一種瞬態大電流測量電路設計

崔紅明，邵光鵬

（中國船舶集團有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

0 引 言

分析發電機的三相突然短路過程，由于超瞬變過程的過渡時間極短，只有零點幾秒，瞬變過程的過渡時間也只有一點幾秒，而發電機的短路電流又比較大，在較短的時間內超瞬變分量的衰減很快，如果采用電流互感器或電流傳感器來對三相突然短路的電流進行測量，那么其中的電感分量將會對測量結果造成很大的影響。而分流器作為一個純電阻元件，在三相突然短路電流的測量中具有不可替代的作用。據此，本文設計了一種基于分流器的瞬態大電流測量電路，該電路具有較好的抗干擾性能，能夠很好地抑制采集與傳輸過程中外界的強電磁干擾，大大提高了分流器的測量精度。

1 硬件總體結構

整體硬件結構如圖1所示。由圖1可以看出，硬件部分由信號調理電路、模擬/數字（Analog/Digital，A/D）轉換電路、中央處理單元以及WiFi傳輸模塊電路4個部分組成。其中，分流器上的電壓信號依次經過隔離放大電路、濾波電路、求和電路、單端變差分電路以及A/D轉換電路，然后以并行總線形式進入微處理器，經過處理后以數據幀的形式由WiFi模塊電路進行發送。

圖1 硬件結構

2 信號調理電路硬件實現

由于分流器輸出信號為75 mV電壓信號，不能滿足A/D轉換器的輸入要求，因此需要用到信號調理電路處理分流器上輸出的電壓信號。結合A/D轉換器的輸入信號范圍及分流器上電壓信號的范圍，信號調理電路主要完成隔離放大、濾波、增益調節以及單端信號轉差分信號等環節[1]。

3 A/D轉換電路

A/D轉換器是模擬信號測量中必不可少的器件，它直接影響著三相突然短路電流信號的測量精度。本設計電路中選用AD7677型高速16位A/D轉換器，模塊設計如圖2所示[2]。

圖2 A/D轉換電路

4 微處理電路

選用STM32芯片中的STM32F103VET6作為核心控制芯片，首先可以控制A/D采集器對前端信號進行數據采集，并且對采集的速度及數據處理能力要求較高，其次可以對采集到的數據進行分幀、打包等處理，最后可以控制WiFi模塊與個人計算機（Personal Computer，PC）通信，發送采集到的數據[3,4]。

5 WiFi模塊電路

數據傳輸電路部分采用了單片機控制WiFi模塊創建一個Ad-Hoc網絡，對數據進行傳輸[5]。WiFi模塊選用WM-G-MR-09，其電路原理如圖3所示。

圖3 WiFi模塊電路設計

6 PCB設計及試驗結果分析

采用模擬電路與數字電路分開設計、集中調試的方法，PCB電路板如圖4所示。

圖4 電路板

選用MFG-3000系列的直接數字合成（Direct Digital Synthesis，DDS）函數信號發生器MFG-3060，可以精確設定輸出電壓信號的類型、幅值和頻率。將信號發送器與本文所設計的測量電路相連接，接通電源后連接上PC機。則模擬量測量試驗工作臺如圖5所示。

圖5 模擬量測量實驗工作臺

選擇正弦波作為模擬測量信號。每次測量時，改變信號源輸出正弦波的頻率和峰峰值，輸出頻率依次設定為50 Hz和100 Hz，每個頻點調整輸出峰峰值為100 mV和200 mV，來測試電路的測量精度。通過測得的數值與輸入的波形進行對比分析，其結果如表1所示。

表1 測量結果對比

7 結 論

在模擬信號測量實驗中，使用測量系統對信號源輸出的標準信號進行測量，得到了測量系統對于不同頻率和幅值信號的測量誤差。實驗表明，所設計的電流測量電路可以完成數據的測量和傳輸，達到了設計的要求和功能指標。