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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
作品图片（忽略我花（feng）哨（sao）的连线）：
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。 系统整体方案框图：
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。
2.2 测量与校验
2.3 采样分析
题目要求测量频率最大为 1KHz，最低频率为 50Hz。根据奈奎斯特采样定理可知：采样频率至少应为被采样信号最高频率的 2 倍，即 2KHz。这里使用 4096Hz的采样率进行采样，方便后续的计算处理。
2.4 FFT 谐波分析
波形信号的采样率为 4096Hz，对其进行 4096 点的 FFT 变换。此处题目要求的频率最大为 200Hz，理论可以测量到出的谐波分量最大可以达到 20 次，远超题目要求。此时得到的频谱最小可以分辨 1Hz 的频率。
2.5 频率测量分析
MCU 最高工作主频 216MHz，定时器最高可以以 108MHz 的频率计数，题目要求的频率范围为 50Hz-1KHz，可以满足要求，故采用定时器测量周期长度的方式进行测量。
软件设计： 3.2 软件设计方案
在软件设计的过程中，频率测量、程控放大和频谱计算是核心的内容。
3.2.1 频率测量
使用定时器的输入捕获功能，在引脚捕获到一个上升沿的时候，打开定时器，以一定频率开始计数，计到下一个上升沿来到，将计数器里的值读出，同时恢复到初始设置，准备下一次的频率测量 3.2.2 程控放大
程控放大器的控制比较简单，使用 IO 口发送特定的脉冲信号就可以控制，但是实际测试时发现当电压信号位于两个放大倍数中间的时候，会出现放大倍数来回跳变的现象。对此，借鉴模拟电压比较器中设置滞回阈值的方案，在软件中，加入滞回效果，消除了这种现象。
3 .2.3 频谱计算
采集到 4096 点的数据之后，需要对其进行 FFT 运算，由于此运算的算法要求高，而且自己写出的 FFT 算法执行效率低。所以采用 ARM 提供的 DSP 库中的现有 FFT 算法进行计算，算法的接口简单，二阶执行效率较高，经过测试，进行一次 FFT 变换同时将结果转化为幅度谱所需时间约为 3.7ms。 功率放大电路：
以上是关于作品功能实现相关的内容，关于电赛备赛期间和比赛时已经测试时的内容，可以看下我的另一篇博客：2018年TI杯电子设计竞赛感悟
作品报告：
2018年天津市TI杯电子设计竞赛A题设计报告.pdf
(760.73 KB, 下载次数: 284)
F767程序：
F767-HAL-Code.zip
(126.33 KB, 下载次数: 122)
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