寬頻電流信號檢測研究

王全周 王 林

（1.萊福終端智能<鹽城>科技有限責(zé)任公司，江蘇 鹽城 224003；2.鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224001）

0 引言

電流信號反映生活中各類電子設(shè)備、器件的運(yùn)作狀況，對電流信號檢測，可分析設(shè)備的狀況及用戶狀況，電流信號檢測裝置在通信電源系統(tǒng)，建筑智能化系統(tǒng)等中被迫切需要。 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，檢測電流信號的檢測手段不斷增加，測量范圍不斷擴(kuò)大，精度也隨之提高，并出現(xiàn)了諸如鉗形表之類的手持式測量設(shè)備。 本文通過應(yīng)用STM32 單片機(jī)設(shè)計(jì)電流信號檢測電路，實(shí)現(xiàn)對電流信號的非接觸式測量。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

1 系統(tǒng)理論分析

1.1 互感器設(shè)計(jì)

為了滿足10 mA 至1 A 測量電流的范圍及精度，感應(yīng)線圈需要增大互感系數(shù)，改善小信號的檢測靈敏度。互感系數(shù)取決于線圈匝數(shù)，磁芯材料和尺寸，線徑纏繞方法等。 但磁導(dǎo)率過高，匝數(shù)過大，導(dǎo)致線圈飽和。設(shè)計(jì)時(shí)要確保待測信號動態(tài)范圍內(nèi)感應(yīng)電流波形不出現(xiàn)失真。

圖1 系統(tǒng)框圖

由安培環(huán)路定理可知，如式（1）所示。

線圈中的感應(yīng)電動勢，如式（2）所示。

式中，N 為線圈匝數(shù)，S 為線圈截面積，μ 為磁環(huán)磁導(dǎo)率，R 為線圈半徑。

由式（2）可以看出，增大線圈直徑可以減小線圈內(nèi)阻，增大磁導(dǎo)率，增大線圈的截面積，適當(dāng)減小線圈半徑，可以提高檢測靈敏度，避免線圈飽和。

電流傳感器由一次線圈， 二次線圈和磁芯組成，次線圈連接在主電路中從磁環(huán)內(nèi)通過（線圈匝數(shù)N1=1，電流為I1），二次線圈為錳芯磁環(huán)上繞制的漆包線匝數(shù)為N2， 電流為I2， 電流互感器的變流比， 如式（3）、（4）所示。

放大電路由差分放大電路， 雙運(yùn)放差分轉(zhuǎn)單端電路，反相加偏置運(yùn)算電路組成。 差分放大電路兩端增益高度對稱，確保其共模量干擾小；反相偏置運(yùn)算電路，保證整個(gè)無失真的信號在采樣要求輸入范圍內(nèi)。

1.2 諧波含量測量

對于諧波測量，由于其頻率范圍太多，無法采用濾波電路完成對其的測量，因此，需取樣后通過傅里葉變換，計(jì)算出各次諧波的頻率及幅度。 由于單片機(jī)只能接入正電壓，因此也需要一個(gè)電路對信號進(jìn)行抬高。 對于抬高以后的電路，它的傅里葉變換增加了一個(gè)直流分量，只需要減去此分量，即可完成測量任務(wù)。因此，對于諧波的頻率和幅度的測量，通過FFT 的方法進(jìn)行測量，其測量方法如下：

（1）利用電流傳感器將信號傳遞到檢測裝置；

（2）通過外部電路對其進(jìn)行放大，并用低通濾波器消除啊外界的干擾；

（3）把信號進(jìn)行抬高，使其中心位于1.65 V 左右，波形范圍在0～3.3 V 內(nèi)；

（4）然后用單片機(jī)對信號進(jìn)行取樣，然后進(jìn)行FFT 變換，可得出此信號的頻譜。

（5）使用顯示屏屏完成對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示。

測量諧波的幅值和頻率， 基波頻率為50～200 Hz，諧波測量不超過1 kHz。 利用單片機(jī)對采樣信號進(jìn)行FFT 傅里葉變換，ADC 采樣頻率fs=2 kHz, 采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為1 024，頻率分辨率為A=fs/1 024≈2 Hz。通過比較頻域上各點(diǎn)最大幅值，確定基波頻率，進(jìn)而得到各個(gè)諧波頻率下的幅值。 Fourier analysis 公式，如式（5）所示。

諧波幅值可由FFT 傅里葉分析得出，單片機(jī)通過計(jì)算得到基波振幅和各次諧波振幅具體數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過NE5532 型運(yùn)算放大器、開關(guān)二極管以及電容組成采樣調(diào)理電路， 對電路進(jìn)行電流信號進(jìn)行提取，調(diào)理電路如2 所示。 其輸出電壓經(jīng)由A/D 轉(zhuǎn)換器送至單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理獲取峰峰電壓值。

