CN212111583U - 一种适用于电流信号特性分析与检测的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种适用于电流信号特性分析与检测的装置，包括主控装置、信号检测装置、显示装置；所述信号检测装置包括信号发生器、功率放大器以及用于检测负载电流的电流互感器，所述主控装置包括MCU和运算放大器，所述信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与所述电流互感器的输入端连接，所述电流互感器的输出端与所述运算放大器的输入端连接；所述MCU的输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述MCU的输出端与显示装置进行有线或无线连接。本实用新型实施例通过设计性能稳定的硬件结构，并设计电流信号特性分析与检测装置的微型化，实现对多种数字信号处理与信号分析的探究。

Description

一种适用于电流信号特性分析与检测的装置

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，尤其是涉及一种适用于电流信号特性分析与检测的装置。

背景技术

随着电子技术的高速发展，越来越多的电子技术的衍生电子产品，在航天航空、军事、民用、工业、农业等行业影响着人们的生活方式，产品微型化是我们向往的产品形态，只有通过各种电子技术的支持，才能达到此目的，人类对电子技术的探讨从不止步于现状。

国内的许多学者对电流信号检测做了研究，如对微弱电流信号检测系统的设计、飞机交流电源信号电参量的测试和一些做了电流信号干扰控制器影响等研究，根据硬件与软件系统的优化而成，他们针对电流信号特性的影响进而分析对整个应用系统的影响，如避免浪涌电流和latch up现象对IC系统的影响。

然而，现有技术中对于电流信号特性分析与检测探究得相对较少，研究偏向于工业制造，其结构较为复杂。

实用新型内容

本实用新型提供一种适用于电流信号特性分析与检测的装置，以解决现有对于电流信号特性分析与检测的技术及产品不完善的技术问题，本实用新型实施例通过设计性能稳定的硬件结构，并设计电流信号特性分析与检测装置的微型化，实现对多种数字信号处理与信号分析的探究。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种适用于电流信号特性分析与检测的装置，包括主控装置、信号检测装置、显示装置；

所述信号检测装置包括信号发生器、功率放大器以及用于检测负载电流的电流互感器，所述主控装置包括MCU和运算放大器，所述信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与所述电流互感器的输入端连接，所述电流互感器的输出端与所述运算放大器的输入端连接；所述MCU的输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述MCU的输出端与显示装置进行有线或无线连接。

作为优选方案，所述MCU包括采样模块、数据处理模块、第一通信模块，所述显示装置包括第二通信模块和显示模块；

所述采样模块的输入端与所述MCU的输入端连接，所述数据处理模块与所述采样模块的输出端连接，所述第一通信模块与所述数据处理模块的输出端连接，所述第二通信模块与所述第一通信模块无线通信连接，所述显示模块与所述第二通信模块连接。

作为优选方案，所述数据处理模块包括傅里叶变换数据处理单元和频谱分析单元；

所述傅里叶变换数据处理单元的输入端与所述数据处理模块的输入端连接，所述傅里叶变换数据处理单元的输出端与所述频谱分析单元的输入端连接，所述频谱分析单元的输出端与所述数据处理模块的输出端连接。

作为优选方案，所述第一通信模块第一蓝牙模块，所述第二通信模块为第二蓝牙模块，所述第一蓝牙模块与所述第二蓝牙模块通信连接。

作为优选方案，所述功率放大器为TDA2030A功放芯片。

作为优选方案，所述运算放大器为LM358芯片。

作为优选方案，所述采样模块为ADC采样模块。

作为优选方案，所述MCU为STM32单片机。

作为优选方案，还包括电源装置和稳压模块，所述电源装置通过所述稳压模块与所述MCU连接。

综上，本实用新型实施例提供了一种适用于电流信号特性分析与检测的装置，包括主控装置、信号检测装置、显示装置；所述信号检测装置包括信号发生器、功率放大器以及用于检测负载电流的电流互感器，所述主控装置包括MCU和运算放大器，所述信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与所述电流互感器的输入端连接，所述电流互感器的输出端与所述运算放大器的输入端连接；所述主控装置包括MCU，所述MCU的输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述MCU的输出端与显示装置进行有线或无线连接。本实施例通过由功率放大器、运算放大器、电流互感器、MCU和负载搭建的装置，能够进行电流信号特性分析与检测，并由显示装置将处理得到的数据显示出来，整体的设计更趋向于微型化设计，对信号系统与数字信号处理有了很大的简化与优化作用，使得分析部分电流信号更加简易。

