多课程融合的非接触式电流检测实验项目设计

徐 伟，黄武奇

多课程融合的非接触式电流检测实验项目设计

徐 伟，黄武奇

（南京信息工程大学，江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044）

设计了一个非接触式电流谐波检测的综合实验，实验电路包括功率放大、互感线圈、电流-电压转换、有效值检测、程控滤波、单片机控制、现场可编门阵列（FPGA）分频和计数等。实验除了覆盖电子线路、FPGA等硬件课程外，还融合了信号与系统课程中的信号分解与合成的理论知识。设计方案注重新型器件的运用，为电子系统设计的实践教学提供了良好的案例。

电流检测；多课程融合；实验项目；程控滤波器；功率放大

综合电子系统设计是电子信息类重要的实践课程，课程目标是培养学生实践和解决实际复杂工程问题的能力[1-2]。良好的实验案例是实现课程目标的关键，对工程教育专业认证毕业要求如分析问题、使用现代工具等目标的达成有重要作用。

我校电子信息工程、通信工程两个专业自开始准备申请工程教育专业认准以来，针对学生工程能力的达成，不断完善综合实践案例教学内容，设计了能融合多门专业课程、基于实际电子工程项目的实验教学案例。学生根据实验任务要求，完成实验项目中各 电路模块的仿真、电路板设计调试、数据测试及报告撰写。

1 实验项目的设计背景和任务

非接触式电流信号检测仪表在电力、雷电防护领域有着广泛应用，2018年TI杯大学生电子设计竞赛题中也出现了电流检测装置的设计。该实验项目具有很好的工程应用和学科竞赛背景，将模拟电子线路、单片机、现场可编门阵列（FPGA）技术、信号与系统等课程的相关知识融入到设计方案中，有利于课程目标的实现。

图1中任意波形发生器为给定的实验仪器，虚线框内为项目要设计的电路。

图1 实验项目功能示意图

具体要求：

（1）设置任意波发生器输出一个任意波形的电压信号，该信号由多次谐波合成，基波频率范围为50~200 Hz；

（2）功率放大器增益固定、不得改变，且能使环路电流的峰峰值是任意波发生器设置电压峰峰值的0.1倍，负载电阻为10 Ω；

（3）利用互感线圈电流传感器获取环路中电流信号，设计电流检测分析电路，实现非接触式测量，测量电流信号基波和谐波的频率和幅值，频率测量精度优于1%，幅值测量精度优于5%；

（4）将基波和各次谐波的频率和幅值的测量结果与任意波形发生器的设置值进行比对，分析误差。

2 实验开发与设计

2.1 实验方案

杨鸥宁等[3]提出了一种利用FPGA进行电流实时监测系统，采用MAX9918芯片将被测电流转换为电压，然后用FPGA控制高速AD对MAX9918的输出电压采样，间接地测电流，具有精度高的优点，但需要将电路接入被测电路，大功率环境下电流测量具有一定的危险性。赵新[4]提出了一种用IAP15W4K58S4单片机结合程控放大、有效值和频率检测等模块测量电流的电路，只能测量单一正弦信号的频率和幅值，无法对电流信号的谐波进行分析。张心怡等[5]、李彦君[6]、卢秀和等[7]，分别采用不同的单片机对电流信号进行FFT分析，然后计算出电流信号的基波幅度、频率、以及各次谐波，这种方法具有成本低、测量要素全的优点，但采样噪声对测量结果的影响较大。

LINEAR公司研制的程控滤波芯片为电流信号的分析检测提供了一种硬件实现途径[8]。实验项目以程控滤波模块为核心，以STM32F103VET6单片机为主控，由电流信号发生、电流互感、电流-电压转换、程控滤波器、有效值测量、A/D采样、电压比较、FPGA等电路组成，将测得的数据通过TFT屏显示。实验系统结构框图见图2。

图2 系统结构框图

实验系统利用任意波发生器、功率放大电路、大功率电阻负载构成电流回路，由回路提供被测电流。为实现对回路电流的无接触式测量，通过一电流传感线圈N2的互感输出电流与被测电流成线性关系，设计信号调理电路将线圈的输出电流转化为电压。设计两个不同的支路分别完成电压信号的频率和谐波幅值的测量。一路经过电压跟随器，接入程控滤波器模块，分离出谐波成分，再利用有效值检测电路将谐波转化为直流，最后通过高精度ADC采样测量幅值；另一路接入电压比较器，将被测信号转换为同频率的脉冲。FPGA采用等精度法测量脉冲信号的频率即为电流信号的频率[9]，FPGA测得的数据发送给STM32单片机进行处理和显示。

2.2 实验电路设计

2.2.1 被测电流产生电路

采用任意波形发生器、功率放大电路、水泥电阻构成电流信号产生电路。任意波发生器可以输出多种不同幅度的谐波的合成波形，利用功率放大器将合成波形进行功率放大，使得接10 Ω水泥电阻作为功负载时，电流波形完好、不失真。

