一种电流信号检测装置的制作方法

本实用新型涉及电流信号检测设备，尤其涉及一种用于检测周期、感应信号的电流信号检测装置。

背景技术：

目前大多数的电流信号监测装置由于对芯片的选择以及对模拟电路的设计不合理，使得设计出来的信号检测装置存在噪声大、漂移严重以及失真度高等缺点，同时由于单片机的内部定时器和主频有限，对信号的采集速度慢、误差大、分辨率较低，因此无法满足精度的需求，同时当信号为正弦波或者三角波的时候，此时由于信号的频谱所覆盖的范围比较广，因此单片机无法对其进行精准的采集，因此需要设计出一种电流检测装置来满足需求。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种能够提高信号精度的电流信号检测装置。

技术方案：一种电流信号检测装置，包括功率放大电路、电流传感器模块、差分放大电路、带通滤波电路、后置放大器电路、射极跟随器电路和信号采集电路；外部周期信号作为整个系统的输入信号，该信号经过功率放大电路之后进入电流传感器模块，经电流传感器模块感应出电流信号进入差分放大电路，在差分放大电路中进行相应的放大以及滤除部分噪声之后进入带通滤波电路，在滤除相应的频谱分量之后判断信号的幅度，对单片机无法准确测量的信号的幅度进行放大后进入射极跟随器电路，经跟随器隔离影响之后进入单片机进行测量。

所述功率放大电路采用OPA548芯片，还包括电阻R11、电阻R12、电阻 R13’、反馈电阻Rf、电阻R13，电容C12、电容C110、电容C130、电容C131 以及排针P11、信号输入端IN、信号输出端VOUT；所述功率放大电路的放大倍数为一倍；所述电阻R11一端与电阻R12相连，另外一端与芯片OPA548的VIN+ 引脚相连；电阻R12一端与电阻R11相连，另外一端与芯片OPA548的输入端 IN端相连；电阻R13一端与地相连，另外一端与芯片OPA548的VIN-引脚相连；电阻R13’一端与芯片OPA548的引脚Ilim相连，另外一端与电容C110、电容C130 以及排针P11相连；反馈电阻Rf一端与电阻R13以及芯片OPA548的VIN-相连，另外一端与芯片OPA548的VOUT以及芯片OPA548的VO端相连；电容C110、电容C130的一端与芯片OPA548的Ilim引脚相连，另外一段与地相连；电容C12、电容C131一端与芯片OPA548的V+引脚和排针P11相连，另外一端与地相连。

所述电流传感器模块为由漆包线在锰芯磁环上绕制线圈制作而成。

所述差分放大电路采用INA217芯片，还包括芯片输入信号引脚P21、输入信号引脚P22、排针P23、输出信号引脚P24以及电容C220、电容C221、电容C230、电容C231、电阻R21、电阻R22；其中电阻R21一端与芯片INA217的VIN-引脚以及输入信号引脚P21相连，另外一端与芯片INA217的VIN+引脚以及输入信号引脚P22相连；电阻R22一端与芯片INA217的RG1引脚相连，另外一端与芯片INA217的RG2引脚相连；电容C221、电容C231一端与芯片INA217 的V-引脚以及P23相连，另外一端与地相连；电容C220、电容C230一端与芯片INA217的V+引脚以及排针P23相连，另外一端与地相连；芯片INA217的引脚REF与地相连，引脚VOUT与输出信号引脚P24相连。

所述带通滤波电路采用巴特沃斯构型；设定其高通滤波电路的截止频率为 40Hz，设定低通滤波电路的截止频率为4KHz，由此组成带通滤波器。所述低通滤波电路包括信号输入端子P31、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电容C31、电容C32、电容C33、电容C34、电容C35、电容C36、电容C37、电容C38、电容C332、电容C333、电容C335、电容C337、输出信号端子P32、排针P34以及两个OPA227芯片：第一OPA227芯片和第二 OPA227芯片，其中电阻R31一端与输入信号端子P31相连，另外一端与电阻 R32、电阻R33和电容C31相连，电阻R32一端与电阻R31、电容C31、电阻 R33相连，另外一端与电容C32和电阻R34相连，电阻R33一端与电阻R31、电阻R32和电容C31相连，另外一端与电容C32以及第一OPA227芯片引脚-IN 相连；电容C32一端与电阻R31、电阻R32、电阻R333相连，另外一端与地相连；电容C37、电容C332一端与第一OPA227芯片的V+引脚以及排针P34相连，另外一端与地相连；电阻R34一端与电阻R32、电容C32以及第一OPA227芯片引脚output相连，另外一端与电容C34、电阻R35、电阻R36相连；电容C34 一端与电阻R34、电阻R35和电阻R36相连，另外一端与地相连；电阻R35一端与电容C34、电阻R34、电阻R36相连，另外一端与电容C35以及第二OPA227 芯片引脚-IN相连；电阻R36一端与电容C34、电容R34、电容R35相连，另外一端与电容C35、输出信号端子P32以及第二OPA227芯片的output引脚相连；电容C38和电容C333一端与第二OPA227芯片引脚V+、排针P34相连，另一端与地相连；电容C33、电容C335一端与第一OPA227芯片的V+引脚、排针 P34相连，另外一端与地相连；电容C36、电容C337一端与第二OPA227芯片的V+引脚以及排针P34相连，另外一端与地相连；输出信号端子P32一端与第二OPA227芯片的output引脚相连，另外一端地相连；输入信号端子P31一端与电阻R31相连，另外一端与地相连；

