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电流信号检测装置设计

范文

张浩

摘要：本设计是一个电流信号检测装置，以电流检测电路为主拓扑结构，以STM32F103单片机为数据采集核心，协调各个模块工作以实现相应功能。

设计分为功率放大电路、电流检测电路、控制电路、电流电压采样电路。随机波信号发生器产生的信号经过由LM1875TD构成的放大电路处理后，通过导线和电阻负载连接起来，产生一个环路形电流，通过LM358构成的电路将正弦波转化成方波、利用STM32F103RCT6的输入捕获模式测量并显示频率，利用AD转换模式测量电流峰峰值。

本设计电流信号检测装置采用非接触式电流测量方式和高精度电流检测放大器，相比于其他测量方式能够实现无损测量电流、与线电压隔离、大信号电压能够很好地抵御噪声，且电路分模块进行工作，实现最优检测。

关键词：LM358P;LMl875T;STM32F103RCT6;频率

中图文分类号：TN80 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）14-0265-02

伴随科技的迅速发展，电路在日常生活中的运用也愈来愈频繁，电流信号作为电路中的主要指标之一，对电流信号的检测标准也越来越高。本设计设计一个电流信号检测装置，检测频率范围在50Hz-lkHz，导线绕制线圈作为电信号波形传感器。采用完全无接触式电信号检测装置，将环路电流的参数进行显示，参数包括其频率、幅度。

1方案设计

1.1系统基本方案

本设计的整体思路如下：随机波信号产生器生成的信号经过功率放大电路后，处理成了更大的电流，功率放大电路由LMl875T构成。使用导线和电阻负载连接，产生一个环路形电流。捕获过程为线圈中的感应电流、经过检测电流电路中LM1875T模块，将输入的正弦波转化为方波，再通过STM32F103RCT6单片机检测TIMx_CHx引脚上的信号，当检测到信号发生突变时（例如從下降沿突变为上升沿），将此时定时器中存储的值（TIMx_CNT）存储到与之相对应通道的捕获和比较寄存器（TIMx_CCRx）中。多次捕获后求其平均值，从而实现电流信号的频率测量及显示。同时，输入的正弦波经过分压电路，经由STM32F103RCT6内置ADC模块，将模拟信号转化成数字信号，从而实现电流信号峰峰值的检测与显示。整体框图见图1。

1.2功率放大电路模块

本设计采用LMl875T单电源供电功率放大电路。LMl875单电源时，R1和R2用于分压，偏置电压取为VCC的一半，R3和1引脚连接，使输出电压在VCC电压的一半上下变化，这样得到的动态范围是最大的。由1875，C04，R26，R05等组成，电路放大倍数取决于两个电阻负载之间的比值。C04的作用是用来抑制LMl875T的第4脚在工作过程中产生的误差（引脚直流漂移）。放大器会产生低频自激，为了防止这种误差的产生加入R06、C07。T0-220封装结构的LMl875T，外形像一只功率管，体积相比来说很小，并且其外围电路组成很简单，输出功率较大。电路内设置了安全保护工作。原理图见图2所示嘲。

1.3电流检测分析电路模块

1.3.1电流信号峰峰值检测

本设计考虑到程序应比较简单，精度应比较高，用STM32F103RCT6内置ADC模块，将模拟信号转化成数字信号，测试并记录不同频率下的电压值，计算出电压与电流的比例关系，用电压乘以比列系数得到电流信号的峰峰值。电流检测电路是用来检测压机供电电流的。保护压机不致在电流异常时，而损坏压机。采用集成运算放大器进行电流检测电路。

1.3.2电流信号频率检测模块

从操作方便，原理简单方面考虑，采用通过LM358构成的电路将正弦波转化成方波，利用STM32F103RCT6捕获方波信号的上升沿并定时，测量多组数据求其平均值，并显示。

电路如下图3所示。

2理论分析与计算

2.1电流测量电路分析与计算

LM358P是双运放电路，可以放大电压或电流或经行转换、细密整流等。交流电源使整流二极管在导通和停止之间来回切换。在这种周期性的电流变化作用下，负载将会获得脉冲直流电。在电源的作用下，二极管导通时负载上的电流波形与电压波形形状一致;二极管处于反向停止状态时，负载电压几近为零。计算LM358的放大倍数的方法与其他通用运放一样，主要由反馈电阻来决定的，反相比例运算电路：Av=-uo/ui=-Rf/R。

2.2谐波分量测量电路分析与计算

根据傅里叶级数展开原理，每个具有一定周期的函数都能用正弦和余弦函数来表示。函数能够展开成为相同周期的两项之和。

一个具有周期的函数f（t）在连续点处可以用以下正余弦函数组合表示，但前提是必须满足狄里赫利条件，如下所示：

基波的幅值为c1，n次谐波的幅值表示为cn，一次谐波幅值也能表示为c1。aO/2也能被表示为0次谐波幅值。

谐波的频率必然也等于基波的频率的整数倍，三次谐波即为基波的三倍，五次谐波即为五倍，以此类推。无论是几次谐波，全是正弦波。

3程序设计

3.1程序设计流程图

在编写此程序过程中，合理的运用了中断和定时器程序，程序在运行中防止出现在中断时进行其他任务，保证程序稳定运行。LM358P初始化后启动ADC模块，ADC模块转换结果经过扩大和运算后通过液晶显示器显示出来，程序设计流程图如图4所示。

4结束语

电流信号检测装置广泛应用于电力系统，大规模集成电路领域以及其他领域的参数识别、设备检测等方面。本设计的电流信号检测装置满足设计要求，具有较好的检测效果。

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