功率放大电路的总体结构框图见图3，功率放大电路见图4。第一级为NE5532电压跟随，第二级固定1倍同向放大，末级采用大功率MOS管IRF630和IRF9630组成甲乙类推挽输出级，整体做1倍的功率放大。调节滑动变阻器R10和R14阻值，使MOS管偏置电压为3.7 V。经实验，功率放大电路在±12 V的供电条件下带负载能力强，电压峰峰值为16 V，信号频率可达30 kHz。

图3 功率放大电路结构框图

图4 功率放大电路

2.2.2 无接触式传感电路

在锰芯磁环上绕制线圈可以提高电流传感器的灵敏度，将1000匝漆包线构绕制在锰芯磁环上构成电流传感线圈2，将被测电流的导线从磁环中穿过（1= 1）。电流关系满足下式：

传感线圈电流2为原电流信号1的1/1000。

线圈传输的是电流信号，为便于测量将其转换为电压[10-11]。/转换电路如图5所示，传感器线圈电流通过R3转为电压信号，再经过同相放大，使得信号放大到一个适合于测量的范围，运放芯片采用OP07。

图5 I/V转换电路

2.2.3 程控滤波电路

为测量/转换后的电压波形中各次谐波的幅值和频率，利用程控滤波模块分别提取各次谐波信号。LINEAR公司的LTC1068系列是低噪声、高精度的通用滤波器组合，由4个相同的2阶开关电容滤波器单元组成。LTC1068系列芯片之间差别仅仅是时钟频率CLK与中心频率C比（CLK/C）不同，单芯片可以被设计为2阶、4阶、6阶或8阶滤波器。多数应用场合设计滤波器要求不同的CLK/C，可以通过外部电阻和不同的连接方式加以解决。

选用LTC1068系列中的LTC1068-200，截止频率范围为0.5 Hz~20 kHz，采用±5 V供电。通过LINEAR公司的Filter CAD软件设计一个值很高的带通滤波器，设置通带内电压增益为1，确定好电路的连线方式和电阻，只需要给滤波器以一个控制时钟，就可以实现控制滤波器的中心频率，时钟频率和中心频率满足如下关系式：CLK=100C。程控滤波器原理图如图6所示。

图6 程控滤波电路

此外，还需在程控滤波器前加电压跟随器，用于隔离滤波器和比较器模块，减小两者之间的相互干扰。

2.2.4 有效值检测电路

采用精密ADC采集OUT端输出的直流电压，可根据（2）式计算正弦信号的峰值。电压有效值检测电路见图7。

2.2.5 电压比较电路

谐波的幅值比基波幅值小得多，小信号接入比较器时，输出方波上升沿抖动及FPGA干扰问题会使FPGA测频不准确，因此在电压比较器前加前级放大电路，使信号变得更加稳定后接入LM393比较器。电压比较器电路如图8所示，LM393采用+12 V单电源供电，所以信号通过LM393输出最大为12 V，而FPGA的工作电压为3.3 V左右，因此通过R2、R3分压处理。

图8 电压比较器电路

2.2.6 信号的频率测量电路

FPGA对于数字信号的处理有很强的优越性[12-14]，采用等精度法测量，频率相对误差可以达到10–8。等精度法是在闸门时间开始时，同时对外部信号和内部标准时钟进行计数，等闸门时间到时，关闭计数。设实际闸门时间为，标准信号计数0次，频率为0，待测信号的计数为1、频率为X，则有

被测信号频率X和标准信号频率0的函数关系为

采用的FPGA为EP2C5T144。图9为频率测量实体电路。

图9 频率测量实体电路

3 实验系统软件设计

程序开始后完成LCD、ADS115、GPIO和定时器等一系列的初始化工作，图10为程序流程图（为谐波次数）。

图10 实验程序流程图

模化初始化后，程序进入循环测量和显示。子程序的功能包括测频、定时输出PWM（脉宽调制）控制LTC1068滤波、测幅、数据分析和TFT显示等。ADC每测完一次电压，PWM频率做出相应的改变，准备下一次的电压测量，程序设置最高测到7次谐波。

4 实验测试及分析

测试采用的函数信号发生器为RIGOL DG4202。设置有限次谐波合成波形，设置基波的频率为200 Hz，设置了2次、5次、7次谐波。然后用测得的电流值与任意波形发生器上的设置值进行比对，得出误差。测量结果见表1。图11为实验电路。

表1 电流峰峰值及各次谐波测试

图11 实验电路

（1）在任意波形发生器上设置的谐波分量，电路检测电路都能准确地分离，并能测量谐波的频率和幅值。采用等精度的方法测量频率具有很高的精度。幅值测量误差主要是由于有效值检测模块的误差引起。

