直流电子负载设计报告.doc
“简易直流电子负载”设计报告摘要：本系统设计制作了一台恒流工作模式的简易直流电子负载。通过按键、LCD显示，AD/DA模块、恒流电路及功率器件搭建电路。运用MSP430G2553单片机精确控制恒流电流值，可以满足基本要求（1）、（2）、（3）；自制了一个符合发挥部分（1）的稳压电源，通过测量达到了发挥部分（2）的要求，通过改变负载电阻Rw达到发挥部分（3）的要求。本系统能够把负载两端电压、流过负载电流和负载调整率直观的在LCD上显示，具有便携（电池供电），精确等特点。 关键字：恒流 功率器件 AD/DA MSP430G2553 负载调整率一、模块设计方案 1.1 单片机系统 方案一、使用AT89C51单片机系统，At89C51是一个低功耗的CMOS8位单片机，片内含有4K bytes存储器和128bytes的随机数据存储器，片内集成通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。方案二、使用MSP430g2553单片机系统，其可在1.83.6V的低电压范围内工作，具有超低功耗的特点；有5种节能方式和基本时钟模块配置；内置16位定时器，多达20个支持触摸感测的I/O引脚和欠压检测器，MSP430g2553功耗低。综合考虑，方案二中单片机系统，性价比高，运行速度高；所以采用方案二。1.2 DA模块方案一、使用DAC0832，最常用的器件，易于使用，硬件接口简单，编程容易，缺点精度只有8位，达不到设计要求。 方案二、TI公司生产的TLV5616。这是一个12位的数模转换器。带有灵活的4线串行接口，可以无缝连接TMS320，SPI，QSPI和Mircrowire串行口。数字和模拟电源分别供电，电压范围2.7V5.5V。输出缓冲是2倍增益rail-to-rail输出放大器，输出放大器是AB类以提高稳定性和减少建立时间。rail-to-rail输出和关电方式非常单电源、电池供电应用。通过控制字可以优化建立时间和耗化比且精度达到设计要求。综合考虑，我们选用方案二。1.3恒流电路模块方案一、采用稳压器来构成恒流源 ，LM7805是三端固定式集成稳压器，输出的电流I=（Uo/R1+I2）;式中I2是7805的静态电流，数值非常之小，当R1较小I1较大时，I2可忽略不计；当R2变化时，LM7805改变自身的电压差来维持电压不变。该电路结构简单，但不能实现数控。 如图1. 图1 LM7805恒流图 方案二、使用OP27CPOP07CP和场效应管IRF3204IRF3205搭建恒流源电路。可以方便的与被测电源相连，并能为AD提供电压电流采样。如图2所示.对IRF3205功率MOS管来讲，通过对其栅极电压的控制，可以达到控制IRF3205的源漏极电流的目的，即在保持栅极电压不变的情况下，源漏极电流可以保持恒定，这样就达到了恒流的效果， 档位调节：题目要求功率器件电路的电流要在100mA到1000mA之间变化，并且每100mA为一个档。完成此项功能可以通过改变IRF3205的栅极电压来完成，而栅极电压的值又取决于由单片机控制的D/A输出。所以可以通过单片机来控制IRF3205的电流进行档位的切换。 图2 OP27OP07CP恒流原理图为达到数控的要求，本系统采用方案二。 1.4 AD模块方案一、ADC0809是8位的A/D转换芯片，每一通道转换时间为100uS，有8个模拟量输入通道，但其精度达不到本系统所需要求。方案二、单片机msp430内自带10位AD，但其理论精度刚好达标，实际使用时，引入噪声后，其精度可能达不到要求。 方案三、选用TI公司的芯片ADS1115模数转换芯片。可编程数据速率有8sps860sps，片内有低漂移电压基准，内部振荡器和内部可编程增益放大器，是16位的高精度模数转换器，数据通过一个I2C兼容串行接口进行传输，ADS115可提供2个差分输入或4个单端输入。此模块，采用方案三。总体方案框图 如图3 图3 系统框架图 二、理论计算与分析 1、AD转换电路。 AD转换电路我们采用TI公司生产的ADS11115芯片。ADS1115是16位的AD转换器，其转换精度可以达到,即，完全可达到千分之一的题目测量精度要求。 2、DA转换电路 DA转换电路我们采用TI公司生产的TLV5616芯片。通过SPI接口与单片机相连，较少使用单片机端口。