湖北省一等奖-A题

Tong

电流信号检测装置
摘要：本系统以FPGA为数据处理和控制核心，基于电磁感应原理，设计并实现了非接触式传感的电流信号检测分析装置。信号发生器产生的信号经过功率放大器后经导线接10Ώ电阻负载形成电流环路。环路电流通过互感磁性线圈的传递后，转化为电压信号并由精密运算放大器进行放大后，ADS8505将其转化为数字信号，供FPGA进行FFT转换分析，得出信号的频率及幅值并显示。
关键词：功率放大；电流互感线圈；FFT
 

一、        系统方案
（一）比较与选择
1. 功率放大器方案比较与选择
方案一：采用OPA1611及二极管、三极管等搭建的甲乙类功率放大器。使用分立元件搭建的功放电路具有输出电流大，工作电压范围较宽，电路增益低，而引入的反馈小，瞬态失真小等优点。但是由于半导体器件的性能参数的分散性以及需要对温度的敏感性的精确计算，分立元件调试比较困难，而且元件不容易筛选，工作点调试要求比较高，布线不合理易引入噪声。
方案二：采用集成芯片LM1875。LM1875可提供高达30瓦的输出功率，有完善的过载保护功能，并在高输出时也能实现极低的失真水平，且由LM1875搭建的功率放大电路搭建及调试较简单。。
综上所述，考虑到调试的难度以及电路的可靠性，最终采用方案二。
2. 采样电路及AD芯片方案比较与选择
方案一：采用高速AD转换器TLC5510。TLC5510是采用ＣＭＯＳ工艺制造的８位高阻抗并行Ａ／Ｄ芯片，最小采样率高，功耗低。但本设计中测量的信号峰峰值为10mA-1A,8位A/D不满足题目要求的5%误差要求。
方案二：采用16位高速AD转换器ADS8505。ADS8505的采样率高，其输入信号的满偏电压幅值为±5V，16位数据位满足题目的精度要求。ADS8505还具有功耗低，外围电路设计简单的优点。
综合考虑准确度、稳定性、电路复杂程度等因素，本系统采用方案二。
3. 滤波器设计方案比较与论证
方案一：巴特沃斯型滤波器。巴特沃斯滤波器在通频带内的频率响应最平坦，并具备合 适的衰减陡度和令人满意的瞬态特性（冲激响应和阶跃响应）。同时过渡带的衰减陡度与滤波器的阶数相关，阶数越高衰减陡度越大。为了提高滤波器的选择性以及同时为了将精确度均匀分布在通带内，采用五阶的巴特沃斯性滤波器效果较好。
方案二：切比雪夫型滤波器。切比雪夫型滤波器在过渡带中具有很快的衰减，但是频率响应的幅频特性不如巴特沃斯滤波器平坦，在通频带内存在幅度波动。题目要求中需要在50Hz到1kHz完全无失真传输，即50Hz到1kHz要保证通带的平坦，同时滤波器的截至频率要大于1kHz才能保证50Hz到1kHz的幅度接近不变，切比雪夫滤波器由于纹波的存在，不能达到要求。
综上所述，考虑到50Hz到1kHz的幅频特性，最终选择方案一。
（二）方案描述
本系统通过任意信号发生源产生信号后经过功率放大器后在10Ώ的功率电阻上产生大于1A的电流。环路电流通过电流传感器，信号接入到电流检测电路中，经过放大器后滤波器滤除高频噪声后。。用 TI 高速 ADC 芯片 ADS8505 对低通滤波器之后的信号进行采样，并将测量结果显示 在对应的频点。





图1.1 系统总体框图
二、理论分析与计算
（一） 衰减网络与功率放大器分析与计算
系统要求功率444器的输出。当信号发生器输出的信号峰峰值较小时，信号信噪比低，故在功率放大器前加π型衰减网络，提高输入信号的信噪比。由于衰减网络的引入，功率放大器的增益要求较大。同时因为10Ώ的电阻上所经过的电流大于1A,同时功率放大器在50Hz-1kHz时电流信号无失真，因此要求功率放大器的输出功率在5W以上，并且功率放大器的宽功率带宽大于1kHz，同时要具有高增益以及极低的失真水平的特性。
                                    （2.1）
LM1875是单芯片功率放大器，输出增益可调，对该功率放大器输出与输入的增益公式：
                                     （2.2）
（二） 滤波器参数分析与计算
在本系统中，低通滤波器的的截止频率和通带平坦度等指标至关重要，直接影响系统的最终性能。为了保证50Hz到1kHz的平坦度，本系统滤波器的截止频率为2kHz，因此需要设置衰减较快的巴特沃斯滤波器。经过仿真与计算5阶的滤波器能够满足要求。
（三）电流传感器分析与计算
电流传感器的基本原理是利用电磁感应电理论，利用锰磁芯中的磁通量变化，传递能量。原线圈是用粗导线构成，电流匝数为一电流为I1通过电流传感器，副线
圈的匝数为N2电流为I2，电流满足以下关系：

