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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。 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。 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。
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！
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