[A-电流信号检测装置] 浙江省一等奖_A题_杭州电子科技大学_施钰斌_陈俊辉_蔡...

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一粒轻沙

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查看: 2499回复: 10 发表于 2018-9-16 17:23:37   只看该作者
        本设计以STM32F407为核心,实现隔离式的电流测量。使用TDA2030将输入信号进行功率放大,电流通过用康铜丝绕制的电流感应磁环后传递到下级,为方便控制电压,采用INA128进行后级放大,OPA695对电压进行抬升,最后输入STM32的AD中进行采样处理。

       在竞赛中,需要有一种大局观,首先需要了解需要制作那些模块,再进行分工合作,在制作时备用板的制作可以节省大量时间,同组队友需要协商好前后级的连接方法。硬件应提前完成关键模块的制作,给写软件的同学充足的时间进行代码的处理。


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作品实物图


电流信号检测装置(A题

1 系统方案

1.1 功率放大电路


方案一: 使用OPA548将输入信号进行放大。

方案二: 使用TDA2030将输入信号进行放大。

由于在测试中,OPA548在长时间工作后会过热无法正常工作,且TDA2030波形在小电流时更为完好,故最终选用方案二。

1.2 电流感应

方案一: 使用磁环感应电流,通过采样电阻将电流转换成电压,在通过INA128将电压放大。

方案二: 使用磁环感应电流,通过采样电阻将电流转换成电压,在通过INA194将电压放大。

但由于INA194为单电源供电无法放大负电流,故采用INA128,实现负电流的测量,且INA128可调节放大倍数是输出电压更适用后级的测量,故选方案一。

1.3 电流检测与分析

方案一: 使用AD8505采集前级放大后的电压。

方案二: 使用加法器将INA128的输出电压抬高,并将输出电压控制在0-3.3V之间,直接使用STM32F407的片内AD进行采样。

直接只用STM32F407的片内AD电路比较简单,且能达到测量精度;而AD8505较贵,且需要自行配制程序,出于成本,电路结构,以及难易程度的考虑最终选择方案二。


1.4 系统总体框图

图1.png
图1 系统框图

2 理论分析与计算

2.1功率放大电路设计


Imax=Ipp/2/1.414

Pmax=Imax*RL=3.53W

2.2感应信号放大器设计

电流传感器由一次线圈,二次线圈和磁芯构成,次线圈连接在主电路中从磁环内穿过(线圈匝数N1=1,电流为I1),二次线圈为锰芯磁环上绕制的漆包线匝数为N2,电流为I2,电流互感器的变流比:

K=I1/I2=N2/N1

I2=I1*N1/N2

INA128放大增益计算:           G=1+50KΩ/Rg


2.3加法器设计

vo=vo1+vo2

vo1=(1+R4/R3)*R2/(R1+R2)

vo1=(1+R4/R3)*R1/(R1+R2)

2.4电流测量

通过磁环感应电流再转为电压信号,用adc采样进行傅里叶分析,把时域信号转为频域信号,得到其频率与幅值,再通过多次数据测量进行比对的到幅度的转换系数。

离散傅里叶变换(DFT),是傅里叶变换在时域和频域上都呈现离散的形式,将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换(DTFT)频域的采样。在形式上,变换两端(时域和频域上)的序列是有限长的,而实际上这两组序列都应当被认为是离散周期信号的主值序列。即使对有限长的离散信号作DFT,也应当将其看作经过周期延拓成为周期信号再作变换。在实际应用中通常采用快速傅里叶变换以高效计算DFT。所以再分析时用了stm32进行fft分析。


2.5谐波测量方法

   该方法也是采用fft算法,进行采样分析,通过比对采样数据的到基波和谐波的频率和幅值。

如下是三角波和方波的傅里叶级数(可以得到其波形的组成):

三角波:(A为峰峰值)

三角波.png


方波(E为峰峰值)


方波.png

经过fft分析后,每一点表示一个频率的幅值,通过分析很容易得到基波和谐波的频率和峰峰值


3 电路与程序设计

3.1 功率放大电路的设计

电路功率较大,故选择有较大功率的TDA6030,使其其具有较大的输出能力,为降低芯片温度,需要外加散热片,为使电流环路电流峰峰值是任意波形发生器设置电压峰峰值的0.1,故功放保持增益为1。