所述高通滤波电路包括输入信号端子P41、输出信号端子P43、电容C41、电容C42、电容C43、电容C49、电容C430、电容C411、电容C434、电容C44、电容C45、电容C46、电容C48、电容C431、电容C47、电容C435、电阻R41、电阻R42、电阻R43、电阻R44、排针P44以及两个OPA227芯片：第三OPA227 芯片和第四OPA227芯片，其中输入信号端子P41一端与地相连，另外一端与电容C41相连；电容C41一端与输入信号端子P41相连，另外一端与电阻R41、电容C42、电容C43相连；电阻R41一端电容C41、电容C42、电容C43相连，另外一端与地相连；电容C42一端与电容C41、电容C43、电阻R41相连，另外一端与第三OPA227芯片的+IN引脚以及电阻R42相连；电容C43一端与电容C441、电容C2、电阻R41相连，另外一端与电阻R42以及第三OPA227芯片的output引脚相连；电阻R42一端与电容C42以及第三OPA227芯片的+IN引脚相连，另外一端与电容C43以及第三OPA227芯片的output引脚相连；电容 C49、电容C430一端与第三OPA227芯片的V+以及排针P44、电容C48、电容 C431引脚相连，另外一端与地相连；第三OPA227芯片的+IN引脚接地；电容 C44一端与第三OPA227芯片的output引脚以及电阻R42、电容C43相连，另外一端与电阻R43、电容C45、电容C46相连；电阻R43一端与电容C44、电容C45、电容C46相连，另外一端与地相连；电容C45一端与电阻R43、电容C44、电容C46相连，另外一端与第四OPA227芯片的-IN引脚以及电阻R44相连；电容 C46一端与电阻R43、电容C44、电容C445相连，另外一端与电阻R4相连；电阻R44一端与电容C45、电容C46以及第四OPA227芯片的-IN引脚相连，另外一端与第四OPA227芯片的output引脚以及输出信号端子P43相连；第四OPA227 芯片+IN引脚接地；输出信号端子P43一端与电阻R44以及第四OPA227芯片的output相连，另外一端与地相连；电容C49、电容C430一端与第三OPA227芯片的V-引脚以及排针P44、电容C48、电容C431、第四OPA227芯片的V-引脚相连，另外一端与地相连；电容C48、电容C431一端与电容C49、电容C430、第三OPA227芯片的V-引脚以及排针P44、第四OPA227芯片的V-引脚相连，另外一端与地相连；电容C434、电容C411一端与第三OPA227芯片的V+引脚、电容C435、电容C47、排针P44以及第四OPA227芯片的V+引脚相连，另外一端地相连；电容C47、电容C435一端与电容C411、电容C434、第三OPA227 芯片的V+引脚、第四OPA227芯片的V+引脚、排针P44相连，另外一端与地相连。

所述后置放大器电路包括输入端子P51、输出端子P52、电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R54、电容C51、电容C52、电容C53、电容C54、排针P53、第一OPA228芯片，其中输入端子P51一端与电阻R51、电阻R52相连，另外一端与地相连；电阻R51一端与输入端子P51以及电阻R52相连，另外一端与地相连；电阻R52一端与电阻R51以及输入端子P51相连，另外一端与第一OPA228 芯片的-IN引脚以及电阻R53相连；第一OPA228芯片的+IN引脚接地；电阻R53 一端与电阻R52以及第一OPA228芯片的-IN引脚相连，另外一端与第一OPA228 芯片的output引脚以及电阻R54相连；电阻R54一端与电阻R53以及第一OPA228 芯片的output引脚相连，另外一端与输出端子P52相连；输出端子P552一端与电阻R54相连，另外一端与地相连；电容C51、电容C52一端与第一OPA228 芯片的V-引脚以及排针P53相连，另外一端与地相连；电容C53、电容C54一端与第一芯片OPA228的引脚V+以及排针P53相连，另外一端与地相连。

