陕西省一等奖_A题_西安电子科技大学_马利雅_穆海麦提萨力·阿力木_朱炎
本电流信号检测装置由自绕锰锌磁环、I/V变换电路及AD调理电路构成，功放电路使用TI公司的高电流OPA548运放芯片，基于TI公司高性能双核、主频200MHz的TMS320F28379D浮点微控制器进行FFT傅里叶变换并实时通过液晶屏进行显示。OPA548可稳定输出10mA至1A峰峰值的电流，由高磁导率的锰锌磁环线圈、OPA209构成的I/V变换经AD前级调理后，通过1024点的FFT分析得到电流信号频率、电流峰峰值及各次谐波分量的幅度并实时显示。
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摘要：本电流信号检测装置由自绕锰锌磁环、I/V变换电路及AD调理电路构成，功放电路使用TI公司的高电流OPA548运放芯片，基于TI公司高性能双核、主频200MHz的TMS320F28379D浮点微控制器进行FFT傅里叶变换并实时通过液晶屏进行显示。OPA548可稳定输出10mA至1A峰峰值的电流，由高磁导率的锰锌磁环线圈、OPA209构成的I/V变换经AD前级调理后，通过1024点的FFT分析得到电流信号频率、电流峰峰值及各次谐波分量的幅度并实时显示。经测试，系统完全满足了题目要求的精度与测量范围，部分指标远超出题目要求，包括频率误差低于0.01%、峰峰值测量误差低于1%、谐波幅度误差小于2%。
关键词：电流信号检测；锰锌磁环；I/V变换；FFT；功率放大电路
一、系统方案 1.方案论证与比较 【方案一】功率放大电路采用电流反馈运放，电流检测电路使用采用电流监控器芯片。 此方案中功放采用THS6214双端口电流反馈运放，每通道输出电流400mA，BW为160MHz，压摆率3800V/us，更适合高频信号且为满足此题要求须进行多通道并联。考虑到电流反馈在负反馈过程中，易产生相移而使负反馈变成了正反馈，反馈电阻选择不当时极易产生自激现象，增加调试复杂度。 采用INA282的50倍增益能够测量极小电流信号，高精度差分放大采样电阻上压降，电流检测电路中由于其前级的电感线圈感应出的电流为双极性，需进行电平搬移后才可输入INA282，电路结构相对复杂。且INA282为固定增益，不便于AD前级调理。同时在调试中发现频响平坦度不高，综上此题不采用此方案。
【方案二】功率放大电路采用电压反馈运放，电流检测电路采用锰芯磁环和I/V变换器检测感应电流。 通过比较几种电压反馈运放（BUF634、OPA548），可选择具有高达持续3A输出电流、带载能力更强的OPA548运放，且其内部过温关断可使电路的稳定性极大增强，同时加装散热器和风扇，为满足题目电流峰峰值不小于1A且电流信号无失真的要求，相比电流反馈运放该方案具有明显优势。 I/V变换可采用如OPA209精密运放电流电压变换，将感应电流转换成电压信号，利用其高输入阻抗可起到对前级电感线圈隔离作用,调试中发现具有极低的失真度和频响平稳特性。再经过偏置网络可将双极性信号调理为单极性，只需将动态范围调整为在ADC量程内即可，故此本题适合采用此方案。
2. 总体方案设计 图1 系统总体方案
系统主要由OPA548功放电路、自绕锰锌磁环线圈、I/V变换器、直流偏置网络构成，最后通过TMS320F28379D进行FFT得到结果由串口屏进行数据显示。输入信号经固定增益的功放电路可输出10mA至1A的电流，由高磁导率的锰锌磁环线圈进行电流互感，感应电流通过OPA209精密运放构成的I/V变换器转化为电压信号并隔离前后级，经电阻网络平移后，输入进单片机的12位ADC进行采样分析，实时测量电流信号的峰峰值及频率，通过1024点的FFT傅里叶变换分析得到基波及各次谐波分量的幅度。
二、理论分析与参数计算 1. 固定增益功放电路 根据题目要求当输入正弦信号频率范围为50Hz-1000Hz时,要求流过10Ω负载电阻的电流峰峰值不小于1A，要求电流信号无失真。OPA548可以持续输出3A电流，峰值5A,满足题目要求。且增益带宽积为1M、压摆率为10V/us完全可以满足题目要求频率范围。 利用该电路搭建的反相比例放大器，即可以使信号源峰峰值的0.1倍为电流峰峰值。 取R2=R1=1KΩ，则 即环路电流峰峰值为 2. 电流检测电路 为了满足待测电流10mA-1A的测量范围及精度，感应线圈需要尽可能提高互感系数以提高小信号的检测灵敏度。而互感系数取决于线圈匝数，磁芯材料，磁芯尺寸，线径及机械强度，绕制方式等。