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標題: 2018電賽電流信號檢測裝置A題設計思路及文檔 [打印本頁]

作者: FPGA愛好者 時間: 2019-6-13 02:09
標題: 2018電賽電流信號檢測裝置A題設計思路及文檔
參加電賽的小伙伴注意啦，2018TI杯大學生電子設計競賽A題題目及報告來啦

如圖1所示，由任意波信號發生器產生的信號經功率放大電路驅動后，通過導線連接10Ω電阻負載，形成一電流環路；設計一采用非接觸式傳感的電流信號檢測裝置，檢測環路電流信號的幅度及頻率，并將信號的參數顯示出來。

圖1 信號檢測圖

二、測試電流方案：

任意波信號發生器產生的信號經功率放大電路驅動后，通過導線連接10Ω電阻負載，形成一電流環路，然后將導線經過一個通過用漆包線在錳芯磁環上繞制的線圈，線圈的兩端接上一個8.2Ω的電阻，把電流轉化為電壓，然后經過一個差分放大器，把小電壓轉化為大電壓便于測量。最后可以得到輸出電壓和環路電流的線性關系，當測得輸出電壓過后就可以計算出環路電流了，即測得了環路電流值。

三、線圈繞制及測試結果：

（1）線圈繞制：

用漆包線在錳芯磁環上繞制線圈，纏繞前需要制作一個梭子幫助繞制導線，纏繞過程中需要待上線織手套防止手汗影響線圈性能，纏繞大概100圈左右，注意線圈需要纏緊，最后線圈纏繞過后用膠布纏繞上，用砂紙打磨線圈的兩端。

（2）N2線圈匝數測量

把函數發生器與功率放大器，10Ω電阻相連接，同時導線要繞過線圈，線圈的兩端接上一個電阻。先改變函數發生器兩端的電壓，然后觀察電阻兩端的電壓的變化，最后根據

其中

=1,

=10Ω。

a.當

=8.2Ω時，測量數據如下：

運用公式計算得到的

的值為: 32.4186 77.5676 97.2881 102.0000 108.3019

105.0625 107.2308 105.6889 108.5294 107.8947 107.3810 109.9275 109.3333 106.8485 110.1143 110.8108 113.5385 111.2857 109.3333

做出的圖像如下：

圖2 8.2Ω所接線圈比值

由圖2和數據可以得到在10Ω的電阻的兩端的電壓較小的時候，測得的數據誤差較大，可以去掉前面三個誤差比較大的數據，得到的數據求平均值，得到的線圈的匝數為

108.3301，可得匝數約為108匝。

當

=6.8v時，改變頻率，測量數據如下：

W(Hz)	900	850	800	750	700	600	500	400	250
(mv)	50.4	50.4	50.4	50.4	50.4	50.4	50.4	50.4	48.0

200	150	100	50	10
44.8	40.8	33.6	21.6	7.2

由數據可得，在頻率大于400HZ的時候，輸出電壓的大小不隨函數發生器頻率的改變而改變，在250HZ到400HZ的時候，輸出電壓的大小不隨函數發生器頻率的改變而變化較小，在小于250HZ的時候，輸出電壓的大小不隨函數發生器頻率的改變而變化較大。

b.當

=7.1Ω時，測量數據如下：

運用公式計算得到的

的值為: 31.0625 77.2647 84.9464 94.6667 97.6250 114.1917 100.0000 106.5000 104.1333 111.3725 105.8772 108.7903 110.2652 101.7667 106.5000 104.4118 109.5429 109.3784 109.2308 108.1905

圖3 7.1Ω所接線圈比值

由圖3和數據可以得到在10Ω的電阻的兩端的電壓較小的時候，測得的數據誤差較大，可以去掉前面五個誤差比較大的數據，得到的數據求平均值，得到的線圈的匝數為

107.3434，可得匝數約為107匝。

當

=6.8v時，改變頻率，測量數據如下：

W(Hz)	900	850	750	700	650	600	550	500	450	400
(mv)	460	448	448	456	448	440	440	440	440	432

350	300	250	200	150	100	50	10
432	432	408	400	400	312	208	64

由數據可得，在頻率大于300HZ的時候，輸出電壓的大小不隨函數發生器頻率的改變而改變，在300HZ到100HZ的時候，輸出電壓的大小不隨函數發生器頻率的改變而變化較小，在小于100HZ的時候，輸出電壓的大小隨函數發生器頻率的改變而變化較大。

