摘要：检测装置主要是由交流激励电流源模块、磁场测量传感器模块、通道控制模块、锁相放大模块、同步采集模块、数据处理显示模块、主控制模块等七大部分构成，在具体应用过程之中，各模块所发挥的功能也存在较大差异。因而本文基于各模块实现功能，通过合理化的方式对检测装置展开整体设计。
关键词：拓扑结构；检测；设计
1.整体结构介绍
磁场测量单元是整个检测装置的主要模块，结合其他模块，根据系统装置模块化设计原则，系统装置的整体结构设计图如图1-1所示。系统装置包括交流激励电流源模块、磁场测量传感器模块、通道控制模块、锁相放大模块、同步采集模块、数据处理显示模块和主控制模块。系统装置的工作原理与过程如下：
图1-1系统装置整体结构图
2.交流激励电流源设计
本项目所设计的交流激励电流源采用ARM微控制器STM32F373RC控制AD公司的直接数字频率合成（DDS）芯片AD9833信号发生器芯片输出一个幅值为300mV（AD9833能输出的最大电压信号幅值的一半）的正弦波，然后分四路分别放大10/3倍、5/3倍、1/3倍和1/30倍，再通过ARM控制编程选择输出幅值为1000mV、500mV、100mV以及10mV的正弦波信号，其中1000mV信号增添外接接口，当作基准信号，用于同步信号采集；这四路正弦波信号经过一个4选1的模拟复用多通道开关芯片ADG1204后加到功率放大芯片OPA561上对信号进行功率放大处理，处理后的正弦波信号通过一个校准功率电阻后加载到一个精密电阻上产生交流激励电流源输出。交流激励电流源的产生原理框图如图2-1所示。
图2-1交流激励电流源产生框图
根据系统装置设计的参数要求，正弦波信号发生源选用ADI公司的直接数字频率合成芯片AD9833，DDS系统的参考时钟采用10M的有源晶振，可变增益放大电路部分由运算放大器构成的四路放大电路组成，多路模拟复用开关选用ADG1604。正弦波信号发生电路的设计结构图如图2-2所示。
图2-2正弦波发生电路结构图
3.磁场信号采集及处理电路设计
经由磁场测量传感器模块阵列输出的感应电压信号通过射频连接线被送入通道控制电路，通道控制电路由16路射频通道通过16选1的多路复用开关与微控制器的I/O口相连接，直接通过对微控制器编程实现对通道的控制和选择，实现对磁场感应电压信号的选择性输入。通道控制电路的结构示意图如图3-1所示。
图3-1通道控制电路结构图
锁定放大是一种从干扰噪音中分离小窄带信号的方法，充当检测器和窄带滤波器的作用，很好的改善信噪比，能够在复杂电磁干扰环境下检测出非常小的被测目标信号。锁相放大电路的原理如图3-2所示。
图3-2锁相放大电路原理
被测量信号经过相敏检波器PSD（Phase Sensitive Detector）进行同步检波，实现频率变换；同时通过移相电路对参考信号进行相位调节，使被测信号与参考信号的频率和相位达到一致，再通过低通滤波器（LPF）实现对被测信号的提取和测量。
同步采集模块未添加滤波模块，采集的信号为交流信号，采集信号前端串入一个小电容。输入为16通道端口电压和1通道电压基准信号（SMA接口），输入信号经5片16通道选择器后，以通道N（1~16）为参考节点，构建四路可变增益放大（选用芯片AD8369ARUZ）。与1通道基准信号一起，通过差分转换（选用芯片OPA1632），将五路信号送给高精度A/D转换器ADS1278IPAPT，整个电路由ARM控制。该模块的通信接口为RS485。采集模块整体结构图如图3-3所示。
图3-3采集模块结构图
同步采集电路的微控制器选用STM32F439ZIT6ALL，64Mbit SDRAM。模数转换器选用ADS1278IPAPT，24位同步八路模数转换器，最高采样速率105.469ksps（高速采样模式）。
可变增益放大电路的设计电路如图3-4所示。
图3-4AD8369电路设计原理图
参考文献：
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论文作者:蒋卫,彭彦军
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/15
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