所述射极跟随器电路包括输入端子P61、输出端子P62、排针P63、电阻R61、电阻R64、电容C61、电容C62、电容C63、电容C64、第二OPA228芯片；其中输入端子P61一端与电阻R61以及第二OPA228芯片的+IN引脚相连，另一端与地相连；电阻R61一端与输入端子P61以及第二OPA228芯片的+IN引脚相连，另外一端与地相连；第二OPA228芯片的-IN引脚与第二OPA228芯片的output 引脚以及电阻R664相连；电阻R64一端与第二OPA228芯片的-IN以及output 引脚相连另外一端与输出端子P62相连；输出端子P62一端与电阻R64相连，另外一端与地相连；电容C61、电容C62一端与第二OPA228芯片的V+引脚以及排针P63相连，另外一端与地相连；电容C63、电容C64一端与芯片OPA228 的V+引脚以及排针P3相连，另外一端与地相连。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下进步：1、电路设计简单，同时相比于其他的芯片而言，所选用的芯片具有高电压、高电流、高输出电压摆幅以及具有较低的电路损耗等特性；只需通过射极跟随的方法便可以满足功能需求，成本低。2、模拟滤波算法设计简单、易于实现，采用巴特沃斯构型，由于巴特沃斯滤波器在线型相位、衰减斜率和加载特性三个方面具有均衡的特性，因此更易于实现。3、采用滤波芯片OPA227，相比于其他的芯片具有更好的性能，克服了以往的由于芯片的增益带宽积选择不合适而造成噪声大、漂移严重的问题，同时由于该芯片具有低噪声、宽带宽、高精度的特性可以大大的提高信号的采集精度。4、采用单片机对数据进行处理，能够简化整个系统的复杂程度，同时结合单片机内部的平滑滤波算法，可以进一步提高信号的精度，提高整个系统的稳定性。5、本实用新型通过采用模拟滤波与数字滤波相结合的方式来降低信号中混有的杂波成分，以此提高信号的精度；同时利用芯片OPA548以及OPA227、 OPA228、INA217的高精度、低噪声、低失真、漂移小等特性来进一步提高信号采集的准确度。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是本实用新型的功率放大单元的电路图；

图3是本实用新型的差分放大单元的电路图；

图4是本实用新型的低通滤波单元的电路图；

图5是本实用新型的高通滤波单元的电路图；

图6是本实用新型的后置放大单元的电路图；

图7是本实用新型的射极跟随单元的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，该装置包括功率放大电路、电流传感器模块、差分放大电路、带通滤波电路、后置放大器电路、射极跟随器电路和信号采集电路。外部周期信号作为整个系统的输入信号，该信号经过功率放大电路之后进入电流传感器模块，经电流传感器模块感应出电流信号进入差分放大电路，在差分放大电路中进行相应的放大以及滤除部分噪声之后进入带通滤波电路，在滤除相应的频谱分量之后判断信号的幅度，当幅度较小的时候进入后置放大电路进行一定的放大后进入射极跟随器电路，经跟随器隔离影响之后进入单片机进行测量。

如图2所示，信号进入功率放大电路，其放大倍数为一倍，即输入的电压幅度与输出的电压幅度相等，且输出信号无明显失真。在该放大电路中，电阻R11 一端与电阻R12相连，另外一端与芯片OPA548的VIN+引脚相连；电阻R12一端与电阻R11相连，另外一端与芯片OPA548的输入端IN端相连；电阻R13一端与地相连，另外一端与芯片OPA548的VIN-引脚相连；电阻R13’一端与芯片 OPA548的引脚Ilim相连，另外一端与电容C110、电容C130以及排针P11相连；反馈电阻Rf一端与电阻R13以及芯片OPA548的VIN-相连，另外一端与芯片 OPA548的VOUT以及芯片OPA548的VO端相连；电容C110、电容C130一端与芯片OPA548的Ilim引脚相连，另外一端与地相连；电容C12、电容C131一端与芯片OPA548的V+引脚和排针P11相连，另外一端与地相连。

