全光纤电流互感器信号检测系统的研究与实现

发布时间：2017-06-30 06:18

  本文关键词：全光纤电流互感器信号检测系统的研究与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：全光纤电流互感器(AFOCS,All Fiber optic current sensor)是一种基于法拉第磁光效应的用于电流测量或继电保护的新型装置,因其抗干扰能力强、绝缘性能好、测量范围大等优点,具有良好的市场与广阔的应用前景。本文针对闭环干涉式全光纤电流互感器输出信号的特点,设计了以单片FPGA为核心的信号检测系统。该系统包括硬件电路与基于FPGA的软件实现,硬件电路主要包括I/V转换、固定放大、尖峰脉冲剪切、交直流分离、自动增益控制以及AD、DA转换;软件实现主要包括时序控制、方波与阶梯波生成、相关解调及除法器。本文主要研究内容有:1)信号分析与模拟。使用Matlab对全光纤电流互感器输出信号进行模拟,验证了数字梳状滤波器对有用信号的提取、模拟开关对尖峰脉冲的剪切的可行性;使用Multisim搭建信号模拟器,用于硬件电路仿真调试。2)硬件电路设计与实现。设计了低噪声I/V转换电路,设计时引入接地保护环实现了引脚间漏电流的减小;设计了尖峰脉冲剪切电路,实现对尖峰脉冲的剪切;设计了交直流分离电路,实现对交直流分量分别进行放大并为两分量间的除法运算做准备;设计了数字中频峰值检测电路并应用于具有精密放大倍数的自动增益控制电路中,实现了对系统的输入动态范围与检测精度的提高;设计了时钟消抖电路,实现了FPGA输出的时钟边沿抖动对数据采集影响的消除。3)系统的FPGA设计与实现。设计了时序控制单元实现了系统各个模块的时序同步与控制;设计了方波与数字阶梯波生成单元,并将两者叠加后再输出给DA,实现了方波与阶梯波相位的严格同步并降低系统的复杂度;设计了两个除法器分别实现交直流分量的除法运算以及Faraday相移与比例系数的除法运算,实现了系统的检测结果直接为电流的值。对系统的各个模块进行测试可知,前置预处理电路实现了对信号的调理,有效去除了因调制产生的尖峰脉冲;改进自动增益控制电路后,电源噪声降低了24倍,并且能够实现输入信号在较大动态范围内将输出信号峰峰值稳定在2±0.2V的设计指标。系统实际测得的被电流调制的方波幅值大小比较接近理论算得的方波幅值,且在待测电流较小时,系统的相对误差较大,在待测电流较大时,系统的相对误差较小,较好的完成了系统设计。
【关键词】：光纤电流互感器 闭环检测 FPGA 自动增益控制
【学位授予单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.23;TM452
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 课题背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.3 课题研究的主要内容13-16
• 第二章 光纤电流互感器信号检测理论及分析16-26
• 2.1 全光纤电流互感器的工作原理16-18
• 2.2 全光纤电流互感器闭环检测原理18-23
• 2.2.1 方波调制21
• 2.2.2 数字阶梯波反馈调制21-23
• 2.3 全光纤电流互感器输出信号的特点23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 光纤电流互感器信号模拟及处理26-36
• 3.1 互感器输出信号模拟26-32
• 3.2 前置预处理模块32-35
• 3.2.1 I/V转换及放大模块33
• 3.2.2 尖峰脉冲剪切模块33-35
• 3.3 本章小结35-36
• 第四章 信号检测系统设计36-66
• 4.1 信号检测系统总体设计方案36-38
• 4.2 硬件电路设计38-59
• 4.2.1 I/V转换电路38-41
• 4.2.2 固定放大电路41
• 4.2.3 尖峰脉冲剪切电路41-44
• 4.2.4 交直流分离电路44-47
• 4.2.5 自动增益控制电路47-54
• 4.2.5.1 低噪前置程控放大电路49-52
• 4.2.5.2 峰值检测52-54
• 4.2.6 A/D转换电路54-56
• 4.2.7 D/A转换电路56-57
• 4.2.8 印制电路板设计57-59
• 4.3 系统的FPGA设计与实现59-64
• 4.3.1 时序控制单元设计61-62
• 4.3.2 方波与阶梯波生成单元设计62
• 4.3.3 相关解调单元设计62-63
• 4.3.4 除法单元设计63-64
• 4.4 本章小结64-66
• 第五章 系统测试与结果分析66-73
• 5.1 系统测试方案66-67
• 5.2 系统测试结果67-72
• 5.2.1 自动增益控制电路测试67-69
• 5.2.2 尖峰脉冲剪切电路测试69-71
• 5.2.3 系统总体测试71-72
• 5.3 本章小结72-73
• 结论73-75
• 参考文献75-78
• 致谢78-79
• 附录A（攻读学位期间发表的论文）79

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