多課程融合的非接觸式電流檢測實驗項目設計

徐 偉，黃武奇

多課程融合的非接觸式電流檢測實驗項目設計

徐 偉，黃武奇

（南京信息工程大學，江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044）

設計了一個非接觸式電流諧波檢測的綜合實驗，實驗電路包括功率放大、互感線圈、電流-電壓轉(zhuǎn)換、有效值檢測、程控濾波、單片機控制、現(xiàn)場可編門陣列（FPGA）分頻和計數(shù)等。實驗除了覆蓋電子線路、FPGA等硬件課程外，還融合了信號與系統(tǒng)課程中的信號分解與合成的理論知識。設計方案注重新型器件的運用，為電子系統(tǒng)設計的實踐教學提供了良好的案例。

電流檢測；多課程融合；實驗項目；程控濾波器；功率放大

綜合電子系統(tǒng)設計是電子信息類重要的實踐課程，課程目標是培養(yǎng)學生實踐和解決實際復雜工程問題的能力[1-2]。良好的實驗案例是實現(xiàn)課程目標的關鍵，對工程教育專業(yè)認證畢業(yè)要求如分析問題、使用現(xiàn)代工具等目標的達成有重要作用。

我校電子信息工程、通信工程兩個專業(yè)自開始準備申請工程教育專業(yè)認準以來，針對學生工程能力的達成，不斷完善綜合實踐案例教學內(nèi)容，設計了能融合多門專業(yè)課程、基于實際電子工程項目的實驗教學案例。學生根據(jù)實驗任務要求，完成實驗項目中各 電路模塊的仿真、電路板設計調(diào)試、數(shù)據(jù)測試及報告撰寫。

1 實驗項目的設計背景和任務

非接觸式電流信號檢測儀表在電力、雷電防護領域有著廣泛應用，2018年TI杯大學生電子設計競賽題中也出現(xiàn)了電流檢測裝置的設計。該實驗項目具有很好的工程應用和學科競賽背景，將模擬電子線路、單片機、現(xiàn)場可編門陣列（FPGA）技術(shù)、信號與系統(tǒng)等課程的相關知識融入到設計方案中，有利于課程目標的實現(xiàn)。

圖1中任意波形發(fā)生器為給定的實驗儀器，虛線框內(nèi)為項目要設計的電路。

圖1 實驗項目功能示意圖

具體要求：

（1）設置任意波發(fā)生器輸出一個任意波形的電壓信號，該信號由多次諧波合成，基波頻率范圍為50~200 Hz；

（2）功率放大器增益固定、不得改變，且能使環(huán)路電流的峰峰值是任意波發(fā)生器設置電壓峰峰值的0.1倍，負載電阻為10 Ω；

（3）利用互感線圈電流傳感器獲取環(huán)路中電流信號，設計電流檢測分析電路，實現(xiàn)非接觸式測量，測量電流信號基波和諧波的頻率和幅值，頻率測量精度優(yōu)于1%，幅值測量精度優(yōu)于5%；

（4）將基波和各次諧波的頻率和幅值的測量結(jié)果與任意波形發(fā)生器的設置值進行比對，分析誤差。

2 實驗開發(fā)與設計

2.1 實驗方案

楊鷗寧等[3]提出了一種利用FPGA進行電流實時監(jiān)測系統(tǒng)，采用MAX9918芯片將被測電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后用FPGA控制高速AD對MAX9918的輸出電壓采樣，間接地測電流，具有精度高的優(yōu)點，但需要將電路接入被測電路，大功率環(huán)境下電流測量具有一定的危險性。趙新[4]提出了一種用IAP15W4K58S4單片機結(jié)合程控放大、有效值和頻率檢測等模塊測量電流的電路，只能測量單一正弦信號的頻率和幅值，無法對電流信號的諧波進行分析。張心怡等[5]、李彥君[6]、盧秀和等[7]，分別采用不同的單片機對電流信號進行FFT分析，然后計算出電流信號的基波幅度、頻率、以及各次諧波，這種方法具有成本低、測量要素全的優(yōu)點，但采樣噪聲對測量結(jié)果的影響較大。

LINEAR公司研制的程控濾波芯片為電流信號的分析檢測提供了一種硬件實現(xiàn)途徑[8]。實驗項目以程控濾波模塊為核心，以STM32F103VET6單片機為主控，由電流信號發(fā)生、電流互感、電流-電壓轉(zhuǎn)換、程控濾波器、有效值測量、A/D采樣、電壓比較、FPGA等電路組成，將測得的數(shù)據(jù)通過TFT屏顯示。實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

