基于TM4C的非接触式简易电流信号频谱分析装置
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作者:简江伟 张宗昱 游远帆 朱灿杰
摘 要：本文提出一种新型的非接触式电流信号频谱分析装置，本装置能够检测幅度为10mA至5A，频率为10Hz～1KHz的电流信号频谱。装置由电流传感模块、低噪放大模块、偏置电路、TM4C1294控制模块组成。电流传感模块采用非接触式测量，信号经低噪放大后同时输入到偏置电路与后级程控增益电路，输出增益控制信号实现自动增益转换，使得单片机的输入信号能够稳定在所设置的最佳测量范围。在单片机上利用FFT算法对信号进行频谱分析并在液晶上显示。
关键词：非接触式;自动增益转换;FFT算法;频谱分析
1 总体结构
本装置由电流传感模块、低噪放大模块、偏置电路、TM4C1294控制模块四部分组成，电流传感模块用于感应电流信号，输出一个感应电压信号。随着电流信号的变化，电流传感模块输出的信号随之线性变化，将输出信号接入到低噪放大模块。低噪放大模块使用了仪表放大器与程控增益放大器，使得单片机的输入信号电压稳定在3V左右，此时TM4C1294单片机对输入信号做FFT处理，并显示在液晶上。
2 电流传感模块设计
电流传感模块使用绕制线圈实现。通过待测电流变化引起的磁场变化将待测电流修信号以非接触的方式传感至磁环外线圈两端以电压信号输出。[1]
设二次侧线圈匝数为N2，电流信号频率为f，为取磁环通过的磁通为Φm，根据法拉第电磁感应定律，在磁芯未饱和时的输出感应电动势为：[1]
U=-j4.44fN2Φm（1）
3 低噪放大模块
电流传感模块在测大电流时会造成IO口烧坏，小电流时微弱信号无法读取，故需要将信号放大到某一范围，放大模块由低噪放大与程控放大两级电路组成。
3.1 低噪放大电路设计
当被测电流为微弱信号时，测量模块输出的感应电动势较微弱，此时空间中的噪声对其干扰很大。电路使用TI公司生产的INA128低功耗精密仪表放大芯片，其具有120dB的高共模抑制比，低失调电压，低温漂、低输入偏置电流的优越性能。电路的增益为：
G=1+50KΩ/Rg（2）
式（2）中，Rg为电路增益电阻，该芯片可以通过设置增益电阻实现1到10000范围内任意增益。Rg取5KΩ的电位器，方便校准。
3.2 程控放大电路设计
当被测电流信号为量程最大或最小值附近时，不能直接连接到单片机读取，需要经过一定程度的信号放大或衰减。本设计使用TI公司的PGA281，提供二进制增益步长128V/V至1/8V/V的精密零漂移功能的程控放大芯片，[2]单片机通过设置G0～G3引脚的电平值设置增益，信号由INN引脚（15引脚）单端输入。
由于PGA281为差分信号输出，单片机读取时只读取其单端VOP引脚的输出信号，故取得的信号为差模信号的1/2倍。
4 偏置电路原理
由于TM4C1294的内置AD不能采集负电压，故需要引入直流偏置，偏置电路使用峰值检波，其作为偏置引入到PGA281的INP引脚（14引脚），使其輸出信号总能保持在0V以上，从而进行频谱分析。
峰值检波电路使用两片OPA227芯片，利用两个二极管整流，并利用RC环进行充放电，当输入信号为正半周时，D1截至，D2导通，电容C开始充电直至最大电压时刻;当输入信号在其负半周时，D1导通，D2截至，最后输出一个稳定的电平值。
5 单片机控制及频谱分析
5.1 单片机控制增益
单片机采样使用TM4C1294内置AD，其引脚输入电平范围在3V左右具有最好的精确度。因此将AD前级的输入电压最终稳定在3V左右。
（1）对于一个大小未知的采样信号，先利用单片机控制PGA281的增益使其衰减到原信号的1/4，防止电压过大而造成损害。再通过与3V进行比较，如较3V大，可以通过AD直接采样，并计算得出此时的实际电压大小为4*（采样值）。
（2）若采样信号电压值较小，将其衰减1/4后进行采样显然是不合适，应将其放大至3V左右。通过读取采样值与3V进行比较，从最小的放大倍数（*1）开始逐步放大，直至将信号放大到3V再采样。
5.2 频谱分析
在保证峰值电压低于单片机测量电压的前提下，使用TM4C1294单片机的定时器功能，采集8192个采样点的采样电压，直接调用TM4C1294内核中的FFT函数对信号进行快速傅里叶变化，FFT点数为8192个点，得到4096个数据点，通过频谱分析的结果，可以得到信号的频率和峰值等信息，并通过TFT彩屏显示。
6 系统测试
由信号发生器产生的信号经功率放大电路驱动后，通过导线连接4Ω电阻负载，使其电流信号频率范围为50Hz～10KHz，幅度范围为10mA～5A，检测环路电流信号的幅度及频率，测试结果如下所示：
测试结果表
从结果可以看出，在10Hz～1KHz频率下，本装置测量的信号幅度范围为10mA～5A，且精度能够优于5%，能够基本满足工程测试的需求。
7 结论
本装置装置的成本低，性价比高，可应用在大小的工程实践中。经过一定的拓展，能够实现更大的电流检测，更高次谐波的频谱计算，具有一定的工程使用价值。
参考文献：
[1]郑宇.三相电子式多功能电能表的研制[D].重庆大学，2010.
[2]TI推出业界最高精度的全差动可编程增益放大器[J].电子技术应用，2013，39（11）：9.
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