2018大学生电子设计竞赛A题一等奖报告

在2018年大学生电子设计竞赛中，参赛者成功设计并实现了一个电流信号检测装置，该装置能够准确测量电流信号的幅度和频率，并对非正弦信号中的基波及各次谐波进行测量。该系统以STM32F103RC单片机为核心，并集成了功率放大电路、三级放大电路（包括一级差分放大和两级运算放大）、整形电路等硬件电路。该装置通过非接触式传感技术，结合电流互感原理，有效地隔离了线电压，并减小了信号噪声。 在方案的制定与选择过程中，参赛者考虑了多种技术方案并进行了深入的比较。在功率放大电路的选择上，参赛者比较了基于三极管的甲乙类互补功率放大电路和基于LT1210芯片的功率放大器方案。甲乙类互补功率放大电路在消除交越失真和提高效率方面表现优异，但受三极管非线性特性的影响，存在使用范围的局限。而LT1210芯片的高摆率特性、较宽的带宽以及较高的输出电流能力，使其更适合用于本系统，尤其是在需要实现较高电流输出的情况下。 在电流检测电路方面，参赛者考虑了采用OPA227运放进行电压放大的方案，以及采用差分放大电路的方案。最终，通过比较两种方案的直流偏置可控能力以及对正负极性信号放大的效果，确定了采用差分放大电路的方案。这是因为差分放大电路在确保输出只有正极性电压的同时，能够通过软件实现不同幅度信号的测量。 在理论分析与计算方面，参赛者详细讨论了电流测量方法和谐波分量的测量方法。电流互感的设计充分利用了电流信号和磁场之间的关系，通过磁场耦合来测量电流，并通过匝数比关系来缩放测量信号。此外，参赛者采用了离散傅里叶变换（DFT）算法，将时域信号转换到频域，以此来测量频谱。在采样频率的选择上，基于奈奎斯特采样定律，选择了8kHz的采样频率来避免频谱泄露，并确保信号完整性。参赛者还对电流信号进行了多级放大处理，并通过ADC采样来实现信号的数字化处理。 该报告详细描述了系统方案的设计原理、硬件电路设计、软件设计以及理论分析与计算方法，充分展示了参赛者在电子设计方面的专业知识和实际操作能力。通过该系统的成功开发，不仅在比赛中取得了优异的成绩，还为类似应用提供了一个高效、可靠的电流信号检测方案。