實驗系統(tǒng)利用任意波發(fā)生器、功率放大電路、大功率電阻負載構(gòu)成電流回路，由回路提供被測電流。為實現(xiàn)對回路電流的無接觸式測量，通過一電流傳感線圈N2的互感輸出電流與被測電流成線性關系，設計信號調(diào)理電路將線圈的輸出電流轉(zhuǎn)化為電壓。設計兩個不同的支路分別完成電壓信號的頻率和諧波幅值的測量。一路經(jīng)過電壓跟隨器，接入程控濾波器模塊，分離出諧波成分，再利用有效值檢測電路將諧波轉(zhuǎn)化為直流，最后通過高精度ADC采樣測量幅值；另一路接入電壓比較器，將被測信號轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖。FPGA采用等精度法測量脈沖信號的頻率即為電流信號的頻率[9]，F(xiàn)PGA測得的數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32單片機進行處理和顯示。

2.2 實驗電路設計

2.2.1 被測電流產(chǎn)生電路

采用任意波形發(fā)生器、功率放大電路、水泥電阻構(gòu)成電流信號產(chǎn)生電路。任意波發(fā)生器可以輸出多種不同幅度的諧波的合成波形，利用功率放大器將合成波形進行功率放大，使得接10 Ω水泥電阻作為功負載時，電流波形完好、不失真。

功率放大電路的總體結(jié)構(gòu)框圖見圖3，功率放大電路見圖4。第一級為NE5532電壓跟隨，第二級固定1倍同向放大，末級采用大功率MOS管IRF630和IRF9630組成甲乙類推挽輸出級，整體做1倍的功率放大。調(diào)節(jié)滑動變阻器R10和R14阻值，使MOS管偏置電壓為3.7 V。經(jīng)實驗，功率放大電路在±12 V的供電條件下帶負載能力強，電壓峰峰值為16 V，信號頻率可達30 kHz。

圖3 功率放大電路結(jié)構(gòu)框圖

圖4 功率放大電路

2.2.2 無接觸式傳感電路

在錳芯磁環(huán)上繞制線圈可以提高電流傳感器的靈敏度，將1000匝漆包線構(gòu)繞制在錳芯磁環(huán)上構(gòu)成電流傳感線圈2，將被測電流的導線從磁環(huán)中穿過（1= 1）。電流關系滿足下式：

傳感線圈電流2為原電流信號1的1/1000。

線圈傳輸?shù)氖请娏餍盘?，為便于測量將其轉(zhuǎn)換為電壓[10-11]。/轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，傳感器線圈電流通過R3轉(zhuǎn)為電壓信號，再經(jīng)過同相放大，使得信號放大到一個適合于測量的范圍，運放芯片采用OP07。

圖5 I/V轉(zhuǎn)換電路

2.2.3 程控濾波電路

為測量/轉(zhuǎn)換后的電壓波形中各次諧波的幅值和頻率，利用程控濾波模塊分別提取各次諧波信號。LINEAR公司的LTC1068系列是低噪聲、高精度的通用濾波器組合，由4個相同的2階開關電容濾波器單元組成。LTC1068系列芯片之間差別僅僅是時鐘頻率CLK與中心頻率C比（CLK/C）不同，單芯片可以被設計為2階、4階、6階或8階濾波器。多數(shù)應用場合設計濾波器要求不同的CLK/C，可以通過外部電阻和不同的連接方式加以解決。

選用LTC1068系列中的LTC1068-200，截止頻率范圍為0.5 Hz~20 kHz，采用±5 V供電。通過LINEAR公司的Filter CAD軟件設計一個值很高的帶通濾波器，設置通帶內(nèi)電壓增益為1，確定好電路的連線方式和電阻，只需要給濾波器以一個控制時鐘，就可以實現(xiàn)控制濾波器的中心頻率，時鐘頻率和中心頻率滿足如下關系式：CLK=100C。程控濾波器原理圖如圖6所示。

圖6 程控濾波電路

此外，還需在程控濾波器前加電壓跟隨器，用于隔離濾波器和比較器模塊，減小兩者之間的相互干擾。

2.2.4 有效值檢測電路

采用精密ADC采集OUT端輸出的直流電壓，可根據(jù)（2）式計算正弦信號的峰值。電壓有效值檢測電路見圖7。

2.2.5 電壓比較電路

諧波的幅值比基波幅值小得多，小信號接入比較器時，輸出方波上升沿抖動及FPGA干擾問題會使FPGA測頻不準確，因此在電壓比較器前加前級放大電路，使信號變得更加穩(wěn)定后接入LM393比較器。電壓比較器電路如圖8所示，LM393采用+12 V單電源供電，所以信號通過LM393輸出最大為12 V，而FPGA的工作電壓為3.3 V左右，因此通過R2、R3分壓處理。

