[A-电流信号检测装置] 重庆市“TI杯”奖_重庆邮电大学_朱思韬,陈俊吉,庄杰

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一粒轻沙

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查看: 2226回复: 10 发表于 2018-9-11 14:38:31   只看该作者
   本作品设计实现了非接触式传感的电流信号检测装置。通过功率放大电路将通过负载电阻的电流峰峰值升至1A以上,以漆包线自制线圈作为电流传感器测得信号并经过INA188固定增益放大器和PGA205可控增益放大器两级放大后输入STM32F407的内置ADC进行采样,并用串口屏显示。实现了精确测量被测电流的峰峰值和频率以及各次谐波分量的幅度。经测试,本作品稳定供电的情况下,能够完成题目要求的所有指标并增加了时域与频域波形显示的功能。
在本次比赛中我们将在课堂上学到的知识应用于实际作品中,极大地提高了自己分析问题,解决问题的能力。同时也感谢TI公司提供的各类芯片与样片申请渠道,给我们的练习与设计提供了极大的便利。


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电流信号检测装置报告
本作品设计实现了非接触式传感的电流信号检测装置。通过功率放大电路将通过负载电阻的电流峰峰值升至1A以上,以漆包线自制线圈作为电流传感器测得信号并经过INA188固定增益放大器和PGA205可控增益放大器两级放大,实现了精确测量被测电流的峰峰值和频率以及各次谐波分量的幅度。经测试,本作品稳定供电的情况下,能够完成题目要求的所有指标。

关键字:功率放大  固定与程控增益放大器  漆包线自制线圈

一、    方案设计与论证
经过分析和论证,我们认为此电流信号检测装置可分为功率放大器,电流感测线圈,增益可控放大器与模数转换等模块
1.1、功率放大器方案论证与选择
方案一: 使用大功率晶体管搭建功率放大器实现。此方案输出功率大,器件易得,设计自由,散热快。但工作点调试复杂,在短时间内不易实现。
方案二: 使用集成功率放大器件。我们选择使用LM1875T来实现功率放大的功能。该器件是美国国家半导体公司出品的AB类大功率低失真放大器,最大输出功率25W,且外围电路简单。
结合基础和发挥部分要求,使用分立器件大件功率放大电路太过复杂,因此选用方案二比较合适。
1.2、增益可控放大器方案论证与选择
方案一:使用压控增益放大器VCA810直接放大线圈感测信号。增益从-40dB到+40dB可调。但是该器件输入失调电压过大,且增益不便于使用单片机进行精确控制
方案二: 使用仪表放大器INA188级联PGA205、PGA103组成8挡可调的放大器模块。PGA205与PGA103增益控制简单,级联之后可以满足AD对于输入信号幅值的要求。
方案三: 使用场效应管的可变电阻区实现增益控制。由于线圈感测信号幅值太小,该方案设计较为复杂且稳定性差
综合比较,考虑到题目要求精度较高,因此选择方案二。
1.3、 模数转换方案论证与选择
方案一:使用STM32F407内置ADC,STM32F407VGT6芯片共有两个12位16通道ADC,一个12通道ADC,采样速率最高到1Mhz,满足本题要求。
方案二:使用ADC芯片ADS8326,其为16位单通道微功耗ADC,采样速率为250kSPS。
综合考虑,若使用ADS8326则会增加芯片支持电路的设计工作,所以我们选择使用内置ADC


二、理论分析与计算
2.1、系统原理
系统结构框图如图2-1所示。
kuangtu.png
图2-1  系统结构框图

系统中小信号经LM1875功率放大器后与10欧负载形成回路,用磁线圈电流传感器获取电流信号,经INA188仪放及PGA205分档放大后,利用OP07做加法器使电平偏移,最有由AD采样送入单片机STM32F407VGT6处理并用显示屏显示。
2.2 功率放大器设计
本系统功率放大器采用了LM1875T,其为AB类功率放大器。由于功放本身的特点,当其工作在增益0dB的情况下,相位滞后会超过180°,从而造成自激。为了规避自激,我们在芯片反馈电阻两端并联了一个47pF的小电容,降低了主极点频率,破坏自激振荡的条件。同时参考芯片手册,将芯片接成增益为2的同相放大器,在输入端通过电阻分压将输入信号幅值降低为其原本幅值的1/2。从而达到功放系统增益为1的设计要求。
2.3、增益可控放大器设计及增益调整
本系统增益调整由程控仪表放大器PGA205实现。线圈产生的感生电流由并联在线圈两端的采样电阻转换成电压信号,通过仪表放大器INA188实现对电压信号的20倍放大,之后进入PGA205,通过MCU控制PGA205的A0,A1脚,实现对输入信号固定1,2,4,8倍的放大。
2.4、谐波幅度计算基本原理

