[A-电流信号检测装置] 辽宁省/大连理工大学/TI杯/潘卓锐_李论_李芬

[复制链接]

1

主题

2

帖子

11

积分

一粒轻沙

Rank: 1

积分
11
查看: 1037回复: 3 发表于 2018-9-10 18:59:06   只看该作者


一、系统方案
本系统硬件部分主要包括主控模块、功率放大模块、放大电路模块、AD采集模块、液晶显示模块。电流互感器由漆包线绕磁环制作而成。任意波形发生器经功放电路驱动并连接负载产生环路电流,利用电磁感应原理,将电流从一次侧感应到二次侧,二次侧电流信号先经过精密电阻转换为电压信号,电压信号经过放大电路进行放大,用16位AD采集电压信息,将数据返回到单片机中,利用单片进行FFT变换,得到信号在频域的信息,经过分析得到信号的幅度及频率,并将这些参数通过LCD显示出来。
1功率放大电路的论证与选择
方案一:使用TDA2030A设计功率放大电路。TDA2030A是常用功率放大芯片,价格便宜,8欧负载时其最大输出功率为16W,题目要求10欧负载电流不小于1A,即10欧负载时至少输出功率10W,使用该方案功率余量太小,舍弃。
方案二:采用LM3886设计功率放大电路。该芯片在额定工作电压下8欧负载时最大输出功率68W,接10欧负载完全能达到10W功率要求。
综合以上两种种方案,选择方案二。
2 主控MCU的论证与选择
方案一:选择89C51单片机控制。单片机简单易操作,但系统机器周期长,外设简单,引脚少,不利于控制复杂的系统。
方案三:选择 STM32F767单片机控制。32位单片机,216MHz主频,内置浮点运算单元,大容量RAM,数字信号处理能力强。
综合以上三种方案,选择方案二。
3 AD采集芯片的论证与选择
方案一:采用ADS1220,ADS1220为精密24位AD转换器,最高采样率为2000次/秒。题目要求待测电流信号的频率为50Hz~1000Hz,结合本系统所用算法,采样率至少为2000次/秒,采样率余量不足,舍弃。
方案二:采用AD7606,AD7606位16位AD转换器,最高采样率200K,完全满足系统设计需求。
        综合以上两种方案,选择方案二。
二、系统理论分析与计算1电流测量方法   本装置利用互感原理实现非接触式电流测量。电流互感器是由闭合的磁环和绕组组成。它的一次绕组匝数很少,串在需要测量的电流的线路中,待测电流由此流过,二次绕组匝数比较多,串接在测量仪表和保护回路中,这样一次侧的大电流信号转换为二次侧的小电流信号,这种方法测量部分与线电压隔离,无损测量电流。由电磁感应原理可知电流互感器一次侧电流I1、二次侧电流I2与一次侧线圈匝数n1、二次侧线圈匝数n2的关系为:
I1/I2=n2/n1
   本系统使用的电流互感器一次侧匝数为1,二次侧匝数为500,则环路电流I1=500I2。
感应线圈串接一个精密电阻,将电流信号转换为电压信号,题目中要求待测正弦信号峰峰值为10mA~1A,环路电流经过匝数比为500的互感器产生电流峰峰值为0.02mA~2mA,串接1K的电阻比较合适,即把信号转换为峰峰值20mV~2V的电压信号。
经实际测量,自制互感器误差在3%范围内,精密电阻误差为0.1%,题目要求电流测量精度优于5%,则其余部分误差小于1.9%。电压信号较小,直接测量没有充分利用到AD的量程,经过放大电路放大后进一步提高精度,而且放大电路起到缓冲作用,保证AD采样转换的准确性,AD转换器在±5V量程下一位二进制数表示的电压1/32768*5V=0.00015V/1LSB,若不经放大直接采集则AD转换误差值:0.00015V/20mV=0.75%;使用电压增益为4.5的放大电路可降低误差,此时AD转换误差为0.17%。放大电路和其余部分误差做到低于1.73%即达到精度要求。根据以上描述,设AD转换值为N,AD采集的值转换为电流信号的峰峰值公式:I(pp)=N/32768*5/4.5/2。
电流信号的频率是通过分析时域信号转换到频域信息得到的。题目要求测量50Hz~1KH的正弦信号频率及幅值,根据采样定理,采样频率打印信号中最高频率的2倍时,采样后的数字信号完整地保留原始信号的信息,即本系统采样频率要大于2K,频率测量精度大于1%,设定2040的采样频率,取4096个点做FFT变换,则误差:2040Hz/4096/50Hz=0.99%,满足题目要求。电流信号的频率即为频域中幅值最大点对应的频率。
2 谐波分量测量方法
       题目要求测量谐波频率不超过1K,测量基波及谐波的频率及幅值。在频域中出现的第一个极大值点即是基波对应的点,谐波的频率是基波频率的整数倍,即在基波频率的整数倍处会出现极大值,将该值转换即得到谐波幅值。
三、 电路与程序设计1电路设计
由于题目中要求测量非正弦信号的基波及谐波,所以采用直接输入的方式输入信号。
功率放大电路图.png
图3.1  功率放大电路图
  自制传感器两端串接1K电阻,将电流信号转换为电压信号,经过运算放大器,由AD转换。
信号采集电路图.png
图3.2  信号采集电路图
2 程序设计
本系统通过AD采集数据,对其进行FFT变换,分析得到信号频率及幅度信息,通过LCD显示出来。

主程序流程图.png
图3.3 主程序流程图
四、   测试方案与结果由于字符限制,具体测试结果见附件文档
最终,作品达成题目要求的所有指标,取得最高奖TI杯。在此感谢德州仪器半导体公司对比赛的大力支持,感谢指导老师赛前的指导!
IMG_20180724_175645.jpg









2018辽宁省电子设计竞赛-电流检测装置(A题)-设计报告.pdf

482.88 KB, 下载次数: 59, 下载积分: 积分 -1

45

主题

279

帖子

601

积分

管理员

Rank: 9Rank: 9Rank: 9

积分
601
发表于 2018-9-11 12:07:31   只看该作者

你好,麻烦把报告内容添加到帖子正文中(可适当编辑删减),重新编辑下帖子,谢谢。

1

主题

2

帖子

11

积分

一粒轻沙

Rank: 1

积分
11
发表于 2018-9-11 20:25:41   只看该作者
shengxiang 发表于 2018-9-11 12:07
你好,麻烦把报告内容添加到帖子正文中(可适当编辑删减),重新编辑下帖子,谢谢。 ...

已作修改,感谢您的指导意见:loveliness:

45

主题

279

帖子

601

积分

管理员

Rank: 9Rank: 9Rank: 9

积分
601
发表于 2018-9-12 11:19:26   只看该作者
panzhuorui 发表于 2018-9-11 20:25
已作修改,感谢您的指导意见

谢谢支持
快速回复 返回顶部 返回列表