2018年河北省电子设计竞赛（A类题）

一，任务要求：

如下图所示，由任意波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10Ω电阻负载，形成一电流环路；设计一采用非接触式传感的电流信号检测装置，检测环路电流信号的幅度及频率，并将信号的参数显示出来。

二，具体功能要求：

（1），设计一功率放大电路，当输入正弦信号频率范围为50Hz~1kHz时, 要求流过10Ω负载电阻的电流峰峰值不小于1A，要求电流信号无失真。

（2），用漆包线绕制线圈制作电流传感器以获取电流信号；设计电流信号检测分析电路，测量并显示电流信号的峰峰值及频率。

（3），被测正弦电流峰峰值范围为10mA~1A，电流测量精度优于5%，频率测量精度优于1%。

（4），任意波信号发生器输出非正弦信号时，基波频率范围为50Hz~200Hz，测量电流信号基波频率，频率测量精度优于1%；测量基本及各次谐               波分量的幅度（振幅值），电流谐波测量频率不超过1kHz，测量精度优于5%。

（5），创新功能。

三，项目思路

分析今年电赛A类题的官方具体要求，可知，欲实现功率放大、电流信号检测功能，则需要设计四部分电路组合实现这些功能；

1.前端功率放大电路；

2.电路信号检测线圈；

3.线圈输出信号整流处理电路；

4. 220V稳点电源供电电路。

四，具体实现

1， 前端功率放大部分

题目要求：当输入正弦信号频率范围为50Hz~1kHz时, 要求流过10Ω负载电阻的电流峰峰值不小于1A，要求电流信号无失真。

从题目中可以读出两个鲜明的特点，一是输入信号为高频信号，且信号不能出现失真现象；二是流过负载电阻的电流峰峰值不小于1A。

实际上，我们在具体操作的过程中，把70%的时间都花费在高频信号上，欲实现频率范围如此款的输入信号，还要不保证不失真，那么，功放电路的芯片选型就非常的重要，如果选用的功放芯片精度达不到，会出现各种意想不到的结果。在这次比赛中，我们最终选用的是OPA541芯片，负载电阻中，为达到题目要求，我们选用的是（100W，10Ω）的电阻。功放设计电路如下图所示：

2， 电路信号检测线圈

此处根据电磁互感原理，我们选用罗氏线圈进行电流信号检测，用漆包线绕制成一个有一定电感值的线圈，将通电导线从线圈中穿过，线圈两端便会输出感应信号，具体这个信号如何处理，则待下部分讲解，现在先介绍罗氏线圈：

罗氏线圈（ Rogowski Coil ），全称罗哥夫斯基线圈或罗柯夫斯基线圈，由于罗氏线圈不含铁芯，也称空心线圈，相比于其他方案,其具有线性度更好，标定容易；瞬态反应能力突出，可用于中高压保护;待测电流频率范围宽，从 0.1 Hz 到 1 MHz ，可用于测量谐波；待测电流量程大，可从 1 mA 到 1 MA 的优点。罗氏线圈结构简图如下所示：

3,  线圈输出信号整流处理电路；

关于信号处理部分，电路也是比较复杂的一种，在两天的时间里，我们准备了三套处理方案，其中比较典型的一种如下：

电路流程：

具体电路：全波整流峰值保持电路

全波整理之后进行峰值保持对线圈输出信号进行处理是一种比较稳妥的方式，但是电路比较复杂，焊接过程中极易出问题（我们在焊接两次之后，用完了实验室的芯片），最终，我们选择了相对简单的电路：积分电路、滤波电路。这也是比较出乎意外的一种方式，在经过多种试验之后迫不得已的选择。用积分电路对线圈的输出信号进行积分，信号经过积分器之后，输出信号再经过滤波电路滤除信号中的杂波，最终的输出信号经单片机的AD采集，进入单片机之后，进行处理。积分电路原理图如下：

4. 220V稳点电源供电电路。

供电电路中，须接220V大电进行测试，不许自备电源，所以，我们选用两个220V--24V的稳压器对电源进行降压，降压之后24V电压接入前端功率放大电路芯片，进行供电，同时，选用降压模块,将±24V电压降至±5V、±12V，对单片机和积分电路进行供电，以使电路能正常工作.

五，电流信号检测装置整体成果图