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1、2014.07.23(简易直流电子负载)XX年全国大学生电子设计竞赛简易直流电子负载（C题）【XX组】XX年X月X日17 / 18摘 要简易直流电子负载主要由恒流电路、电压电流控制电路、输出过压保护电路、电源电路和单片机控制与显示系统五部分组成。直流电子负载是以MOS管电压转换电流原理为核心，以硬件反馈实现恒流为基础，以单片机控制为中心的高精度作品。恒流部分的控制端采用运算放大器LM324接成闭环反馈控制形式，并用大功率MOS管作为恒流电路调整管，用水泥电阻做采样电阻，具有良好的调控线性和稳定性。稳压电源部分设置由多个单电源为各部分电路供电。显示部分采用液晶显示器，能够直观、方便地显示设定电流
2、和实测电流数据。系统达到了恒流稳定性高的效果，实时显示电压电流，输出电流为100mA1000mA，步进为10mA。直流负载热稳定性高，工作过程中基本不会因发热而产生偏差，且可以持续很长时间，具有过压保护功能，成本低廉，可靠性高。关键字：电子负载；恒流电路；电压电流检测电路；过压保护电路。目 录1设计方案的论证与选择31.1系统整体方案31.2 各部分方案的论证及选择42电路原理分析与计算52.1恒流电路部分52.2控制电路部分62.3电源电路部分72.4过压保护部分82.5键盘与显示部分电路94测试方法与测试结果104.1测试方法104.2测试条件及仪器104.3 测试结果及分析114.3.1
3、测试结果114.3.2测试分析125设计总结12参考文献13附录1整体电路图14附录2源程序15附录3测试数据15附录4 元件清单16简易直流电子负载（C题）【XX组】1设计方案的论证与选择1.1系统整体方案本系统主要由单片机控制模块、电源模块、键盘与显示模块、恒流模块以及过压保护模块组成，以恒流电路为核心，用键盘对单片机进行控制，再通过单片机内部D/A输出控制MOS管等电路产生恒定电流，当直流稳压电源在一定范围内变化时，流过本直流电子负载的电流保持恒定。同时该系统设计了过压保护电路，过压阈值为18V，实现了对恒流电路的有效保护。电路中的功率部分采用了MOSFET场效应管，很好地实现了电流调整
4、。电路采用简单的7805、7812和7912对控制电路供电。电路相对较简单，不仅成本低、器件易购，而且稳压效果较好。总体来说，整个电路能够良好的实现其设计功能。直流电子负载电路系统总体框图如图1-1所示： 图1-1 直流电子负载系统整体框图1.2 各部分方案的论证及选择1、恒流控制部分方案一：采用UC3843作为控制核心。本方案采用TI公司的PWM控制芯片UC3843来控制MOS管IFRP460的开关，从而将提供的15V电源电压转换成方波脉冲信号，脉冲频率由外围电路中控制端电容电阻参数来确定。方案二：采用单片机编程生成脉冲信号。采用TI公司的MSP430G2单片机编程，通过取反语句，循环语句，
5、并通过对时间的设定可以实现固定频率的方波脉冲的产生。 方案三：采用tl494作为控制核心。.2、电源电路部分方案一：采用三端固定式的集成稳压器78XX系列。此方案用集成稳压器制作电源的电路相对较简单，不仅成本低、器件易购，而且三端稳压集成块的稳压效果较好。不足的地方是三端稳压集成块输出电流要求不能太大，但该电路中电流值较小，对其作用并无影响。方案二：采用三端可调式的LM317集成稳压器。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，输出电压在1.25V37V范围内连续可调，能够提供超过1.5A的电流，线性调整率为0.01%，负载调整率为0.1%，纹波抑制比为80dB，是一种使用方便、应用广泛的集
