黃冬梅 王樹(shù)鑫

摘 要：本系統(tǒng)基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)的非接觸式電流檢測(cè)控制系統(tǒng)，通過(guò)OPA548片將所給任意信號(hào)放大，由100 Ω電阻和INA128芯片進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換放大后，利用STM32單片機(jī)對(duì)獲取的電壓信號(hào)以0.488 μs頻率采樣，利用STM32單片機(jī)的FFT庫(kù)，獲得信號(hào)的諧波信息。測(cè)量電流信號(hào)精準(zhǔn)，該設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用在以STM32單片機(jī)為核心控制器件的新型儀表中，性能精準(zhǔn)且抗干擾能力強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：STM32；OPA548；自動(dòng)增益控制

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用OPA548對(duì)信號(hào)源進(jìn)行功放，流過(guò)10 Ω負(fù)載電阻的電流峰峰值至少在1 A以上，利用霍爾效應(yīng)制成的線圈檢測(cè)電流信號(hào)，經(jīng)100 Ω電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；利用INA128芯片將獲得的電壓信號(hào)進(jìn)行第一次放大，STM32單片機(jī)控制繼電器使第二次不同的放大倍數(shù)的電路導(dǎo)通，測(cè)量其峰峰值電壓；并對(duì)獲取的電壓信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，找到頻率在1 kHz以下的諧波分量，單片機(jī)顯示測(cè)得的峰峰值、頻率和諧波頻率[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 功率放大芯片

OPA548是一種低成本、高電壓、高電流的放大器，適用于各種負(fù)載的驅(qū)動(dòng)，可提供優(yōu)異的性能低電平信號(hào)精度和高輸出電壓和電流，且具有設(shè)計(jì)靈活、有過(guò)溫和過(guò)流保護(hù)特點(diǎn)，能提供精確的用戶設(shè)定的電流上限。

1.2 繼電器開(kāi)關(guān)控制不同增益電路

采用多個(gè)運(yùn)算放大器搭建有不同增益的放大電路，并在每個(gè)電路后串聯(lián)一個(gè)繼電器用于控制電路通斷，繼電器用前加一級(jí)反相器的高耐壓驅(qū)動(dòng)管ULN2803控制其通斷。

1.3 頻率測(cè)量方案

利用STM32的FFT算法測(cè)量基波頻率，可降低編程的難度。利用ADC采樣之后將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號(hào)，將所得離散信號(hào)經(jīng)FFT變換至頻域，獲得信號(hào)頻率[2]。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 功率放大電路

采用OPA548芯片作為功率放大的核心芯片，調(diào)整電阻阻值使電路電流從10 mA放大至1 A，且在電路中增加去耦電容保證放大效果，具體電路如圖2所示。

2.3 電流轉(zhuǎn)換放大電路

由于系統(tǒng)感應(yīng)線圈中得到的是電流信號(hào)，需用100 Ω電阻將感應(yīng)線圈獲得的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。在此，先進(jìn)行一次放大使單片機(jī)初步獲得電壓范圍，具體電路如圖3所示。

第二次放大的選通開(kāi)關(guān)為繼電器，采用與第一次放大相似的電路，8.5倍放大電路[3]。

由于STM32獲取0～3 V的信號(hào)，需加直流偏移電路和加法器電路。

2.4 STM32單片機(jī)控制電路

STM32單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)門控制繼電器通斷，由于單片機(jī)輸出口帶負(fù)載能力有限，故在驅(qū)動(dòng)門前再加一級(jí)反相器提高帶負(fù)載能力[4]。

2.4.1 單片機(jī)外圍器件選擇

（1）開(kāi)關(guān)芯片采用八路NPN達(dá)林頓連接晶體管陣系列的ULN2803。

（2）運(yùn)算放大器核心芯片選擇INA128，穩(wěn)定性強(qiáng)，外部電簡(jiǎn)單。

2.4.2 程序功能的實(shí)現(xiàn)

（1）AD電壓采集：用STM32內(nèi)置的ADC模塊，對(duì)信號(hào)通道Tix得到的電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

（2）電流幅值、頻率的捕獲及算法：用STM32的FFT算法對(duì)獲得的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到需要的基波和諧波頻率及幅值。

（3）顯示部分：將獲取的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)延時(shí)顯示方便觀察。

3 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試方案

（1）電流幅值的測(cè)試：信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生50～1 000 Hz正弦波，分別取頻率50 Hz、100 Hz、300 Hz、500 Hz、800 Hz、1 kHz，在輸出端檢測(cè)輸出峰峰值，計(jì)算相對(duì)誤差。

（2）電流頻率的測(cè)試：使信號(hào)發(fā)生器輸出幅值固定的正弦波，頻率分別取50 Hz、100 Hz、200 Hz……，每隔100 Hz取一測(cè)試點(diǎn)直到1 kHz，在輸出端檢測(cè)輸出頻率，計(jì)算相對(duì)誤差。

（3）基波頻率的測(cè)試：使信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為50～ 1 000 Hz的脈沖波，幅值分別取0.1 V、5 V、10 V，在輸出點(diǎn)檢測(cè)輸出頻率，計(jì)算相對(duì)誤差。

（4）幅度的測(cè)試：使信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為50～1 000 Hz的脈沖波，幅值分別取0.1 V、5 V、10 V，在輸出點(diǎn)檢測(cè)輸出頻率，計(jì)算相對(duì)誤差。

3.2 測(cè)試結(jié)果

（1）被測(cè)正弦電流峰峰值范圍為10 mA～1 A，電流測(cè)量精度優(yōu)于5%，頻率測(cè)量精度優(yōu)于1%。

（2）任意波信號(hào)發(fā)生器輸出非正弦信號(hào)時(shí)，基波頻率范圍為50～200 Hz，電流信號(hào)基波頻率測(cè)量精度優(yōu)于1%。

（3）各次諧波分量的幅度測(cè)量精度優(yōu)于5%。

4 結(jié)語(yǔ)

由以上測(cè)試數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控器件的新型儀表，采用OPA548作為放大器，能夠精確地檢測(cè)到電流的幅度、頻率等信息，具備操作簡(jiǎn)單、功能完善、便于攜帶等特點(diǎn)，適合廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化儀表中。

[參考文獻(xiàn)]

[1]德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)（上海）有限公司大學(xué)計(jì)劃.德州儀器高性能模擬器件高校應(yīng)用指南—信號(hào)鏈與電源[M].上海：德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)（上海）有限公司大學(xué)計(jì)劃，2014：120-132.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]彭軍.運(yùn)算放大器及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2016.