 kHz。 利用单片机对采样信号进行FFT 傅里叶变换，ADC 采样频率fs=2 kHz, 采样点个数为1 024，频率分辨率为A=fs/1 024≈2 Hz。通过比较频域上各点最大幅值，确定基波频率，进而得到各个谐波频率下的幅值。 Fourier analysis 公式，如式（5）所示。

谐波幅值可由FFT 傅里叶分析得出，单片机通过计算得到基波振幅和各次谐波振幅具体数据。

2 系统硬件设计

通过NE5532 型运算放大器、开关二极管以及电容组成采样调理电路， 对电路进行电流信号进行提取，调理电路如2 所示。 其输出电压经由A/D 转换器送至单片机，经过单片机处理获取峰峰电压值。

本电路由集成运放OP07 芯片与负载组成， 输入电压+5V。 电阻流压转换器的作用是通过集成运放OP07 芯片将电流信号转换为电压信号， 变为电压信号之后将其传送STM32 单片机，STM32 单片机直接的采样。OP07 具有非常低的失调压，不需要额外的调零措施，在检测小信号是效果出色。 如图3 所示。

图2 调理电路

图3 流压转换

电流穿过电流传感器线圈后，会在电流传感器线圈处产生磁场，而交流电流会使磁场产生变化并在线圈中产生感应电场从而引发电流传感器中产生电流。因为磁动势平衡，所以电流传感器中的电流为定值且有关系，如式（6）所示。

式中，N1为干路电流穿过电流传感器的匝数，N2为电流传感器匝数。 因为I/V 变换器输出电压与传感器电流成正比，如式（7）所示。

金属线圈：∮=0.25 mm，N=500，锰锌磁环外径：2.7 cm， 锰锌磁环厚度：1 cm， 锰锌磁环内径:1.3 cm。制作成品如图4 所示。

图4 互感线圈

3 系统软件设计

系统使用STM32 内置AD 进行采集数据，对其进行FFT 变换，分析得到信号频率及幅值信息，最后通过LCD 显示出来。

（1）设置初始化接口；

（2）显示部分：显示键功能、相应的请求；

（3）信号检测：将检测到的电流信号进行信号处理；

（4）峰峰值电流范围10 mA 至1 A。

功能函数具有处理电压、电流信号功能。 流程图图如图5 所示。

图5 系统软件流程图

4 实验结果分析

为验证系统设计性能，进行了对应实验。 输入信号的频率、幅度的影响，这两者都属于变量，故采用控制变量法进行结果测量；使用示波器观察电流信号有无明显失真。

当正弦信号频率为50 Hz 至1 kHz 时，测量流过10 Ω 负载电阻的电流峰峰值，观察波形；

信号的幅度不变，改变输入信号频率，记录数据；

信号的频率不变，改变输入信号幅度，记录数据；

非正弦信号基波频率范围为50～200 Hz，测量基波频率和各次谐波分量的幅度，并记录数据。

实验1：分别设置输入信号的频率为50 Hz、500 Hz、1 kHz，测量流过10 Ω 负载电阻电流峰峰值，并用双踪示波器观察输出信号的波形。 测试结果如表1 所示，输出电流峰峰值大于1 A。

表1 不同频率下的电流峰峰值

实验2：控制输入信号的幅度不变，改变频率测量。 分别设置输入信号幅度峰峰值为100 mA、5 V、10 V，改变频率进行测量。 测试结果如表2、表3、表4所示。电流测量精度性能优于5%，频率测量精度性能优于1%。

实验3：控制输入信号的频率不变，改变幅度测量。 分别设置输入信号频率为50 Hz、500 Hz、1 kHz，改变幅度进行测量。 测试结果如表5、6、7 所示。 电流测量精度优于5%，频率测量精度优于1%。

表2 频率对测量结果的影响（Vpp=100mVpp）

表3 频率对测量结果的影响（Vpp=5Vpp）

表4 频率对测量结果的影响（Vpp=10Vpp）

实验4： 非正弦电流信号的基波频率以及基波和各次谐波分量的幅度测试。 测量结果如表8 所示。 频率测量精度大于1%，电流谐波测量频率低于1 kHz，测量精度优于5%。

5 结语

基于STM32 实现了，电流检测误差小于5%，频率小于1%；非正弦信号时，基波频率范围为50～200 Hz，检测电流信号基波频率，频率测量精度大于1%；测量各次谐波分量的幅度，检测电流谐波频率低于1 kHz，测量精度高于5%。 最终通过实验证明了系统设计的可行性。

表5 幅度对测量结果的影响（f=50 Hz）

表6 幅度对测量结果的影响（f=500 Hz）

表7 幅度对测量结果的影响（f=1 kHz）

表8 基波及各次谐波分量的幅度（f=50 Hz，Vpp=10V）