綜合比較前面8.2Ω和7.1Ω的電壓響應和頻率特性，我們小組最終選擇了8.2Ω的電阻接在線圈兩端。

四、差分放大器參數選擇

由測量出來的數據可以得到，當函數發生器的輸入電壓在0.1V到9V中變化的時候，線圈兩端的電壓的值為34.3mv到900mv，結合后面的要求可以知道輸出電壓的峰峰值不能超過3V，因此可以設計一個具有增益為3的差分放大器，差分放大器的原理如圖所示：

圖4 仿真原理圖

當

時，放大倍數為

，為了得到增益為3，因此選擇

，

。

五、multisim實驗仿真

(1)仿真實驗圖：

圖5 multisim實驗仿真

（2）仿真結果：

當輸入的電壓為5V，頻率為1kHz的時候，輸出電壓的波形為：

最大值為1.106V，最小值為-115.37mv。

當輸入電壓為10V時，頻率為1kHz的時候，輸出電壓的波形為：

最大值為1.713V，最小值為-703mv。

六、實驗結果：連接好的差分放大器的圖為：

最后得到的結果為：

電流（A）	1.4	2.04	2.8	3.28	4.08	5.4	6.6	8.0	10.0
輸出電壓Vpp（v）	0.200	0.521	0.650	0.820	0.9	1.129	1.504	2.011	2.27

圖6環路電流和電壓的輸出曲線

由圖6可得：輸出電壓隨環路電流的增加而增加，符合我們的預期實際。

六、分析誤差及原因

從圖6實驗結果來看，我們小組設計的差分放大器的增益為3，從測量出來的輸出電壓和在測試8.2Ω的電阻的時候兩端的電壓相比并沒有很好的符合3倍的差，而是在3的左右波動，最后的實驗結果顯示我們焊出來的板子并沒有很好的實現環路電流和輸出電壓呈現出很好的效果。這可能是因為我們自己繞制的線圈沒有達到理想的標準，線圈的匝數比可能在不同的輸入電壓下面有一定的波動，在測量中還有各種不可控的因素，因此真正的測量曲線不可能是線性的，只可能是近似的線性。

七、實驗總結：

（1）線圈繞制：線圈在本實驗中起著承上啟下的重要作用，線圈質量的高低是決定這個實驗成功與否的重要因素，只有線圈的匝數是一個相對固定的值，即它不隨輸入電壓的改變或者頻率的改變呈現出不同的電壓值，經過我們小組多次繞制線圈最后總結出，繞制線圈的過程中最好帶上一雙手套，防止手汗對線圈的質量造成影響；繞制的線圈要纏緊，同時不能重復繞在一起，否則會影響線圈的性能。

（2）實驗收獲：通過本次實驗訓練，使我對于整個電子設計競賽有了一個大概的認識，認識到了我們自身與真正的面對一道全新的電子設計競賽的題目的差距，如果想要下以后的比賽中獲得獎項，加倍的努力是必不可少的。我們小組的成員在本次訓練中收獲了一下幾點：一是不懼困難，盡管我們在選修這一門課的時候就考慮到了這一門課可能會有相應的難度，但是由于理論知識的缺乏，真正的在面對這一門課的時候我們感到非常的迷茫和困惑，想試圖了解清楚里面的每一個部分，更多的時候迎來的的確是更多的問題，但是我們小組的成員并沒有因為這些困難而放棄繼續實驗，我們愿意花時間在這上面研究它，即使我們沒有取得我們想要的結果，因為最后的成功總是有無數的失敗累積起來的。線圈不夠理想我們重新再繞，在檢測，差分電路的電阻選擇的阻值不合適，我們重新再計算，再調試。總之，在面對一個一個的困難的時候，我們沒有逃避，而是想著怎么去解決它。二是將理論知識運用在實踐中，隨著模電課程的不斷推進，我們的理論知識也在慢慢的在增加，從剛開始的一無所知到后面的逐漸懂一部分，再到后面的能夠理解整個原理圖大致要實現的功能。取得這種進步正是我們將理論運用在實踐中的體現，同時在實踐的運用中我們也加深了對于知識的理解。

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2018年TI杯大學生電子設計競賽題A-電流信號檢測裝置.pdf (543.24 KB, 下載次數: 95)

作者: 51hei團團 時間: 2019-6-13 22:20
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