以T为周期的连续周期信号fT(t),如果满足Dirichlet条件,即在一个周期内只有有限个间断点,在一个周期内有有限个极值点,在一个周期内函数绝对可积,则可展成完备的正交三角函数集的组合:



QQ图片20180911142014.png




QQ图片20180911142032.png




2.5 感应线圈设计

因为题目要求感应线圈初级匝数为1匝,为了提高感生电动势,我们使用外径10mm的高磁导率环形铁氧体磁芯作为线圈磁体,使用0.2mm直径的漆包线绕制150匝制作线圈。同时为了避免线圈磁饱和,在线圈两端并联10Ω电阻,使用仪表放大器采集电阻两端电压信号,实现电流-电压转换。

三、电路与程序设计
3.1 电路设计
3.1.1 可控增益放大器单元电路设计

利用数字程控放大器PGA205与PGA103进行数控电压放大倍数,通过程序控制各端口电平来控制PGA205与PGA103的放大倍数,放大倍数分档×1,×2,×4,×8,×10,×20,×40,×80。原理图如图3-1-1所示:
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图3-1-1  PGA205可控放大原理图3.1.2、固定增益放大单元电路设计

利用INA188对程控放大器输出的电压进行第一级放大,以提高后级输入阻抗,以免对线圈造成干扰。原理图如图3-1-2所示:

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图3-1-2  INA188放大电路图

3.1.3 功率放大器单元电路设计

利用LM1875T对输入的小信号进行功率放大,功率放大器其原理图3-1-3如图所示。

dl.png
图3-1-3 功率放大器

3.2 程序设计主流程图 QQ图片20180911143013.png

四、误差分析:

   1.电源的噪声较大,导致每一级输入的信号中都混叠噪声。
   2.由于线圈的绕制精度问题,导致测得的电流信号有一定的误差。

五、结论

实现一个电流信号检测装置是本设计目的。我们完成了所以要求的指标。在输入正弦信号频率范围为50Hz~1kHz时,流过10Ω负载电阻的电流峰峰值不小于1A,电流信号无失真;准确测量并显示了电流信号的峰峰值及频率;在被测正弦电流峰峰值范围为10mA~1A时,电流测量精度优于5%,频率测量精度优于1%;输入基波频率范围为50Hz~200Hz的非正弦信号时,测得频率精度优于1%,准确测得各次谐波分量的幅度,并且频率不超过1kHz,测量精度优于5%。






附上本人电子邮箱:2016210020@stu.cqupt.edu.cn    因网站现在无法上传附件,若需要设计文件与有疑问的同学可发邮件索取与交流


系统电路图.zip (183.65 KB, 下载次数: 46)
QQ图片20180911142032.png
dl4.png

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匿名  发表于 2018-9-12 15:36:00
受教了,受教了。。。。。。

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一粒轻沙

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发表于 2018-9-12 21:51:33   只看该作者
厉害了

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一粒轻沙

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发表于 2018-9-13 16:04:29   只看该作者

A题还是有意思些

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发表于 2018-9-14 18:57:03   只看该作者

学习了。

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二氧化硅

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发表于 2019-3-24 17:02:05   只看该作者
A题好,控制题不像控制题,电源题不像电源题

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发表于 2019-4-9 11:11:01   只看该作者
感谢感谢感谢!!!!!!!

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发表于 2019-4-13 12:53:34   只看该作者
厉害厉害

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发表于 2019-8-4 20:21:57   只看该作者
羡慕啊~~~~~~~~~~~

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一粒轻沙

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发表于 2019-8-4 20:23:52   只看该作者
羡慕呀~

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一粒轻沙

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发表于 2019-8-4 20:24:49   只看该作者

羡慕啊~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
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