摘要
本套电流信号检测装置,可将任意波形信号发生器产生的信号,利用 LM1875
功率放大器对其进行放大,从而实现在 10Ω 的电阻获得 10V 的电压峰峰值。电
流传感器使用锰芯磁环和漆包线绕制而成,利用电流互感的原理来获取电流信号,
通过接入电阻的方式将电流信号转换成电压信号。之后使用前级放大器对其放大,
接着使用程控放大器再次进行放大,MCU 根据前级电路的电压峰值动态调整程控
放大器的增益,从而实现了大量程的电流测量,比较器将任意波形信号转换成方
波信号,输入给 MCU 进行频率的测量,ADC 实时采集电压波形并进行 FFT 运算,
得到波形的频谱信息。最后使用 LCD 显示屏将电流信号的频率和峰峰值等信息显
示出来。
关键词:电流检测、FFT、功率放大、自动量程
目录
一、系统方案设计 ..............................................................................................................................................3
1.1 方案比较与选择 ...................................................................................................................................3
1.1.1 功率放大器 ...............................................................................................................................3
1.1.2 电流检测电路方案 .................................................................................................................3
1.1.3 MCU 选择 ..................................................................................................................................3
1.2 系统整体结构 .......................................................................................................................................4
二、理论分析与计算 ..........................................................................................................................................4
2.1 数学分析 .......................................................................................................................................4
2.2 测量与校验 ...................................................................................................................................5
2.3 采样分析 .......................................................................................................................................5
2.4 FFT 谐波分析 ...............................................................................................................................5
2.5 频率测量分析 ..............................................................................................................................5
三、软件设计 .......................................................................................................................................................6
3.1 软件流程 .......................................................................................................................................6
3.2 软件设计方案 ..............................................................................................................................6
3.2.1 频率测量...........................................................................................................................6
3.2.2 程控放大...........................................................................................................................6
3.2.3 频谱计算...........................................................................................................................7
四、硬件设计 .......................................................................................................................................................7
4.1 功率放大电路 ..............................................................................................................................7
4.2 前级放大器 ...................................................................................................................................7
4.3 滤波器电路 ...................................................................................................................................8
4.4 程控放大器电路 .........................................................................................................................8
4.5 峰值检测电路 ..............................................................................................................................8
4.6 比较器电路 ...................................................................................................................................9
五、系统测试 .......................................................................................................................................................9
5.1 测试方案 .......................................................................................................................................9
5.2 测试仪器 .................................................................................................................................... 10
5.3 测试结果 .................................................................................................................................... 10
六、结束语 ......................................................................................................................................................... 11
七、附录 .............................................................................................................................................................. 12
附录一、LCD 显示电压峰值表格 ...................................................................................................... 12
附录二、主程序 ....................................................................................................................................... 12
一、系统方案设计
1.1 方案比较与选择
1.1.1 功率放大器
方案一:使用分立电子元件自行搭建,优点是频率特性比较好,输出功率可
以做得很大,但缺点是电路比较复杂,设计起来比较麻烦,有可能会产生波形的
失真。
方案二:使用集成功率放大芯片 LM1875,LM1875 是 TI 公司生产的 20W 功率
放大器,可以单电源供电,而且供电范围较宽。外围电路比较简单,输出功率完
全满足题目的要求。
故采用方案二。
1.1.2 电流检测电路方案
方案一:使用线圈获取电流信号,转换成电压信号后,进行初级放大,之后
使用继电器切换接入的后级放大器,来实现量程的转换,使得小信号和大信号都
能被放大到一个合适的范围。但是继电器产生的电磁效应会干扰感应线圈中的信
号,导致测量出现问题。
方案二:获得电压信号并初级放大之后,使用峰值检测电路检测信号大小,
同时将信号输入至程控放大器中,由 MCU 获得的峰值来确定程控放大器的放大倍
数,实现了量程的自动选择。缺点是程序有些复杂,量程切换的阈值不好确定。
综合考虑,选用方案二。
1.1.3 MCU 选择
方案一:目前最流行的 MCU 是 STM32F1 系列的芯片,网上的资料也比较丰富。
F103ZET6 具有的片内资源比较多,3 个独立 ADC,每个都有 16 个通道,工作频
率为 72MHz,有充足的 GPIO 端口。
方案二:使用 STM32F767ZIT6,属于 Cortex M7 架构。最高工作主频 216MHz,
同样集成了 3 个独立的 12 位 ADC 等功能,带有双精度浮点运算单元,可以通过
硬件浮点运算单元进行数学运算,速度更快。
由于题目要求对任意波形做频谱分析,F767 做主控芯片,工作频率更高、运
算速度快,可以大大降低单片机做 FFT 变换的时间,提高了系统的实时性与精
确度,所以选择方案二。
1.2 系统整体结构
本系统首先使用 LM1875 功率放大器对输入信号进行 1:1 功率放大,将连接 10Ω电阻的
导线穿过自行绕制的电流互感线圈,在互感器的次级线圈两端便产生了感应电流,接入一个
电阻获取电压信号。此时得到的信号峰峰值在 2mV~200mV 之间,范围比较大,所以使用前
级放大器将信号放大十几倍,之后测量此处信号的峰值,用作判断信号大小的依据。若信号
的幅度较小,MCU 就控制程控放大器调高增益,否则就降低增益。然后就再将程控放大器
输出的信号一路送给加法器,整体抬高后让 MCU 采集,一路送给比较器,得到同频方波测
量频率,另一路送入峰值检测电路,得到波形的峰值。
LM1875功率放
大器
信号源
输入
10Ω
电阻
线圈互感
前级放大器
滤波器
峰值检测
电路
程控放大器
限幅
电路
MCU
加法器 比较器
采集波形
频率检测
峰值检测
电路
二、理论分析与计算
2.1 数学分析
为了提高系统的精度,程控放大器部分使用了 3 种不同的增益对信号进行放
大,将其放大到合适幅度。为了便于对测量得到的数据进行处理,采用线性拟合
的方法,得到采集的信号幅度与实际的电流信号幅度的函数关系。频率使用定时
器测周期时长的方式进行测量,周期 T 的倒数就是频率ƒ。