圖8 電壓比較器電路

2.2.6 信號的頻率測量電路

FPGA對于數(shù)字信號的處理有很強的優(yōu)越性[12-14]，采用等精度法測量，頻率相對誤差可以達到10–8。等精度法是在閘門時間開始時，同時對外部信號和內(nèi)部標準時鐘進行計數(shù)，等閘門時間到時，關閉計數(shù)。設實際閘門時間為，標準信號計數(shù)0次，頻率為0，待測信號的計數(shù)為1、頻率為X，則有

被測信號頻率X和標準信號頻率0的函數(shù)關系為

采用的FPGA為EP2C5T144。圖9為頻率測量實體電路。

圖9 頻率測量實體電路

3 實驗系統(tǒng)軟件設計

程序開始后完成LCD、ADS115、GPIO和定時器等一系列的初始化工作，圖10為程序流程圖（為諧波次數(shù)）。

圖10 實驗程序流程圖

模化初始化后，程序進入循環(huán)測量和顯示。子程序的功能包括測頻、定時輸出PWM（脈寬調(diào)制）控制LTC1068濾波、測幅、數(shù)據(jù)分析和TFT顯示等。ADC每測完一次電壓，PWM頻率做出相應的改變，準備下一次的電壓測量，程序設置最高測到7次諧波。

4 實驗測試及分析

測試采用的函數(shù)信號發(fā)生器為RIGOL DG4202。設置有限次諧波合成波形，設置基波的頻率為200 Hz，設置了2次、5次、7次諧波。然后用測得的電流值與任意波形發(fā)生器上的設置值進行比對，得出誤差。測量結(jié)果見表1。圖11為實驗電路。

表1 電流峰峰值及各次諧波測試

圖11 實驗電路

（1）在任意波形發(fā)生器上設置的諧波分量，電路檢測電路都能準確地分離，并能測量諧波的頻率和幅值。采用等精度的方法測量頻率具有很高的精度。幅值測量誤差主要是由于有效值檢測模塊的誤差引起。

（2）不同的功率放大電路在放大小信號時，引入的噪聲對電流諧波測量結(jié)果的影響較大，而采用本實驗項目中的功率放大電路，在小信號時電路的噪聲也較小。

（3）基波頻率測量的準確度是至關重要的，因為諧波的測量是以基波為基礎的，基波頻率測量的微小偏差會直接影響到程控濾波的精度，最終對高次諧波幅度的測量產(chǎn)生影響。理論上可以測到更高次的諧波，程序中設置了最高7次諧波。

5 結(jié)語

（1）實驗項目不僅要綜合電子線路、微控制器等硬件技術(shù)，還要注重將信號處理的理論知識融入到項目中。本項目通過任意波發(fā)生器構(gòu)造一個合成波形，然后利用濾波器進行分離檢測。整個過程很好地運用了信號分解與合成的相關知識。

（2）設計方案要注重一些典型模塊或方法的運用。本實驗項目中程控濾波、有效值檢測、/轉(zhuǎn)換等典型電路，以及等精度測頻的方法。這些典型電路在儀器儀表中應用廣泛，還可讓學生理解等精度測頻方法同直接測頻法、測周法的異同點。

（3）綜合實驗項目所涉及的知識既要立足課本，又要注重新型集成電路在工程中的運用，比如本項目中選擇的低噪聲、高準確度的開關式電容濾波器。

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Design of non-contact current detection experiment with multi-course fusion

XU Wei, HUANG Wuqi

(Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

The implementation of China Engineering Education Accreditation promotes experimental teachers to incorporate knowledge points of many professional courses, subject contests, teachers’ accumulation of scientific research and modern electronic technology into the design of experimental cases. A comprehensive experiment of non-contact current harmonic detection is proposed. The experimental circuit includes power amplifier, mutual inductance coil, current-voltage conversion, RMS detection, programmable filter, MCU, FPGA frequency division and counting. In addition to covering courses such as Electronic Circuits and FPGA, it also incorporates theoretical knowledge of signal decomposition and synthesis in course of Signals and Systems. At the same time, the design focuses on the application of new devices. It provides a good experimental case for the practical course design of electronic system design.

China Engineering Education Accreditation; Multi-course fusion; current detection; programmable filter; power amplifier

TM933.1；G642.423

A

1002-4956(2019)10-0054-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.013

2019-03-10

國家自然科學基金項目（41605121）；江蘇高校品牌專業(yè)建設工程一期項目（蘇教高[2015]11號，PPZY2015B134）

徐偉（1981—），男，湖北黃岡，博士，高級實驗師，主要研究方向為氣象觀測方法及儀器。E-mail: xw@nuist.edu.cn