通过比较不同材料及不同磁导率的磁芯（铁氧体、微晶磁环、锰锌等），最终发现磁导率过高及匝数过大会导致线圈饱和的情况，保证待测信号的动态范围内感应电流波形无失真才可还原。 由安培环路定理可知 线圈中的感应电动势 其中N为线圈匝数，S为线圈截面积，μ为磁环磁导率，R为线圈半径。由该式可知，可通过增大线径减小线圈内阻、提高磁导率、增大线圈截面积，适当减小线圈半径可以提高检测灵敏度并避免线圈饱和。 为使单片机能感应电流信号，需要将感应线圈上的电流转化为电压信号。通过OPA209精密运放构成的I/V变换器可使微小电流信号转化为电压信号。电压信号可表示为： 其中i为感应电流，Rf为电位器电阻，调整Rf可以使电压信号充分利用ADC量程，以提高电流测量分辨率。 利用FFT测量频率及峰峰值对微小信号具有极高的准确性，而不依赖外部电路。
3. 谐波分量测量 根据题目要求对谐波的幅值和频率进行测量，基波频率为50-200Hz，谐波测量不超过1kHz。进行利用单片机使用FFT傅里叶变换对采样信号进行谐波分析，ADC采样频率fs=2k,点数为1024，频率分辨率为A=fs/1024≈2Hz，满足题目要求的谐波测量范围和精度。通过比较频域上各点的幅值的最大值确定基波频率，进而得到各个谐波频率下的幅值 根据Fourier analysis公式 谐波幅值可由FFT傅里叶分析得出，单片机通过计算得到基波振幅和各次谐波振幅具体数据，与MATLAB标准结果进行比对。
三、电路与软件设计 1. 功率放大电路 使用OPA548电压反馈型运放构成反相比例放大器，使用的OPA548具有较高的输出电流，可调电流限值、高回转率、低静电流等优良特性，可以达到输出电流范围10mA-1A且无失真的电流要求。OPA548通过通过控制可变电阻达到控制增益，取R2=R1=1K时，可以使信号源峰峰值的0.1倍为电流峰峰值。
图3 OPA548功率放大电路
2．I/V转换电路 以OPA209精密运放构成的I/V变换器可使微小电流信号转化为电压信号。其中Rf为可调电阻，根据试验中实际感应电流信号转化为ADC量程内的电压。 Rf为1kΩ电位器，Rf可以使电压信号调整在ADC量程，以提高电流测量分辨率。
图4 I/V转换电路
3．软件设计
图5软件基本流程图
TMS320F28379D的12位ADC电压分辨率为0.8mV，感应电流采集I/V变换器输出的电压信号，并实时进行FFT分析，得到基波频率即为正弦波的频率，电流信号由基波幅值通过拟合校准得到精确的电流峰峰值。同时根据FFT计算的频域上各点信号得到谐波幅值。采样频率fs=2k,点数为1024点，可以满足题目要求的1K以下谐波测量。
四、测试方案与测试结果 1．测试仪器清单 测试清单如表1所示。
2.测试方案
正弦信号测试方案：将示波器探头接入10欧电阻两端，对比单片机测量出的频率和峰峰值与示波器进行对比，从而得出测量结果的精确性。同时在不同频率下测量同一峰峰值信号，得出电流检测电路频响稳定性。确定最终测量精度。
谐波测试方案：谐波幅值测量使用Matlab对与原始电流相同的波形进行分析，并与单片机的FFT结果幅值进行对比。并通过合成已知任意波，比对测量结果与各次谐波幅值。
3.测试结果
结果分析：通过固定信号源输入信号的峰峰值Vpp，改变输入信号的频率，来确定频率改变导致的测量误差。自绕锰锌磁环在题目要求的范围内频响平稳。经测试发现使用I/V变化电路检测感应电流具有较高的精确度。
结果分析：在固定频率下，改变输入信号的幅值来改变环路电流，确定10mA-1A范围内的测量精度。可见使用FFT测量峰峰值具有较高的精确性。
结果分析：使用FFT测量频率对大小信号都有极高的准确性，完全达到频率精度要求。FFT分解出基波信号后，通过对基波频率测量得出准确频率值，而不受信号幅值大小的影响。
结果分析：使用FFT对分解低次谐波具有较高的准确性。非正弦信号电流1-7次谐波经与MatLab理论计算结果分析在误差范围内，满足题目要求的精度。对于高次谐波，已通过进一步校准来优化。
五、总结 本系统结合以OPA548制作的功放电路，锰芯磁环线圈，I/V变换电路，TMS320F28379D单片机为终端采样显示。通过FFT对电流信号峰峰值、频率及谐波幅值进行精确测量。频率误差低于0.01%、峰峰值测量误差低于1%、谐波幅度误差小于2%。本系统经最终级联和调试，性能稳定，可完全满足题目指标要求，部分指标如频率、峰峰值、谐波幅值超出题目的精度要求。
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