                        （2.3）                        
三、电路与程序设计
（一）电路设计
1．巴特沃斯低通滤波器
有源滤波器采用高压摆率、稳定的单位增益的低噪声高精度宽带宽运放OPA227，实现单位增益的低通滤波器，截止频率为2k。







图3.1 低通滤波器
2.A/D转化模块











图3.2 A/D转换电路
3.功率放大模块












图3.3 功率放大器电路
（二）程序设计
本系统基于FPGA进行分析和处理数据，以4.096KHZ的采样率，使用芯片ADS8505将电压信号采入FPGA中，运用FIFO（）模块进行数据缓存，将数据传入FFT（快速傅里叶变换）模块，得到的频谱信息写入RAM中，再通过NISOII分析和处理频谱信息，在液晶屏上显示信息。若按键选择测量正弦波，则显示正弦波的频率和当前电流幅值，其测量频率精度优于1%，电流测量精度优于5%。若按键选择测量非正弦波，则显示非正弦波的基波及各个小于1KHZ谐波分量的频率和电流幅值，其谐波分量的频率测量精度优于5%。










四、测试方案与测试结果
（一） 测试仪器
测试仪器如表1所示。
表4.1 测试仪器及型号
仪器名称        型号
直流稳压稳流电源        RIGOL DP832
60MHz双通道数字示波器        Tektronix TDS 1002
160M双通道函数发生器        RIGOL DG4162
20kHz~1000MHz毫伏表        SH2270
万用表        Agilent Technologies U3402A
（二） 测试方案与结果
1. 电流信号无失真传输
采用函数发生器产生频率范围为50Hz到1kHz的正弦信号，在经过功率放大器后测量10Ώ电阻的电流，通过测量10Ώ电阻两端的电压来测量电流峰峰值以及观察是否失真。
表4.2 电流无失真传输测试表
输入信号频率（Hz）        输入信号幅度（V）        电阻两端电压（V）        电流Ip-p（A）        信噪比（dB）
50                               
100                               
200                               
400                               
600                               
800                               
1000                               
2．测量电流大小以及频率测试
环路电流经过电流传感器后进入分析电路，经过FPGA后显示在显示屏上。
             （4.1）   

              （4.2）

表4.3 正弦波电流幅度测试表（f=  Hz）
电流        设置电流I1（A）        0.01        0.05        0.1        0.2        0.4        0.6        0.8        1
        实际电流I2（A）                                                               
        精度▽1                                                               


表4.4 正弦波频率测试表（I=  A）
频率        设置频率F1（Hz）        50        100        200        300         400        600        800        1000
        实际频率F2(Hz)                                                               
        精度▽2                                                               

3. 非正弦波的基频以及谐波频率和幅度测试
表4.5 非正弦波电流幅值频率测试表
        基波        一次谐波        二次谐波        三次谐波        四次谐波        五次谐波
实际频率                                               
测量频率                                               
实际幅度                                               
测量幅度                                               

4.   测试
（三）测试结果分析

本系统较好的完成了题目的基本要求和发挥部分，各项指标均满足要求。
五、系统分析与总结

 
附录Ⅰ补充电路图

图一 D/A转换电路

图2 功率放大器

图3 电流感应电路

图4 2kHz五阶巴特沃斯滤波器
附录Ⅱ补充测试表

表1 正弦波电流幅度测试表（f=  Hz）
电流        设置电流I1（A）        0.01        0.05        0.1        0.2        0.4        0.6        0.8        1
        实际电流I2（A）                                                               
        精度▽1                                                               


表2正弦波频率测试表（I=  A）
频率        设置频率F1（Hz）        50        100        200        300         400        600        800        1000
        实际频率F2(Hz)                                                               
        精度▽2                                                               


图3非正弦波电流幅值频率测试表
实际频率                                               
测量频率                                               
实际幅度                                               
测量幅度                                               

之所以

大佬啊，没有电路原理图嘛？

bluesky

同求电路原理图！