附图说明

图1是本实用新型提供的适用于电流信号特性分析与检测的装置的结构示意图；

图2是本实用新型提供的适用于电流信号特性分析与检测的装置的结构示意图；

图3是本实用新型提供的适用于电流信号特性分析与检测的装置的结构示意图；

图4是本实用新型提供的适用于电流信号特性分析与检测的装置的功率放大器模块的电路设计电路图；

图5是本实用新型提供的适用于电流信号特性分析与检测的装置的电流互感器原理图；

图6是本实用新型提供的适用于电流信号特性分析与检测的装置的运算放大器的设计电路图；

图7是本实用新型提供的适用于电流信号特性分析与检测的装置的控制算法流程图；

图8是本实用新型提供的适用于电流信号特性分析与检测的装置的FFT算法原理分析图；

图9是本实用新型提供的适用于电流信号特性分析与检测的装置的数字信号处理流程图；

图10是本实用新型提供的适用于电流信号特性分析与检测的装置的MCU的控制算法流程图；

其中，说明书附图中的附图标记如下：

1、信号检测装置；11、信号发生器；12、功率放大器；

2、主控装置；21、MCU；211、采样模块；212、数据处理模块；213、第一通信模块；22、运算放大器；

3、显示装置；31、第二通信模块；32、显示模块；

4、负载。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参见图1，本实用新型优选实施例提供了一种适用于电流信号特性分析与检测的装置，包括主控装置2、信号检测装置1、显示装置3；

信号检测装置1包括信号发生器11、功率放大器12以及用于检测负载4电流的电流互感器，主控装置2包括MCU 21和运算放大器22，信号发生器11的输出端与功率放大器12的输入端连接，功率放大器12的输出端与电流互感器的输入端连接，电流互感器的输出端与运算放大器22的输入端连接；主控装置2包括MCU 21，MCU 21的输入端与运算放大器22的输出端连接，MCU 21的输出端与显示装置3进行有线或无线连接。

在本实施例中，将电流互感器和负载4相连，以电流互感器作为信号检测模块，具体制作方式为：许多细铜线缠绕住圆形铁芯，并引出路端口到运算放大器22模块，从功放模块引出导线穿过电流互感器连接负载4，使用特定的固定胶密封铜线缠绕的线圈。根据电磁感应原理，从功率放大器12一端出来的较大的电流就能转换成运算放大器22一端的较小电流，便于给运算放大器22、MCU 21和一些测试仪器的测量。MCU 21对接收到的信号进行高精确采样，采用FFT快速傅里叶变换的算法处理信号将此时域信号转换为频域信号，根据算法获取的信号频域值，经过校准并计算出该信号的峰值、频率、基波、谐波和电流值等。这样通过由功率放大器12、运算放大器22、电流互感器、MCU 21和负载4搭建的装置，能够进行电流信号特性分析与检测，并由显示装置3将处理得到的数据显示出来，整体的设计更趋向于微型化设计，对信号系统与数字信号处理有了很大的简化与优化作用，使得分析部分电流信号更加简易。

请参见图2，在一种可行的设计中，MCU 21包括采样模块211、数据处理模块212、第一通信模块213，显示装置3包括第二通信模块31和显示模块32；

采样模块211的输入端与MCU 21的输入端连接，数据处理模块212与采样模块211的输出端连接，第一通信模块213与数据处理模块212的输出端连接，第二通信模块31与第一通信模块213无线通信连接，显示模块32与第二通信模块31连接。