如图3所示，由于感应得到的电流信号具有较大的噪声，且抗干扰的能力较差，同时电路具有具有一定的漂移，因此需要设计电路使其满足具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移和高可靠性、高稳定性要求，在本实施例中，差分放大电路采用TI公司的INA217芯片，此芯片因具有低噪声、低失真、宽带宽、优质的放大能力的特点而广泛应用于仪器仪表的放大电路中。电阻R21一端与芯片INA217的VIN-引脚以及输入信号引脚P21相连，另外一端与芯片 INA217的VIN+引脚以及输入信号引脚P22相连；电阻R22一端与芯片INA217 的RG1引脚相连，另外一端与芯片INA217的RG2引脚相连；电容C221、电容 C231一端与芯片INA217的V-引脚以及P23相连，另外一端与地相连；电容C220、电容C230一端与芯片INA217的V+引脚以及排针P23相连，另外一端与地相连；芯片INA217的引脚REF与地相连；芯片INA217的引脚VOUT与输出信号引脚P24相连。

由于所测量信号的频率在50Hz～1KHz，因此需要加入滤波电路滤除噪声和部分高频成分。在滤波电路中使用巴特沃斯构型，巴特沃斯滤波器在线型相位、衰减斜率和加载特性三个方面具有均衡的特性，更易于实现；设定高通滤波器的截止频率为40Hz，考虑到后续测量的频率成分，本系统设定低通滤波器的截止频率为4KHz，由此组成带通滤波器，如图4所示，低通滤波电路主要由信号输入端子P31、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、两个OPA227芯片、电容C31、电容C32、电容C33、电容C34、电容C35、电容C36、电容C37、电容C38、电容C332、电容C333、电容C335、电容C337、输出信号端子P32、排针P34，其中电阻R31一端与输入信号端子P31相连，另外一端与电阻R32、电阻R33和电容C31相连，电阻R32一端与电阻R31、电容C31、电阻R33相连，另外一端与电容C32和电阻R34相连，电阻R33一端与电阻R31、电阻R32和电容C31相连，另外一端与电容C32以及芯片OPA227 (1)引脚-IN相连；电容C32一端与电阻R31、电阻R32、电阻R33相连，另外一端与地相连；电容C37、电容C332一端与芯片OPA227(1)的V+引脚以及排针P34相连，另外一端与地相连；电阻R34一端与电阻R32、电容C32以及芯片OPA227(1)引脚output相连，另外一端与电容C34、电阻R35、电阻 R36相连；电容C34一端与电阻R34、电阻R35和电阻R36相连，另外一端与地相连；电阻R35一端与电容C34、电阻R34、电阻R36相连，另外一端与电容C35以及芯片OPA227(2)引脚-IN相连；电阻R36一端与电容C34、电容 R34、电容R35相连，另外一端与电容C35、输出信号端子P32以及芯片OPA227 (2)的output引脚相连；电容C38和电容C333一端与芯片OPA227(2)引脚 V+、排针P34相连，另一端与地相连；电容C33、电容C335一端与芯片OPA227 (1)的V+引脚、排针P34相连，另外一端与地相连；电容C36、电容C337一端与芯片OPA227(2)的V+引脚以及排针P34相连，另外一端与地相连；输出信号端子P32一端与芯片OPA227(2)的output引脚相连，另外一端地相连；输入信号端子P31一端与电阻R31相连，另外一端与地相连。

