一種瞬態(tài)大電流測(cè)量電路設(shè)計(jì)

崔紅明，邵光鵬

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

0 引 言

分析發(fā)電機(jī)的三相突然短路過程，由于超瞬變過程的過渡時(shí)間極短，只有零點(diǎn)幾秒，瞬變過程的過渡時(shí)間也只有一點(diǎn)幾秒，而發(fā)電機(jī)的短路電流又比較大，在較短的時(shí)間內(nèi)超瞬變分量的衰減很快，如果采用電流互感器或電流傳感器來對(duì)三相突然短路的電流進(jìn)行測(cè)量，那么其中的電感分量將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的影響。而分流器作為一個(gè)純電阻元件，在三相突然短路電流的測(cè)量中具有不可替代的作用。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種基于分流器的瞬態(tài)大電流測(cè)量電路，該電路具有較好的抗干擾性能，能夠很好地抑制采集與傳輸過程中外界的強(qiáng)電磁干擾，大大提高了分流器的測(cè)量精度。

1 硬件總體結(jié)構(gòu)

整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，硬件部分由信號(hào)調(diào)理電路、模擬/數(shù)字（Analog/Digital，A/D）轉(zhuǎn)換電路、中央處理單元以及WiFi傳輸模塊電路4個(gè)部分組成。其中，分流器上的電壓信號(hào)依次經(jīng)過隔離放大電路、濾波電路、求和電路、單端變差分電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路，然后以并行總線形式進(jìn)入微處理器，經(jīng)過處理后以數(shù)據(jù)幀的形式由WiFi模塊電路進(jìn)行發(fā)送。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

2 信號(hào)調(diào)理電路硬件實(shí)現(xiàn)

由于分流器輸出信號(hào)為75 mV電壓信號(hào)，不能滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求，因此需要用到信號(hào)調(diào)理電路處理分流器上輸出的電壓信號(hào)。結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)范圍及分流器上電壓信號(hào)的范圍，信號(hào)調(diào)理電路主要完成隔離放大、濾波、增益調(diào)節(jié)以及單端信號(hào)轉(zhuǎn)差分信號(hào)等環(huán)節(jié)[1]。

3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器是模擬信號(hào)測(cè)量中必不可少的器件，它直接影響著三相突然短路電流信號(hào)的測(cè)量精度。本設(shè)計(jì)電路中選用AD7677型高速16位A/D轉(zhuǎn)換器，模塊設(shè)計(jì)如圖2所示[2]。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換電路

4 微處理電路

選用STM32芯片中的STM32F103VET6作為核心控制芯片，首先可以控制A/D采集器對(duì)前端信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且對(duì)采集的速度及數(shù)據(jù)處理能力要求較高，其次可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀、打包等處理，最后可以控制WiFi模塊與個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）通信，發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)[3,4]。

5 WiFi模塊電路

數(shù)據(jù)傳輸電路部分采用了單片機(jī)控制WiFi模塊創(chuàng)建一個(gè)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸[5]。WiFi模塊選用WM-G-MR-09，其電路原理如圖3所示。

圖3 WiFi模塊電路設(shè)計(jì)

6 PCB設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果分析

采用模擬電路與數(shù)字電路分開設(shè)計(jì)、集中調(diào)試的方法，PCB電路板如圖4所示。

圖4 電路板

選用MFG-3000系列的直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesis，DDS）函數(shù)信號(hào)發(fā)生器MFG-3060，可以精確設(shè)定輸出電壓信號(hào)的類型、幅值和頻率。將信號(hào)發(fā)送器與本文所設(shè)計(jì)的測(cè)量電路相連接，接通電源后連接上PC機(jī)。則模擬量測(cè)量試驗(yàn)工作臺(tái)如圖5所示。

圖5 模擬量測(cè)量實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)

選擇正弦波作為模擬測(cè)量信號(hào)。每次測(cè)量時(shí)，改變信號(hào)源輸出正弦波的頻率和峰峰值，輸出頻率依次設(shè)定為50 Hz和100 Hz，每個(gè)頻點(diǎn)調(diào)整輸出峰峰值為100 mV和200 mV，來測(cè)試電路的測(cè)量精度。通過測(cè)得的數(shù)值與輸入的波形進(jìn)行對(duì)比分析，其結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)量結(jié)果對(duì)比

7 結(jié) 論

在模擬信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，使用測(cè)量系統(tǒng)對(duì)信號(hào)源輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，得到了測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于不同頻率和幅值信號(hào)的測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的電流測(cè)量電路可以完成數(shù)據(jù)的測(cè)量和傳輸，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求和功能指標(biāo)。