直流电子负载的设计制作DZ版.doc

直流电子负载的设计制作摘要：本设计利用51单片机程控输出数字信号，经过DA转换成模拟量，作为MOSFET功率电路的输入信号。其中MOSFET功率电路由比较器控制NMOS管导通，形成正负反馈模型，实现了恒压、恒流和恒阻三种模式的切换和设置调节。AD实时采集输出的恒定信号，传送给单片机，实现数字显示及自动过载保护功能，完成了题目的要求。三种模式采用手动切换，CV范围扩大为0-30V左右，CC扩大为0-3A左右，CR范围为199欧姆，测量精度小于5%，系统电路简洁，调节快速，且具有过载保护提示，键盘输入设置，LCD实时显示等功能。关键字： 电子负载，单片机，恒流，恒压，恒阻 Abstract: In this design, the 51 single-chip outputs digital signal ,then DA converts analog which is the input signal of MOSFET power circuit. MOSFET power circuit is controlled by the comparator and NMOS transistor is turned on, the positive and negative feedback model was formed to achieve a constant voltage, constant current and constant resistance three modes switch and set the adjustment. AD acquisits constant output signal ,then it is transmitted to the microcontroller, digital display and automatic overload protection to complete the requirements of the topic. Three modes was designed to be manual switching, the CV extend about 0-30V, CC expanded to about 0-3A, Cr ranges from 1 to 99 ohms, the measurement accuracy is less than 5%, system circuit is simple and fast adjustment, and has overload protection prompts, keyboard input settings, LCD real-time display functions.Keywords: electronic load, microcontroller,constant current, constant voltage,constant resistance目 录一、方案论证与设计.111整体方案分析设计.11.2 模块方案比较.11.2.1 MOSFET功率（恒流恒压恒阻）电路方案选择.11.2.2主控器模块方案选择.21.2.3显示模块方案选择.2二、电路设计.22.1 模拟电路分析设计（各模块仿真图见附录）.22.1.1 恒流电路模块.22.1.2 恒压电路模块.32.1.3 恒阻电路模式.32.1.4 自动过载保护模块.42.2 数字电路分析设计（数字电路原理图见附录）.42.2.1 DA/AD模块.42.2.2 负载参数的可调节和数字化显示的方法.4三、软件设计.4四、测试方案及测试结果.44.1测试仪器.44.2测试方法.44.3测试数据.54.3.1恒流模式测试.54.3.2恒压模式测试.54.3.3恒阻模式测试.54.3.4过载保护报警测试.64.4测试结果分析.6五、总结.6六、参考文献.6一、方案论证与设计11整体方案分析设计 该系统包括主控器、键盘、显示电路、MOSFET功率电路和AD、DA处理电路六个部分。其中 MOSFET功率电路包括恒流、恒压、恒阻电路，分别控制恒流、恒压和恒阻三种模式，设计中模式切换部分采用机械和数字开关来选通回路，而三种模式都是采用运算放大器结合以场效应管为核心的反馈网络实现的，控制部分采用单片机来完成，显示采用液晶模块。恒压模式、恒阻模式与恒流模式硬件实现方法基本相同，软件实现方法类似。实现框图如下图1-1所示。待测电源MOSFET功率电路显示电路AD电路DA电路主控器键盘电路过载保护图1-1 直流电子负载系统实现框图1.2模块方案比较1.2.1 MOSFET功率（恒流恒压恒阻）电路方案选择 根据控制功率管导通信号的不同，有两种方案实现，三种模式的硬件实现方法基本相同，下面以恒流电路为例。方案1：用PWM波控制NMOS管的导通。PWM产生所需要的电压值，不同占空比的PWM波对应一个直流电压，单片机把采集到的电压与设定的电压值进行比较形成一个闭环控制做成一个恒流电源。