一种高精度电流检测装置的设计与实现
葛蓉 李翔 崔渊 尹进 陈祝洋 陈东勤
摘要：电路中谐波分量的存在严重影响用电设备安全，精确测量电流大小可大幅提高电子产品性能。本文以精确检测电流信号及其谐波信号的频率和幅值为目标，设计了一种高精度电流检测装置。本装置以MSP430和STM32103RC单片机为核心，由功放电路、非接触式感应线圈、整形电路三部分硬件电路组成。电流信号经单片机AD采样后，进行数据拟合及FFT等数据运算处理，在液晶屏上显示被测电流信号的频率及峰峰值，以及非正弦信号的基波及各次谐波的频率和峰-峰值。经测试，本装置很好地完成了10mA～1A电流大小的测量及非正弦波各次谐波的测量。
关键词：微电流流检测;谐波测量;功放电路;非接触式感应线圈
一、引言
人们的日常生活和实验研究都离不开众多电子设备，而在使用电子设备时，瞬间电流过大会烧坏设备;此外电网中多种冲击性、非线性负载设备的使用，使其电流和电压信号在基波的基础上堆叠了大量的谐波信号，因此需要高精度的电流检测装置改善这些情况[1]。
二、系统方案设计
本设计以功放模块和电流检测分析模块为主，配合相应的AD采集模块、MSP430单片机模块、频率测量模块和STM32基波谐波测量模块设计的电流信号检测装置。其中通过单片机MSP430完成对整个测量电路的功能控制和数据处理，对输出电流信号的频率和峰-峰值进行测量。STM32完成对电流信号基波以及各次谐波分量的测量。整个装置系统包括任意波信号发生源、射极跟随器、反相衰减器、功率放大器、放大器、过零比较器、峰值检波电路、低通滤波器。电流检测装置的系统方案设计框图如图1所示。
三、核心电路设计
（一）功放与程控放大器模块
本设计采用LM1875构成的集成功率放大器，设计的放大倍数为20。采用20 kΩ和1 kΩ的电阻组成负反馈网络，同时在输出端增加电阻与电容组成防高频自激电路，在正负电源两端增加退耦电容。而程控放大电路采用PGA202芯片，通过调整衰减电阻的比值可控制和改变其放大倍数。
（二）低通滤波器模块
借助FliterPro Desktop设计3KHz低通滤波器，去除电流互感中产生的杂波影响，为了达到滤波效果，设计采用巴特沃兹型的四阶低通滤波器，并由两个二阶低通滤波级联而成，其特点是通带内的频率响应曲线最为平坦。
（三）峰值检波器模块
该模块前级采用芯片OP37和OP07实现峰值检波功能，OP37起电压跟随作用，输出信号经过二极管1N4148滤除输入信号负半轴电压后，给电容C1充电，使电容两端电压保持在峰值，最后再经过OP07构成的电压跟随器输出。
四、控制软件设计
本设计软件控制部分由MSP430和STM32两种单片机共同完成，如图2所示。在MSP430中使用AD采集模块采集正弦波数据，并完成正弦波信号的幅度测量，同时在MSP430中用中断定时器完成正弦波信号的频率测量。在STM32中采用AD采集模块采集非正弦波数据，并在完成数据采集后，进行FFT运算等数据处理得到基波及各次谐波的频率和幅度，再由STM32的串口发送基波及各次谐波测量数据，MSP430的串口接收数据并送入液晶屏显示。
五、数据结果与分析
（一）电流信号的测试结果
用绕制的线圈制作电流传感器以获得微电流信号，测量并显示电流信号的峰峰值及频率。被测正弦信号范围为10mA～1A。输入信号频率为500Hz不变，控制输入电压峰峰值大小，测量输出电压峰峰值，计算出输出电流峰峰值，并测量输出信号频率。
（二）基波与谐波分量的测试结果
任意波信号发生器输出非正弦信号时，基波频率范围为50Hz～200Hz，测量电流信号基波频率和各次谐波分量的幅度，电流谐波测量频率不超过1kHz。信号发生器输出非正弦信号，以高电平为3.3V，低电平为0V，频率为100Hz，占空比为50%的方波為例，观察其输出基波与各次谐波幅度、频率的测试结果，见表1。
六、结语
本文主要说明了电流检测装置的设计过程及原理，包括电流检测电路、具有反馈控制的程控增益电路、信号整形电路，使用两种单片机采集信号、FFT算法实现谐波分析，由此构成电流信号检测装置。该装置在精确检测电子系统中电流信号的大小及其谐波信号的频率和幅值等参数中有重要的实用价值。
参考文献：
[1] 邝乃兴. 串联混合有源电力滤波器控制技术的优化研究[D].浙江大学， 2007.
[2] 杨旸，吴晓波.一种用于高端电流检测的高精度放大器的设计[J].电路与系统学报，2011，16（2）：1-6.
[3] 王文海. 基于STM32微控制器的过采样技术研究与实现[J]. 数字技术与应用，2017（10）：5+7