本電路由集成運(yùn)放OP07 芯片與負(fù)載組成， 輸入電壓+5V。 電阻流壓轉(zhuǎn)換器的作用是通過集成運(yùn)放OP07 芯片將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號， 變?yōu)殡妷盒盘栔髮⑵鋫魉蚐TM32 單片機(jī)，STM32 單片機(jī)直接的采樣。OP07 具有非常低的失調(diào)壓，不需要額外的調(diào)零措施，在檢測小信號是效果出色。 如圖3 所示。

圖2 調(diào)理電路

圖3 流壓轉(zhuǎn)換

電流穿過電流傳感器線圈后，會在電流傳感器線圈處產(chǎn)生磁場，而交流電流會使磁場產(chǎn)生變化并在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電場從而引發(fā)電流傳感器中產(chǎn)生電流。因?yàn)榇艅觿萜胶猓噪娏鱾鞲衅髦械碾娏鳛槎ㄖ登矣嘘P(guān)系，如式（6）所示。

式中，N1為干路電流穿過電流傳感器的匝數(shù)，N2為電流傳感器匝數(shù)。 因?yàn)镮/V 變換器輸出電壓與傳感器電流成正比，如式（7）所示。

金屬線圈：∮=0.25 mm，N=500，錳鋅磁環(huán)外徑：2.7 cm， 錳鋅磁環(huán)厚度：1 cm， 錳鋅磁環(huán)內(nèi)徑:1.3 cm。制作成品如圖4 所示。

圖4 互感線圈

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用STM32 內(nèi)置AD 進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行FFT 變換，分析得到信號頻率及幅值信息，最后通過LCD 顯示出來。

（1）設(shè)置初始化接口；

（2）顯示部分：顯示鍵功能、相應(yīng)的請求；

（3）信號檢測：將檢測到的電流信號進(jìn)行信號處理；

（4）峰峰值電流范圍10 mA 至1 A。

功能函數(shù)具有處理電壓、電流信號功能。 流程圖圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能，進(jìn)行了對應(yīng)實(shí)驗(yàn)。 輸入信號的頻率、幅度的影響，這兩者都屬于變量，故采用控制變量法進(jìn)行結(jié)果測量；使用示波器觀察電流信號有無明顯失真。

當(dāng)正弦信號頻率為50 Hz 至1 kHz 時(shí)，測量流過10 Ω 負(fù)載電阻的電流峰峰值，觀察波形；

信號的幅度不變，改變輸入信號頻率，記錄數(shù)據(jù)；

信號的頻率不變，改變輸入信號幅度，記錄數(shù)據(jù)；

非正弦信號基波頻率范圍為50～200 Hz，測量基波頻率和各次諧波分量的幅度，并記錄數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)1：分別設(shè)置輸入信號的頻率為50 Hz、500 Hz、1 kHz，測量流過10 Ω 負(fù)載電阻電流峰峰值，并用雙蹤示波器觀察輸出信號的波形。 測試結(jié)果如表1 所示，輸出電流峰峰值大于1 A。

表1 不同頻率下的電流峰峰值

實(shí)驗(yàn)2：控制輸入信號的幅度不變，改變頻率測量。 分別設(shè)置輸入信號幅度峰峰值為100 mA、5 V、10 V，改變頻率進(jìn)行測量。 測試結(jié)果如表2、表3、表4所示。電流測量精度性能優(yōu)于5%，頻率測量精度性能優(yōu)于1%。

實(shí)驗(yàn)3：控制輸入信號的頻率不變，改變幅度測量。 分別設(shè)置輸入信號頻率為50 Hz、500 Hz、1 kHz，改變幅度進(jìn)行測量。 測試結(jié)果如表5、6、7 所示。 電流測量精度優(yōu)于5%，頻率測量精度優(yōu)于1%。

表2 頻率對測量結(jié)果的影響（Vpp=100mVpp）

表3 頻率對測量結(jié)果的影響（Vpp=5Vpp）

表4 頻率對測量結(jié)果的影響（Vpp=10Vpp）

實(shí)驗(yàn)4： 非正弦電流信號的基波頻率以及基波和各次諧波分量的幅度測試。 測量結(jié)果如表8 所示。 頻率測量精度大于1%，電流諧波測量頻率低于1 kHz，測量精度優(yōu)于5%。

5 結(jié)語

基于STM32 實(shí)現(xiàn)了，電流檢測誤差小于5%，頻率小于1%；非正弦信號時(shí)，基波頻率范圍為50～200 Hz，檢測電流信號基波頻率，頻率測量精度大于1%；測量各次諧波分量的幅度，檢測電流諧波頻率低于1 kHz，測量精度高于5%。 最終通過實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

表5 幅度對測量結(jié)果的影響（f=50 Hz）

表6 幅度對測量結(jié)果的影響（f=500 Hz）

表7 幅度對測量結(jié)果的影響（f=1 kHz）

表8 基波及各次諧波分量的幅度（f=50 Hz，Vpp=10V）