TLV5616是12位的DA转换器，其转换精度可以达到,即，完全可达到的题目要求的恒流电路的电流变化的精度要求。3 恒流电路导通mosMOS取样电阻使用0.7欧的电阻。OP27使用9V的单电源供电。IRF3204的开启电压理论值为2V4V，实际值为2.5V。D/A芯片外接参考电压为Vref=2.5V实际使用的模拟量的范围为0-1.3V，其中取使得MOS管导通的电压范围为0.5V-1.3V，经比较分析，首先，运放输出端的电压在正常工作时应该使得功率MOS管导通，即运放输出端的电压应该达到功率MOS管的开启电压，而IRF3205的开启电压VGS为24V，另外运放的供电电源为9V，其输出电压值最好不超过其供电电压值，即运放输出端的电压值的范围最后确定为3V7.8V，即确定放大倍数为6倍。 运放放大倍数的计算，即电阻R1和R2的阻值的确定。4、稳压电路 自制的稳压电路我们采用的是LM2596。输出的电压4.97V，纹波7mV，电流可达到3A，完全满足题中要求这里最好有相关的电路图。5电源负载调整率的测试原理 当设置D/A模块的输出电压小于0.3V时，运放输出端，即功率MOS管的栅极电压为低于1.8V，小于功率MOS管的开启电压，功率MOS管截至，功率回路上的电流为0，此时相当于外电路开路，此时通过电压采样得到的电压值，就是空载时的电压值。记为V1，通过按键调整D/A输出，开启MOS管，进而调整外电路的电流，使之变成100mA，200mA直至1000mA，实时采样每一次的电压值V2，则有 也可通过更换图中的Rw的阻值，来进行测量，测量的原理和公式同上。三、硬件电路和软件设计1 使用ADS1115进行AD转换。AD转换电路如图4. 图4 AD模块电路图 ADS1115模数转换器，SDA与SCL接10K的上拉电阻后接入单片P2.1，P2.0。ALERT口悬空。AIN0，AIN1，AIN2，AIN3,分别接模拟输入。题目要求对电流和电压采样并显示采样值，要求精度电压为0.1，电流为0.2，要达到此测量精度，必须至少采用10位以上的A/D转换，TI公司的ADS1115是16位，完全满足此要求。2 使用TLV5616进行的DA转换。DA转换电路如图5.图5 DA模块电路图在本题要求中，要求对电流进行设定时范围100mA到1000mA，100mA一档，精度要求为1，本报告的设计中采用D/A输出来控制功率器件电路的电流，为保证输出电流精度，决定采用TI公司的12位的数模转换器TLV5616。3 直流稳压电源电路。如图6.图6 LM2596稳压电路图4软件设计流程及主要程序 4.1主要程序：按键程序、LCD显示程序、AD模块程序、DA模块程序（详细程序见附录）。 4.2软件设计流程框图，见图7。图7 程序流程图4、 测试方案及分析5、整个测试过程需要用到的仪器：双踪示波器，4位半的万用表。测试环境：室内温度25°C1、负载两端电压和流过的电流的测试测试情况：完成表一：序号设置值（mA）测试值（mA）误差（%）负载两端电压（V）110022003300440055006600770088009900101000由于运放中的误差及电路中信号的传输时干扰，测量值与设置值存在着误差，但都在题目的误差范围之内。2、负载两端电压及负载调整率 测试情况：完成表二：序号稳压电压值（V）电源内阻（欧）负载调整率1919%2613.1%336.9%413.0%50.52.0%60.251.5%70.1251.3%80.051%因为稳压管输出的电压与理想中的电压存在一定的误差，此处把两个电压列出进行对比，然后更换不同的负载阻值，来测量负载的调整率。3、结果及误差分析A、IN5824二极管上产生压降，经LC滤波之后，输出的电压可能达不到AD/DA所要求的基准电压2.5V。B、测得的被测电源的纹波值结果大一点，这可能是测量时示波器的表笔与电路形成一个环路，从而会受到电感发出的电磁波的影响。C、外界环境中小噪声的干扰。4、进一步的改进A、使用压降更小的二极管，效率可以提高。B、改进电路的走线，可以使小信号的地接在同一个点，在接到公共地上，底线使用更粗的线，可以提高效率。改变走线方式，避免形成地线回路，可以减小纹波。C、电路中应尽量使用一些屏蔽线，或做一些屏蔽装置。以提高电路的效率。5、 参考文献1 沈建华 杨艳琴 msp430系列16位超低功耗单片机原理与实践 北京航空航天大学出版社 2010年2 黄智伟 大学生电子竞赛设计方案
