一种瞬态大电流测量电路设计

崔红明，邵光鹏

（中国船舶集团有限公司第七一三研究所，河南 郑州 450015）

0 引 言

分析发电机的三相突然短路过程，由于超瞬变过程的过渡时间极短，只有零点几秒，瞬变过程的过渡时间也只有一点几秒，而发电机的短路电流又比较大，在较短的时间内超瞬变分量的衰减很快，如果采用电流互感器或电流传感器来对三相突然短路的电流进行测量，那么其中的电感分量将会对测量结果造成很大的影响。而分流器作为一个纯电阻元件，在三相突然短路电流的测量中具有不可替代的作用。据此，本文设计了一种基于分流器的瞬态大电流测量电路，该电路具有较好的抗干扰性能，能够很好地抑制采集与传输过程中外界的强电磁干扰，大大提高了分流器的测量精度。

1 硬件总体结构

整体硬件结构如图1所示。由图1可以看出，硬件部分由信号调理电路、模拟/数字（Analog/Digital，A/D）转换电路、中央处理单元以及WiFi传输模块电路4个部分组成。其中，分流器上的电压信号依次经过隔离放大电路、滤波电路、求和电路、单端变差分电路以及A/D转换电路，然后以并行总线形式进入微处理器，经过处理后以数据帧的形式由WiFi模块电路进行发送。

图1 硬件结构

2 信号调理电路硬件实现

由于分流器输出信号为75 mV电压信号，不能满足A/D转换器的输入要求，因此需要用到信号调理电路处理分流器上输出的电压信号。结合A/D转换器的输入信号范围及分流器上电压信号的范围，信号调理电路主要完成隔离放大、滤波、增益调节以及单端信号转差分信号等环节[1]。

3 A/D转换电路

A/D转换器是模拟信号测量中必不可少的器件，它直接影响着三相突然短路电流信号的测量精度。本设计电路中选用AD7677型高速16位A/D转换器，模块设计如图2所示[2]。

图2 A/D转换电路

4 微处理电路

选用STM32芯片中的STM32F103VET6作为核心控制芯片，首先可以控制A/D采集器对前端信号进行数据采集，并且对采集的速度及数据处理能力要求较高，其次可以对采集到的数据进行分帧、打包等处理，最后可以控制WiFi模块与个人计算机（Personal Computer，PC）通信，发送采集到的数据[3,4]。

5 WiFi模块电路

数据传输电路部分采用了单片机控制WiFi模块创建一个Ad-Hoc网络，对数据进行传输[5]。WiFi模块选用WM-G-MR-09，其电路原理如图3所示。

图3 WiFi模块电路设计

6 PCB设计及试验结果分析

采用模拟电路与数字电路分开设计、集中调试的方法，PCB电路板如图4所示。

图4 电路板

选用MFG-3000系列的直接数字合成（Direct Digital Synthesis，DDS）函数信号发生器MFG-3060，可以精确设定输出电压信号的类型、幅值和频率。将信号发送器与本文所设计的测量电路相连接，接通电源后连接上PC机。则模拟量测量试验工作台如图5所示。

图5 模拟量测量实验工作台

选择正弦波作为模拟测量信号。每次测量时，改变信号源输出正弦波的频率和峰峰值，输出频率依次设定为50 Hz和100 Hz，每个频点调整输出峰峰值为100 mV和200 mV，来测试电路的测量精度。通过测得的数值与输入的波形进行对比分析，其结果如表1所示。

表1 测量结果对比

7 结 论

在模拟信号测量实验中，使用测量系统对信号源输出的标准信号进行测量，得到了测量系统对于不同频率和幅值信号的测量误差。实验表明，所设计的电流测量电路可以完成数据的测量和传输，达到了设计的要求和功能指标。