作为优选的，第一通信模块213第一蓝牙模块，第二通信模块31为第二蓝牙模块，第一蓝牙模块与第二蓝牙模块通信连接。

其中，显示模块32采用现有的显示芯片或自主研发的芯片UM006808作为显示主控芯片，UM006808芯片实现低功耗、响应速度快、结构小、性能强等优点。MCU 21进行信号处理后，使用串口连接蓝牙模块把数据发送，UM006808上也通过串口连接蓝牙模块接收MCU 21的数据，并通过软件转换字符位控制转换，把最终要显示的信号特性值显示出来，实现无线通讯，能避免直接接触信号处理硬件模块，避免不必要干扰。

请参见图3，作为进一步的改进，数据处理模块212包括傅里叶变换数据处理单元和频谱分析单元；

傅里叶变换数据处理单元的输入端与数据处理模块212的输入端连接，傅里叶变换数据处理单元的输出端与频谱分析单元的输入端连接，频谱分析单元的输出端与数据处理模块212的输出端连接。

在本实施例中，傅里叶变换数据处理单元采用FFT快速傅里叶变换的算法处理信号将此时域信号转换为频域信号，频谱分析单元根据算法获取的信号频域值，经过软件校准，计算出该信号的峰值、频率、基波、谐波和电流值等。

在一种可行的设计中，信号发生器11模块使用的是常规的市场上常见的信号发生器11设备即可，能对输出方波、正弦波和锯齿波控制即可，用来输出特定信号，是信号处理模块对其信号就行处理，MCU 21进行软件分析。

功率放大器12芯片使用的是TDA2030A的芯片，用这款芯片搭建功放电路，采用稳定的双电源供电方式，确保设备稳定，功率放大器12通过把信号从P2放大后输出放大的信号在P3端，再把输出信号重新反馈回反向输入端，这样保证了输出功率达到激增，功率放大器12模块的电路设计电路图如图4所示。

电流互感器做为本设计的信号检测模块，它的制作大致为：许多细铜线缠绕住圆形铁芯，并引出路端口到运算放大器22模块，从功放模块引出导线穿过此互感器连接负载4，在使用特定的固定胶密封铜线缠绕的线圈，根据电磁感应原理，从功放一端出来的较大的电流就能转换成运算放大器22一端的较小电流，便于给运算放大器22、MCU 21和一些测试仪器的测量。且此电流互感器更使用与本设计较弱电流的感应。电流互感器原理图如图5所示。

运算放大器22的设计电路如图6所示，由反向比例运放电路与电压跟随器电路双运算放大电路组成，运放芯片采用LM358，并加入LM7805稳压器，为MCU 21提供稳定5v电源，确保ADC采样稳定工作，并且对输出端进行上拉。经过运算放大器22后，输出的信号幅度提升，电压跟随器使之减小前级电路与后级电路间的影响。

MCU 21模块的选用考虑到需要对硬件处理模块最终处理完的信号直接分析检测，这时需要MCU 21能够满足：拥有快速的单精度浮点运算，能计算此设计中大量的浮点数值、快速数字信号处理能力、较强的运算的能力满足对ADC高精度采样、外设和I/O口丰富，满足日后更多的拓展性功能。综合这些要求点，选用市面上的产品STM32F429IGT6最小系统做为信号分析检测MCU 21，能满足基本要求。

应当说明的是，本实施例的主要控制算法及实现原理如下：

MCU 21的软件控制方面通过ADC12位分辨率高精度采样信号，利用算法计算此信号，采用离散傅里叶变换(DFT)的高效、快速计算方法，即FFT快速傅里叶变换。通过生成C语言的代码FFT算法，算法实现原理如图8所示。

根据信号的连续特性，都是由数不清的正弦波互相叠加而成的，而且这些正弦波的频率幅度与相位均不相等；因此在时域中很难根据其众多不同的波形找出其中的特性，通过快速傅里叶变换进行信号处理，把难以观察特性的时域转换为容易分析信号特性频域进行分析，这样就能根据算法中的功能完成对频域分析，计算出信号的频率、幅度、基波和谐波等信息。

其中，FFT算法其实是一个用O(nlog2n)的时间将一个用系数表示的多项式转换成它的点值表示的算法，多项式的系数表示和点值表示可以互相转换。软件中根据ADC采样的数据，对数据进行FFT运算，根据频域图像原理，找出幅度最大值，前面一半数据有效，后一半全为0，最后转化为真实想要的数据来进行分析并显示出来。图8为FFT算法原理分析图。

