基于FFT的互感式电流信号检测装置的设计

千承辉, 刘 赫, 黄晓菲, 惠乾鑫

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 长春 130061)

0 引 言

目前, 电流信号检测的方法相对已经比较成熟, 热电法[1]和测辐射热器法[2]都能实现对高频电流的测量。在传统电流测量方法中, 通常被测件与测量仪器串联相接, 导致电路负载效应较大, 而且测量难度也随之增大[3-4]。随着电子技术的高速发展, 基于微处理器的电流检测装置可以实现与电脑通信传送数据, 完成对测量对象的自动检测, 推动了测控仪器领域的革新[5-6]。笔者在设计时考虑到了现有电流测量技术需串联接入电路的不足，结合微处理器电流检测技术，设计出一套基于FFT(Fast Fourier Transform)算法的互感式电流检测装置，采用非接触式电流测量方式，减少了对被测电路的影响。

1 设计思路

电流信号检测装置由电流传感器、微处理器和显示部分组成。互感电流传感器模块利用漆包线缠绕在铁氧体磁环上制成, 检波电路利用OP07设计滤波电路及放大电路并对输出信号进行直流偏置, STM32微处理器集成的模数转换器采集前级电路输出的电压信号, 进行FFT得到信号的频率及幅度特征, 将信号的幅度和频率信息显示在OLED上。图1为电流信号检测装置的总体设计框图。

图1 电流信号检测装置总体框图

2 装置理论分析与计算

互感式电流传感器以法拉第电磁感应定律为理论依据[7], 理论公式如下

(1)

其中E为感应电动势,n为线圈匝数，Δφ为单位时间Δt内的磁通量变化,f为信号频率，S为感应线圈面积，B为磁场强度。

一次线圈电流变化引起磁芯中磁通变化, 根据法拉第电磁感应原理在二次线圈中可以感应出变化的电压。

类比变压器工作原理, 如果没有磁场泄露, 一二次线圈电压比与线圈匝数比的关系如下

(2)

其中E1、E2分别为一次线圈、二次线圈中的电压,N1、N2分别为一次线圈、二次线圈的匝数。

该装置测量的正弦波信号频率范围为50 Hz～1 kHz, 峰峰值范围为10 mA～1 A, 电流测量精度优于5%, 频率测量精度优于1%, 故

δA=AminγA=10×5%=0.5 mA

(3)

δf=fminγf=50×2%=1 Hz

(4)

其中δA、δf分别为电流、频率分辨力，Amin、fmin分别为电流、频率信号最小值,γA、γf分别为电流、频率测量精度。

由于频率计算是利用FFT[8], 故频率分辨率公式如下

δf=fs/N

(5)

其中fs为采样频率,N为采样点数。

根据采样定理

fs>2fmax

(6)

其中fmax为信号频率最大值。

为便于测量, 将互感式电流传感器输出电压放大后进行采集, 故将电流分辨率进行转换(将电压调节至0～3 V)

δA′=3δA=1.5 mA

(7)

b=A′max/δA′=2 000

(8)

其中δA′为放大后的电流分辨力,A′为放大后电流信号最大值,n为ADC位数。

综上所述, 选择ADC位数为12位, 采样频率设置为4 kHz, 采样点数为4 000。

3 硬件电路设计

3.1 互感式电流传感器电路

互感式电流传感器是由漆包线缠绕在磁环上形成的, 漆包线匝数为N2=80, 被测电路穿越磁环中匝数为N1=1。

3.2 检波电路

互感式电流传感器感应的电流具有一定的噪声干扰和衰减, 因此需要进行滤波和放大。0P07运算放大器的输入失调电压低, 且其输入偏置电流低, 非常适合于测量设备和放大传感器的微弱信号等方面, 因此检波电路选择OP07。由线圈感应的信号流经OP07构成的有源滤波器进行低通滤波, 滤波后的信号再经过OP07构成的同相放大器进行放大, 最后信号通过电位器进行直流偏置以满足STM32微处理器的ADC采集电压的要求。电路如图2和图3所示。

图2 滤波电路图

图3 放大及直流偏置电路图

4 软件程序设计

软件部分的主要任务是读回传感器传出的电压信号, 利用快速傅里叶变换对信号进行频谱分析, 分析信号的频率及幅度, 并显示在上位机及OLED上[9]。程序设计流程如图4所示。

实际测量中频率与幅值均会对线圈的感应值造成影响, 利用500 mA电流测试数据进行数据校准如图5所示。可得, 幅度与频率的校准函数为

A=53 023f-1.196A0

(9)

图4 电流信号检测程序流程图 图5 采集数据拟合图像

5 测试方案与测试结果

5.1 测试方案

1)测量环路由TDA2030A音频功率放大器及25 W 10 Ω负载电阻组成, 保证了回路电流足够大, 可被传感器检测到。功率放大器电路如图6所示。

由信号发生器输出的50 Hz～1 kHz的任意信号经过J1输入到TDA2030构成的同相放大电路(两个二极管起到输出电压正负限幅保护；R2,C6用于稳定频率), 经过放大后的电流流经负载R5峰峰值最大值可达1 A。

2)通过对比信号发生器示值及测量显示结果验证测量正弦信号的准确性。

3)通过对比信号发生器示值、理论计算的傅里叶级数与测量显示结果验证测量三角波信号的准确性。

图6 功率放大器电路图

5.2 测试结果及分析

功率放大器性能测试如表1所示。

表1 功率放大器测试表

由表1可得, 信号经功率放大电路后50 Hz～1 kHz信号电流峰峰值均可达到1 A。电流检测分析电路性能测试如表2和表3所示。

表2 正弦信号检测测试表

表3 三角波信号检测测试表

由表2、表3可知, 该装置可以进行电流信号的检测与分析, 频率检测误差小于2%, 幅度检测误差小于5%。

5.3 测试分析与结论

经实验测试, 该电流信号检测装置在待测信号频率范围50 Hz～1 kHz, 峰峰值范围10 mA～1 A内, 能以高精度检测正弦波和三角波信号并详细地显示检测到的电流的幅度和频率等信息。实现了对电路中电流信号的实时监测及谐波分析。

6 结 语

笔者在理论分析的基础上, 设计了一套基于FFT的互感式的电流信号检测装置, 对电流信号进行了实际检测和谐波分析测试。实验结果表明, 该装置在保证测量精度的前提下具有较高的性价比, 而且可以实现与电脑通信传送数据, 对测量对象的自动调试和检验。这种以微处理器为核心的测量装置实现了测量自动化和功能多样化, 在工业领域中电力环境监测方面有着一定的应用价值。