该方案优点是电路简单，但需要编程调试控制PWM波的占空比，反应速度比较慢，对系统调试复杂，精度不高，而本题对精度的要求非常高。所以本系统不采取此种方案。具体原理图如图1-2。图1-2 原理图方案2：用D/A产生的电压模拟信号控制MOS管导通。单片机把按键数字量读出来然后通过DA芯片把数字量转换成模拟量送给电压跟随器，从而使MOS上有一个恒定的电流。本方案是通过模拟电路形成一个负反馈，其反应速度远远高于单片机所形成的闭环控制而且电路简单，控制方便。因此本系统采用此方案。1.2.2主控器模块方案选择方案一：采用目前比较通用的51系列单片机。通过软件编程可以实现对电压、电流、电阻预设置、A/D采样比较、D/A输出、LCD显示、过压控制、过流控制和过功率控制等多种功能，并且外围电路简单,控制效果好。方案二：采用纯硬件方式控制设计电路。电压、电流预设置通过调节电位器实现，电流、电压取样反馈值送入比较电路，实现恒压、恒流和恒阻的功能。电路相对比较复杂，且可实现的功能有限，在短时间内制作会比较粗糙，工作量较大。 通过比较，采用方案一可以很好地完成设计基本任务，同时可以实现多种扩展功能所以我们选择方案一。二、电路设计2.1模拟电路分析设计2.1.1恒流电路模块图1-3 恒流电路模块这个图是一个最常用的恒流电路，这样的电路更容易获得稳定及精确的电流值，R3 为取样电阻,VREF 是给定信号，电路工作原理是：当给定一个信号时 VREF，如果 R3 上的电压小于 VREF，也就是 OP07 的-IN 小于+IN，OP07 加大输出，使 MOS 加大导通使 R3 的电流加大。如果 R3 上的电压大于 VREF 时，-IN 大于+IN，OP07 减小输出，也就降了 R3 上的电流，这样电路最终维持在恒定的给值上，也就实现了恒流工作。I0=VREF/R3如给定 VREF 为 200mV，R3 选用为 1 欧/5瓦电阻，电路恒流为 200mA，改变 VREF 可改变恒流值.即：I0=VREFVREF 可用电位调节输入或用 DAC芯片由 MCU 控制输入，采用电位器可手动调节输出电流。如采用 DAC 输入可实现数控恒流电子负载。2.1.2 恒压电路模块图1-4 恒压电路模块图中 DA为设定的电压值信号，传送到电压跟随器OP07和比较器OP07 ，AD从正相端进行信号检测，功率管导通，IN+与给定值进行比较，形成负反馈闭环，达到恒压目的。51单片机输入端电压不得超过5V，而题目要求做到最高20V的CV，所以采用的电阻分压采样的方式，图中MOS 管上的电压经 R3 与 R2 分压后送入运放，R2=9K，R3=1K，I/O口的电压为负载电压的R2*R3/(R2+R3)=1/10。又考虑到当负载电压很小时，比如小于5V,那么分压后的电压为几百MV,这样的电平送给单片机的AD，转换值很有可能产生较大误差。故当电压小于4V时，将开关断开，直接采样，当电压大于4V时，分压采样。2.1.3 恒阻电路模式图1-5 恒阻电路模式假设我们要稳的电阻为R，有R/R1n，在Vtest较低的MOS管Q2关断AD采样电压为Vtest，我们将DA的电压设成Vtest/n，所以R1两端的电压也是Vtest/n，所以： RVtestIVtest（Vtest/nR1）=nR1。由于我们在不断的对电压采样，DA也在随Vtest变化而变化。这种情况下，表达式中不出现Vtest，即电路的等效电阻是恒定的，因此实现了恒阻模式。2.1.4 自动过载保护模块负载两端并上两个电阻，分压之后连接到同相比较器正端。AD从正端采集电压信号，当检测到当负载电压超过预设的过载值时，单片机控制指示灯亮和蜂鸣器报警，并且液晶显示报警提示。同时单片机降低输出电压数字信号，使功率管关断，从而使负载两端电压降低。三种模式保护电路均通过检测正端输出电压的方式，在单片机内部进行相应的数据转换，实现过压、过流保护。2.2 数字电路分析设计（数字电路原理图见附录）2.2.1 DA/AD模块由于电流设置分辨率为1mA/2000mA=1/2000，故ADC和DAC的分辨率必须1/2000，即DAC和ADC的位数必须在11位以上。本设计需要对输出的反馈电流电压进行采集，采用TI公司 TLV2543。它是一款12位串行输入，多路采集的模数转换器，采用5v供电。DATA=(DATA:转换出的12位数据V:输入电压)DA选用了TI公司TLV5618该芯片具有两路输出，两种模式选择，快速模式，低速模式，采用低速模式可以减少功耗5mw。基准源使用内部基准源2.048V。V=(DATA:给定的数据V:DA输出电压值)2.2.2 负载参数的可调节和数字化显示的方法本系统以STC89C52单片机为核心，采用9个独立按键作为输入设备，作为模式选择和负载参数设置。显示采用12864液晶，满足本设计显示内容较丰富的要求。三、软件设计（程序流程图见附录）软件调试是在 Keil uVision3 下进行，采用了模块化的编程方法，液晶显示子程序:显示当前模式（恒压或恒流恒阻），设定输出值及实际端电压电流。 键盘处理子程序：模式切换，输出值的设定及步进。 