（2）不同的功率放大电路在放大小信号时，引入的噪声对电流谐波测量结果的影响较大，而采用本实验项目中的功率放大电路，在小信号时电路的噪声也较小。

（3）基波频率测量的准确度是至关重要的，因为谐波的测量是以基波为基础的，基波频率测量的微小偏差会直接影响到程控滤波的精度，最终对高次谐波幅度的测量产生影响。理论上可以测到更高次的谐波，程序中设置了最高7次谐波。

5 结语

（1）实验项目不仅要综合电子线路、微控制器等硬件技术，还要注重将信号处理的理论知识融入到项目中。本项目通过任意波发生器构造一个合成波形，然后利用滤波器进行分离检测。整个过程很好地运用了信号分解与合成的相关知识。

（2）设计方案要注重一些典型模块或方法的运用。本实验项目中程控滤波、有效值检测、/转换等典型电路，以及等精度测频的方法。这些典型电路在仪器仪表中应用广泛，还可让学生理解等精度测频方法同直接测频法、测周法的异同点。

（3）综合实验项目所涉及的知识既要立足课本，又要注重新型集成电路在工程中的运用，比如本项目中选择的低噪声、高准确度的开关式电容滤波器。

[1] 何秋生，赵志诚. OBE理念下的“单片机应用技术”实验案例设计[J].实验技术与管理，2018, 35(11): 203–207.

[2] 晏涌，刘学君，亢勇，等.“电子工程设计”实践教学评价体系的建立与实施[J].实验技术与管理，2018, 35(10): 166–169, 180.

[3] 杨鸥宁，岳凤英，岳妮.基于FPGA的高精度电流实时监测系统设计[J].自动化与仪表，2016, 31(2): 69–72.

[4] 赵新.基于单片机控制的交流电流信号检测装置的设计[J].武汉交通职业学院学报，2018, 20(3): 100–104.

[5] 张心怡，官文亮，梅政，等.电流信号检测装置[J].电子制作，2018(21): 62–64.

[6] 李彦君，赵帆.基于MSP430单片机的电流信号检测装置[J].电脑迷，2018(11): 95.

[7] 卢秀和，徐铭.基于瞬时无功功率理论的电流高次谐波检测方法研究[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2009, 1(2): 161–164.

[8] 耿建平，杨键，杨华蕾.基于LTC1068光纤电流互感器的二次侧信号处理[J].电子科技，2012, 25(3): 69.

[9] 徐伟，吴静，杨阳，等.等精度信号参数测量仪设计[J].实验技术与管理，2018, 35(6): 100–104.

[10] 华国环，董文锋，费敬敬，等.基于模拟选择开关和故障字典的数字芯片检测系统[J].仪表技术与传感器，2018(7): 77–80.

[11] 徐伟，冯晓宇，盛沨，等.一种改进自动气象站信号模拟器温度通道的方法[J].电子测量与仪器学报，2017, 31(11): 1869–1874.

[12] 王丽娜，杨绪森，许冉，等.基于FPGA的宽带信号产生和频率测量电路[J].现代电子技术，2018, 41(17): 107–111.

[13] 裴晓芳，王洁，宋林.基于FPGA的快速图像纹理特征提 取方法的研究[J].电子测量与仪器学报，2017, 31(7): 1067– 1073.

[14] 聂晓鸿，王建，陈建军.基于LMS的自适应数字波束形成的FPGA实现[J].南京信息工程大学学报，2013, 5(3): 267–272.

Design of non-contact current detection experiment with multi-course fusion

XU Wei, HUANG Wuqi

(Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

The implementation of China Engineering Education Accreditation promotes experimental teachers to incorporate knowledge points of many professional courses, subject contests, teachers’ accumulation of scientific research and modern electronic technology into the design of experimental cases. A comprehensive experiment of non-contact current harmonic detection is proposed. The experimental circuit includes power amplifier, mutual inductance coil, current-voltage conversion, RMS detection, programmable filter, MCU, FPGA frequency division and counting. In addition to covering courses such as Electronic Circuits and FPGA, it also incorporates theoretical knowledge of signal decomposition and synthesis in course of Signals and Systems. At the same time, the design focuses on the application of new devices. It provides a good experimental case for the practical course design of electronic system design.

China Engineering Education Accreditation; Multi-course fusion; current detection; programmable filter; power amplifier

TM933.1；G642.423

A

1002-4956(2019)10-0054-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.013

2019-03-10

国家自然科学基金项目（41605121）；江苏高校品牌专业建设工程一期项目（苏教高[2015]11号，PPZY2015B134）

徐伟（1981—），男，湖北黄冈，博士，高级实验师，主要研究方向为气象观测方法及仪器。E-mail: xw@nuist.edu.cn