                                                                                                
TDA2030.png

图3 TDA2030硬件电路


3.2 感应电流转换的设计

为满足片内AD的测量范围,且由于后级加法器抬高电压为1.2V,故在输入10Vpp的信号时,INA128输出应在2.4V之内,此通过调节Rg改变增益。
                                                  
图3.png


图3 INA128放大电路

3.3加法器的设计

由于片内AD采集范围为0-3.3V,为提高测量精度加法器最好使用1.6V的基准源抬高信号,但由于无现成1.5V,故使用1.2V的基准源提供参考电压。
图4.png
图4 加法器电路

3.4软件程序设计

程序流程框图如图所示:

图5.png
图5 程序流程框图

4.测试方案与测试结果分析

4.1测试仪器
    示波器,手持电表,信号发生器

4.2测试方案

将信号输入到功率放大电路,串联万用表测量电流,单片机测量频率与峰值,与前级进行对比。

4.3测试数据


测试数据.png

测试数据2.png

4.4测试结果分析

通过测量结果可知,波形在1A时没有明显失真,频率测量误差在1%以内,电流测量误差在5%以内,能够测量1KHz以内多次谐波分量,故该设计达到题目要求

5 总结

本设计以STM32F407进行测量显示,可实现题目所要求的各功能,可测量电流信号的频率及各次谐波分量的幅值。实际测试发现磁环匝数理论计算值与实际匝数有较大的偏差。




原理图.zip (29.42 KB, 下载次数: 73)
图2.png

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二氧化硅

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发表于 2018-9-19 15:04:29   只看该作者
本帖最后由 fx283 于 2018-9-19 15:09 编辑

功放的电路图贴错了……报告里写的是TDA2030,贴的是OPA548的电路啊
附件里的原理图只有一个INA128和TPA3112的原理图
Screenshot_1.png

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一粒轻沙

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发表于 2018-9-19 17:05:11   只看该作者
本帖最后由 MOONB 于 2018-9-19 18:03 编辑
fx283 发表于 2018-9-19 15:04
功放的电路图贴错了……报告里写的是TDA2030,贴的是OPA548的电路啊
附件里的原理图只有一个INA128和TPA311 ...

这是我编辑的时候出现的问题。。因为比赛的时候这些功放都试过,关于原理图的话,只有一个功放,一个仪放,一个加法器,功放是放错文件了。。。
现以对帖子存在的问题进行了修改

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二氧化硅

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发表于 2019-1-7 16:17:19   只看该作者
谢谢楼主分享

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一粒轻沙

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发表于 2019-3-24 17:51:40   只看该作者
666,太强了,非常有用!

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一粒轻沙

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发表于 2019-3-24 22:46:24   只看该作者
感谢分享,很有收获

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一粒轻沙

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发表于 2019-5-16 17:16:45   只看该作者
你好可以分享一下程序吗,最近在学习这方面的内容,方便的话发下邮箱2515718303@qq.com非常感谢

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一粒轻沙

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发表于 2019-5-20 12:08:32   只看该作者
本帖最后由 absolutydm 于 2019-5-20 12:10 编辑
MOONB 发表于 2018-9-19 17:05
这是我编辑的时候出现的问题。。因为比赛的时候这些功放都试过,关于原理图的话,只有一个功放,一个仪放 ...

谢谢大佬哈哈

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发表于 2019-5-29 15:02:19   只看该作者
fx283 发表于 2018-9-19 15:04
功放的电路图贴错了……报告里写的是TDA2030,贴的是OPA548的电路啊
附件里的原理图只有一个INA128和TPA311 ...


谢谢楼主分享

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一粒轻沙

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发表于 2019-9-3 20:55:19   只看该作者
请问一下,磁环是锰锌磁环,还是锰芯磁环?

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一粒轻沙

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发表于 2019-10-8 21:21:59   只看该作者
请问能分享一下程序吗,最近在学习相关内容,可以的话麻烦发邮箱1053232262@qq.com
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