数据处理子程序：根据设定值换算出调整值，写入D/A的值，根据A/D采样的数据换算出实际端电压电流值。 将调整值送入D/A。 进行A/D采样。四、测试方案及测试结果4.1测试仪器直流稳压电源 12V蓄电池 数字示波器TDS1002四位半数字万用表VC9807A+ 滑动变阻器4.2测试方法将直流稳压电源连接电子负载，如下图所示，电路中串接电流表和滑动变阻器，负载两端并联电压表。恒压模式测试，设定恒定电压V0，通过调整滑动变阻器，改变电路电流，测量记录负载电压。相对误差:Su=U/U 恒流模式测试，设定恒定电流I0，改变电子负载端电压，测量记录电流表数据。相对误差:Si=I/I恒阻模式测试，设定恒定电阻R，分别测量记录电压表V0、电流表数据I0。恒定电阻R=V0/I0 相对误差：Sr=R/R 过载保护测试，AV电子负载直流稳压电源图1-6 系统测试框图4.3测试数据4.3.1恒流模式测试通过键盘设置恒定值和稳压电源提供不同的端电压，测得测试点电流数据如表2-1所示。表2-1 恒流模式下测试数据表模式设定值（A）测量值1(A)测量值2(A)测量值3(A)工作电压(V)工作电压(V)工作电压(V)恒流0.050.0500.0500.0501.4003.1004.600恒流0.10.0990.1000.1001.9004.2005.600恒流0.40.4010.4000.3996.1008.20011.100恒流10.9980.9991.00212.50015.00018.200恒流21.9981.9992.0022.8003.64.54.3.2恒压模式测试恒压模式的测试方法与恒流模式相类似，其测试所得数据如表2-2所示：表2-2 恒压模式下测试数据表模式设定值(V)测量值1(V)测量值2(V)测量值3(V)测量值4(V)工作电压(V)工作电压(V)工作电压(V)工作电压(V)恒压11.0051.0050.9951.0351.0003.0007.0008.200恒压33.0042.9982.9973.0035.0007.5008.0009.000恒压88.0058.0038.0048.00210.30015.00017.00019.000恒压2020.00320.00519.99720.00321.50025.00027.00029.000恒压3030.00130.00529.99630.00431.00033.00035.00037.0004.3.3恒阻模式测试表2-3恒阻模式下测试数据预置（）计算恒定电阻()计算恒定电阻()实测电压（V）实测电流（A）实测电压（V）实测电流（A）11.0981.1001.1021.0051.0980.99822.0112.0072.5001.2622.5441.26254.9955.0032.6490.5383.2040.6521010.04010.0403.3100.3292.1000.2092019.90019.9502.1100.1054.2590.2138079.07080.0004.2760.05490000.1124.3.4过载保护报警测试当液晶显示的检测值（实测电压、实测电流、实测电阻）大于设定过载值时，电路进入过载保护，指示灯亮，蜂鸣器鸣响，显示屏显示报警。电路进行反馈调节，直到小于设定的过载值，电路恢复正常工作。4.4测试结果分析恒流:分析数据发现，在设定电流为0.05A时，改变输入电压，电流很稳定，基本不变，稳定完全满足小于5%的误差。这也是很好理解的。设定电流过于小，电路差生的热量少，功率管工作稳定。当电流大于1A时，电路产生热量大，对电路工作产生一定的影响，误差始终能维持在3%的范围内。电流最大设定为3A左右，且在这个电流值时误差仍然满足小于5%。 恒压:在基本量程范围内，实测电压误差基本控制在2%内，在继续增大电压的过程中，直至32V，误差仍不超过5%，更大电压未测试。 恒阻：在2-99欧姆范围内，实测等效电阻值与设定值误差不超过3%。过载保护：通过单片机软件实现过载保护，能达到发挥部分的设计要求。五、总结本设计采用更少元件，更低成本的模数结合反馈电路实现电子负载的恒流、恒压、恒阻、自动过载保护等功能。通过精巧的模拟电路设计，在负载参数设置及调节范围等方面远远超过指标要求，大大缓解了数字部分的逻辑负担。设计中所选的器件具有较高的性价比，比如IRF540功率管，OP07运算放大器，对比传统的控制PWM波方案，本作品更经济简洁，实用性更强。六、参考文献【1】华成英,童诗白著模拟电子技术基础第四版 高等教育出版社2006 【2】张天凡著51单片机C语言开发详解电子工业出版社2008 【3】王东峰王会良等著单片机C语言应用100例电子工业出版社2009 【4】李朝青著单片机原理及接口技术第三版北京航空航天大学出版社2011附录一：主程序流程图：开始初始化化进入选择界面是否有键按下NLCD显示刷新Y读键值进入选择界面恒阻模式恒流模式恒压模式恒流（恒压恒阻）电路流程图：DAC转换输出设置过载保护设置电流恒定值结束电流采样进行AD转换开始附录二：附图1 数字电路原理图附录三：附图2：模拟电路原理图10