2018年TI杯电流信号检测装置STM32代码，电路原理图和文档

摘要：设计并制作了一种电流信号检测装置，系统主要由功率放大电路，电流传感、检测及调理电路，由ARM单片机为核心的数据采集、参数测量以及显示电路组成。功率放大电路以TDA2030为核心搭成电压增益为1的电流放大电路，驱动10Ω负载产生10mA~1A的电流，使用漆包线绕制成的线圈作为电流传感器感应电流信号，使用INA2134和OP07构成信号调理电路，将感应到的微弱信号变为易于单片机采集和处理的电压信号，由STM32单片机采集电压信号，实现被测信号峰峰值检测、频率计算、FFT分析与显示。当该系统输入频率范围为50Hz~200Hz非正弦信号时，通过FFT算法能实现电流信号基波频率的测量，以及基波和各次谐波分量幅度的测量。

        经过测量表明，作品指标全部满足竞赛题目要求。

系统主要由功率放大电路，电流传感、检测及调理电路，由ARM单片机为核心的数据采集、参数测量以及显示电路组成

        方案一：使用集成电流传感器件。集成电流传感器，使用方便，测量结果准确，但是它的缺点是线圈的匝数固定不变，不能根据自己实际电路和测量要求来改变线圈匝数。

        方案二：漆包线手工绕制电流传感器。采用漆包线手工绕制电流传感器。可根据自己的需求，改变磁芯材质、漆包线粗细和线圈的绕制匝数，来适应测量电路，满足测量要求。绕制简单，易于实现。

        综上所述，本次系统设计选用方案二。

方案一：使用分立器件制作功率放大电路。功率管用大功率三极管。使用分立器件制作的功率放大电路，静态电流大，非线性失真小，管耗大，且效率低。用该电路作为前级功率放大电路输出的电流峰峰值远远大于1A，但是输入方波时有些谐波会丢失，导致经过功放后输出的方波波形有点失真。

方案二：TDA2030芯片。TDA2030是一款单芯片音频功率放大器集成电路，具有高电流输出和高工作电压，低谐波和交越失真等特点。该电路输出的电流能满足题目要求，并且非线性失真小，即使输入方波，三角波也不会丢失谐波分量。

方案一:选择INA217仪表放大器将差分电流信号转化为单端输出电流信号，该芯片具有低噪声，低失真，高带宽等特点，但是检测小电流信号时，检测的波形有些失真。

方案二:AD620芯片。选择AD620仪表放大器将差分电流信号转化为单端输出电流信号，AD620是低功耗仪表放大器，该芯片具有低功耗，低噪音，直流性能出色等特点，但是检测微弱信号时会出现噪声干扰，波形出现的毛刺多，单片机很难检测。

方案三：INA2134芯片。该INA2134是一个差分线路接收机组成的高性能运算放大器，具有片上精密电阻器，低失真和高的转换速率。该电路能够检测出50Hz~1kHz,100mV~10V的正弦波和50Hz~200Hz的方波，并且波形不失真，噪声好。

方案一：LM358双差分输入运算放大器作为微弱信号放大，该芯片的低频特性很好但是高频特性差，由于有偏置电流所以输出的波形不是很好，并且最后给单片机的信号是正的，所以需要把信号往上偏置到正半轴，但是LM358的失调电压大，所以这里不选择LM358。

   方案二：OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的失调电压，所以OP07不需要额外的调零措施，OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调，高增益的特性使得OP07在检测小信号时效果出色。

系统主要由功率放大电路，电流传感、检测及调理电路，由ARM单片机为核心的数据采集、参数测量以及显示电路组成。系统总体框图如图2.1所示。

              由任意波形发生器提供所需信号，输入到功率放大电路进行功率放大，放大后的信号经过10Ω负载转化为电流信号，该电流信号以非接触的方式，通过磁耦合在由漆包线绕制的线圈两侧产生感应电流。由于感应电流信号非常微弱，需经过信号调理电路，将微弱信号变为单片机可识别检测的信号，进行采集。单片机采集到数据之后，进行FFT计算，对数据进行处理，并将处理后的数据显示到屏幕上。

图2.1 系统结构框图

功率放大器以TDA2030音频放大器制作，TDA2030具有体积小、输出功率大、失真小等特点。该功放可实现电流和电压的放大，根据题目要求，将电压增益设计为1。

电流检测分析电路包括差分电路、跟随器、同相放大电路、反相加法电路、反相电路和基准源电路组成。

差分电路是将从电流传感器输出的差分信号转化为单端输出信号，差分电路用INA2134芯片设计，该芯片是高性能的运算放大器，内部具有导通芯片的精密电阻。后面跟一级电压跟随器，起到前后级缓冲、隔离的作用，再经过一级放大，因此可以将微弱信号放大，便于单片机检测。反相加法器将稳压源AMS1117-1.8V输出的直流电压和放大器输出的信号相加使得信号偏置到正半轴，但因为采用反相加法，信号全部在负半轴，需要一级反相器来使信号在正半轴。

功率放大电路用TDA2030芯片设计，电压放大倍数为1，设计电路图如下：

         

图4.1 功率放大器TDA2030电路图

电流检测分析电路大致分为三个部分，信号放大部分、稳压源部分、信号偏移部分。

信号放大部分包括差分电路、跟随电路、放大电路。差分输入端并一个100欧姆的电阻，将差分输入的电流信号转化为电压信号。经过差分电路转化为单端输出信号，再经过跟随，放大。放大倍数为电路图如下：

图4.2信号放大部分电路图

稳压源部分用固定式低压降线性稳压器AMS1117-1.8V设计，输出1.8V直流电压，电路如图：

                     

图4.3 稳压源部分电路图

信号偏移部分由反向加法器和反向电路组成，电路如图：

      

图4.4  信号偏移部分电路

STM32单片机对送入的非正弦信号进行AD采样，并进行FFT分析，根据分析结果即可得到被测信号的基波频率、谐波频率和幅值。主控程序的流程如图4.5所示。

图4.5 主控程序流程图

1.测试仪器

数字信号发生器：DG4062；

台式万用表：DM3058；

双踪示波器：DS2202E。

2.测试方案

分析可知，输入信号的频率、幅度都有可能影响测量结果，这两者都属于变量，故采用控制变量法进行结果测量；使用双踪示波器观察电流信号有无明显失真。

(1)当输入正弦信号频率范围为50Hz-1kHz时，测量流过10Ω负载电阻的电流峰峰值，用示波器观察系统输出波形；

(2)控制输入信号的幅度不变，测量输入信号频率对测量结果的影响，并记录数据；

(3)控制输入信号的频率不变，测量输入信号幅度对测量结果的影响，并记录数据；

(4)信号发生器输出非正弦信号，基波频率范围为50Hz-200Hz，测量电流信号基波频率和基波及各次谐波分量的幅度，并记录数据。

3.测试数据及结果

(1)分别设置输入信号的频率为50Hz、500Hz、1kHz，测量流过10Ω负载电阻电流峰峰值，并用双踪示波器观察输出信号的波形。测试结果如表5.1所示。

表5.1 不同频率下的电流峰峰值

结论：满足竞赛题目要求，输出电流峰峰值大于1A

(2)控制输入信号的幅度不变，改变频率测量。分别设置输入信号幅度峰峰值为100mA、5V、10V，改变频率进行测量。测试结果如表5.2、5.3、5.4所示。