如图5所示，高通滤波电路主要由输入信号端子P41、输出信号端子P43、电容C41、电容C42、电容C43、电容C49、电容C430、电容C411、电容C434、电容C44、电容C45、电容C46、电容C48、电容C431、电容C47、电容C435、电阻R41、电阻R42、电阻R43、电阻R44、芯片OPA227(3)、OPA227(4)、排针P44，其中输入信号端子P41一端与地相连，另外一端与电容C41相连；电容C41一端与输入信号端子P41相连，另外一端与电阻R41、电容C42、电容 C43相连；电阻R41一端电容C41、电容C42、电容C43相连，另外一端与地相连；电容C42一端与电容C41、电容C43、电阻R41相连，另外一端与芯片OPA227 (3)的+IN引脚以及电阻R42相连；电容C43一端与电容C41、电容C42、电阻R41相连，另外一端与电阻R42以及芯片OPA227(3)的output引脚相连；电阻R42一端与电容C42以及芯片OPA227(3)的+IN引脚相连，另外一端与电容C43以及芯片OPA227(3)的output引脚相连；电容C49、电容C430一端与芯片OPA227(3)的V+以及排针P44、电容C48、电容C431引脚相连，另外一端与地相连；芯片OPA227(3)的+IN引脚接地；电容C44一端与芯片OPA227 (3)的output引脚以及电阻R42、电容C43相连，另外一端与电阻R43、电容 C45、电容C46相连；电阻R43一端与电容C44、电容C45、电容C46相连，另外一端与地相连；电容C45一端与电阻R43、电容C44、电容C46相连，另外一端与芯片OPA227(4)的-IN引脚以及电阻R44相连；电容C46一端与电阻 R43、电容C44、电容C45相连，另外一端与电阻R44相连；电阻R44一端与电容C45、电容C46以及芯片OPA227(4)的-IN引脚相连，另外一端与芯片OPA227 (4)的output引脚以及输出信号端子P43相连；芯片OPA227(4)+IN引脚接地；输出信号端子P43一端与电阻R44以及芯片OPA227(4)的output相连，另外一端与地相连；电容C49、电容C430一端与芯片OPA227(3)的V-引脚以及排针P44、电容C48、电容C431、芯片OPA227(4)的V-引脚相连，另外一端与地相连；电容C48、电容C431一端与电容C49、电容C430、芯片OPA227 (3)的V-引脚以及排针P44、芯片OPA227(4)的V-引脚相连，另外一端与地相连；电容C434、电容C411一端与芯片OPA227(3)的V+引脚、电容C435、电容C47、排针P44以及芯片OPA227(4)的V+引脚相连，另外一端地相连；电容C47、电容C435一端与电容C411、电容C434、芯片OPA227(3)的V+ 引脚、芯片OPA227(4)的V+引脚、排针P44相连，另外一端与地相连。

如附图6所示后置放大电路中，由于感应得到的信号有部分幅度较小，因此单片机无法准确测量，因此需要进行放大到单片机可以准确测量的范围，输入端子P51一端与电阻R51、电阻R52相连，另外一端与地相连；电阻R51一端与输入端子P51以及电阻R52相连，另外一端与地相连；电阻R52一端与电阻R51 以及输入端子P51相连，另外一端与芯片OPA228的-IN引脚以及电阻R53相连；芯片OPA228的+IN引脚接地；电阻R53一端与电阻R52以及芯片OPA228的-IN 引脚相连，另外一端与芯片OPA228的output引脚以及电阻R54相连；电阻R54 一端与电阻R53以及芯片OPA228的output引脚相连，另外一端与输出端子P52 相连；输出端子P52一端与电阻R54相连，另外一端与地相连；电容C51、电容 C52一端与芯片OPA228的V-引脚以及排针P53相连，另外一端与地相连；电容 C53、电容C54一端与芯片OPA228的引脚V+以及排针P53相连，另外一端与地相连。

如附图7所示射极跟随器电路,由于输出的信号要进入单片机进行采集，而单片机的I/O口是具有一定的电压的，因此需要加入射极跟随器以隔离单片机对信号的影响，同时射极跟随器的输入阻抗无穷大、输出阻抗为零，因此可以将信号无损失的输出。其中输入端子P61一端与电阻R61以及芯片OPA228的+IN引脚相连，另一端与地相连；电阻R61一端与输入端子P61以及芯片OPA228的 +IN引脚相连，另外一端与地相连；芯片OPA228的-IN引脚与芯片OPA228的 output引脚以及电阻R64相连；电阻R64一端与芯片OPA228的-IN以及output 引脚相连另外一端与输出端子P62相连；输出端子P62一端与电阻R64相连，另外一端与地相连；电容C61、电容C62一端与芯片OPA228的V+引脚以及排针P63相连，另外一端与地相连；电容C63、电容C64一端与芯片OPA228的 V+引脚以及排针P63相连，另外一端与地相连。

使用上述信号的检测与采集，包括以下内容：

1、采样：采用单片机片内AD对信号以2.5KHz进行采样，共采4096个样点。

2、变换：采样结束后，对已采样信号做FFT变换，得到其频谱图。

3、输出：在频谱数据中找到幅值极大点，其对应的就是相应的频率分量幅值，幅度值平方后，就得到幅度谱，同时得到其频率并同时输出。

表1电流/频率测量值与输入信号的关系

如上表所示，外部周期信号作为整个系统的输入信号，该信号经过功率放大电路后经过电流传感器感应出电流信号进入差分放大电路，在差分放大电路中经过一倍的差分放大后进入带通滤波电路，经滤除高次谐波以及杂波和噪声之后的信号进入放大器电路进行一倍的放大，经一倍放大后的信号进入射极跟随器，在射极跟随器输出端输出与输入等幅等频的信号，该信号进入采集电路实现对信号的采集与显示。