数字信号处理软件首先进行系统初始化->开启ADC采样功能->对信号进行FFT算法分析消除直流分量->再对谐波->串口实时发送数据实现对外接模块拓展显示功能或无线控制->再循环回ADC采样分析如图9所示。

软件控制算法的作用是把数据FFT算法转换且经过校准的数据进行数组间搬迁移植，控制算法进行MCU 21的ADC NVIC优先级分组、systick初始化、串口初始化、FFT算法使能、定时器使能等工作，通过配置外设，使得MCU 21各模块正常工作起来，把MCU 21处理的信号，通过数组间的传递和字符转换，对数据再进行串口发送前的校准，最后把数据通过串口打印，并把蓝牙模块连接串口，实现与显示模块32间的无线传输。软件控制算法最终目的把信号处理的特性值转换为常规数值，软件控制算法流程图如图10所示。

综上，实施例提供了一种适用于电流信号特性分析与检测的装置，包括主控装置2、信号检测装置1、显示装置3，能够完成对电流信号特性分析与检测，能对正弦波进行电流、频率和幅度分析，还能对三角波和方波进行基波与谐波分析，对微系统控制数字信号处理有促进作用，对分析电流信号上有很大的促进作用。

由功率放大器12、运算放大器22、电流互感器、MCU 21和负载4搭建的系统就能完成对电流信号特性分析与检测，并结合软件使用快速傅里叶算法与控制算法结合能把连续信号的时域转换为频域，方便分析信号的特性，各个特性值的计算也更加容易，再把信息通过蓝牙模块无线传输显示出来，整体的设计更趋向于微型化设计，对信号系统与数字信号处理有了很大的简化与优化作用，使得分析部分电流信号更加简易。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于电流信号特性分析与检测的装置，其特征在于，包括主控装置、信号检测装置、显示装置；

所述信号检测装置包括信号发生器、功率放大器以及用于检测负载电流的电流互感器，所述主控装置包括MCU和运算放大器，所述信号发生器的输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述功率放大器的输出端与所述电流互感器的输入端连接，所述电流互感器的输出端与所述运算放大器的输入端连接；所述MCU的输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述MCU的输出端与显示装置进行有线或无线连接。

2.如权利要求1所述的适用于电流信号特性分析与检测的装置，其特征在于，所述MCU包括采样模块、数据处理模块、第一通信模块，所述显示装置包括第二通信模块和显示模块；

所述采样模块的输入端与所述MCU的输入端连接，所述数据处理模块与所述采样模块的输出端连接，所述第一通信模块与所述数据处理模块的输出端连接，所述第二通信模块与所述第一通信模块无线通信连接，所述显示模块与所述第二通信模块连接。

3.如权利要求2所述的适用于电流信号特性分析与检测的装置，其特征在于，所述数据处理模块包括傅里叶变换数据处理单元和频谱分析单元；

所述傅里叶变换数据处理单元的输入端与所述数据处理模块的输入端连接，所述傅里叶变换数据处理单元的输出端与所述频谱分析单元的输入端连接，所述频谱分析单元的输出端与所述数据处理模块的输出端连接。

4.如权利要求2或3所述的适用于电流信号特性分析与检测的装置，其特征在于，所述第一通信模块第一蓝牙模块，所述第二通信模块为第二蓝牙模块，所述第一蓝牙模块与所述第二蓝牙模块通信连接。

5.如权利要求1所述的适用于电流信号特性分析与检测的装置，其特征在于，所述功率放大器为TDA2030A功放芯片。

6.如权利要求1所述的适用于电流信号特性分析与检测的装置，其特征在于，所述运算放大器为LM358芯片。

7.如权利要求2所述的适用于电流信号特性分析与检测的装置，其特征在于，所述采样模块为ADC采样模块。

8.如权利要求1所述的适用于电流信号特性分析与检测的装置，其特征在于，所述MCU为STM32单片机。

9.如权利要求1所述的适用于电流信号特性分析与检测的装置，其特征在于，还包括电源装置和稳压模块，所述电源装置通过所述稳压模块与所述MCU连接。

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