6、成稳压块。其原理十分简单，达到的稳压精度很高，但电路比较复杂。方案三：利用串联型可调稳压电路提供电源。直流型稳压电源由电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路组成，低噪声、低纹波、有良好的负载调整率，能得到稳定的直流电压，但是该电路的稳压部分需要的电子器件较多，体积很大，对器件的性能要求较高，电路结构复杂，效率也很低，仅适用于小功率的场合。由于STC12C5A60S2单片机需要4.5V5.5V电压供电，而三端固定式的集成稳压器输出电压的电压偏差为5%，即在4.75V5.25V之间；而恒流部分、电流检测部分和显示部分等电路需要5V电压供电，综上述分析，对比后采用电路相对简单的方案一。 3、输出过压保
7、护部分方案一：通过单片机直接进行电压的检测。直接将待测电压经过A/D模块处理后传送给单片机进行检测。方案二：通过运放及相应的电阻组成电压比较器对电压进行相应的处理，将基准电压加在运放的同相端，当运放输入端电压超过基准电压时，运放输出端控制继电器自动断开，从而断开外接电源输入端，最终起到过压保护的功能；当运放输入端电压小于基准电压时，此时外接电源正常接入电子负载，电路正常工作。经过分析，方案一要检测的电压很有可能要高于单片机的最大输入电压，严重时可能把单片机烧毁。同时，在方案一中其待测的电路所产生的电流将影响测量电压的结果。而方案二则不然，当电压过大时，可以利用电阻串联的形式构成分压电路，将电压
8、按一定比例减小，同时利用运算放大器的虚断特性，在很大程度上降低了被测电路其电流对检测结果的影响。所以采用方案二。2电路原理分析与计算2.1恒流电路部分 电路原理图如图2-1所示，恒流电路主要由负载电阻R1、运放LM324以及功率管Q1三部分组成。MOS型晶体管的特点是特别适合于开关状态工作，具有导通电流的能力，且当MOS管导通电压一定时，其通流的能力不变，即流过MOS管电流的大小为固定值，因为它正向导通时的电阻极小，而且开关速度快。由于设计所需电流范围100mA1000mA，步进为10mA，过压阈值为18V0.2V，电路中所需的MOS管的承受电压必须大于18V,通流能力必须大于1A，而IRF5
9、40MOS管的漏源电压VDSS=100V,漏极电流ID=28A,满足设计要求。根据闭环同相放大电路的深度负反馈概念，通过反馈电阻Rf和负载电阻R1构成负反馈电路，控制电压Vin通过运放U1输出的电压基本保持恒定；再根据闭环同相放大电路的虚短概念，即Vp=Vn，运放的反相输入端电压将等于控制电压，即控制MOS管之间的栅源电压为定值，从而使流过Q1和负载电阻R1的电流的大小保持恒定，即控制恒流源输出电流。当最电流为1000mA时： Vo=(R3+R4)*Imax 得到输入运放同相端的电压为：Vi=Vo/(1+R3/R4)=2V。当电流为100mA时由上式可得:Vi=0.2V。其他在100mA100
10、0mA之间的电流可通过单片机控制是输入到运放同相端的电压在0.22V之间即可达到目的由于单片机A/D采样输入电压最大值不超过5V，而流过负载电阻的电流最大为1000mA,根据R=U/I得，即R小于等于5；由P=I2*R得，当R=5时，P=5W，因此R15，PR15W均符合要求，鉴于以上考虑，由于条件限制，最终选用了2/50W的水泥电阻作为负载电阻。图2-1 恒流电路原理图2.2控制电路部分电路原理图如图2-2所示,控制电路部分由STC12C5A60S2单片机、DAC0832数模转换器、运算放大器LM324组成。STC12C5A60S2单片机是数控电子负载的核心部件，通过单片机内部A/D对采样负
11、载电阻端电压、端电流的数据进行采集、处理，通过液晶显示屏显示数据。DAC0832数模转换器，将检测到的电压电流模拟信号转化成数字信号传送给单片机，完成实时的显示和其他控制。电流检测通过图2-1中检流电阻R1对负载电流进行检测，将电流信号通过运放LM324转换成更加易于检测的电压信号，输出的电压与输入的控制信号反相，最后通过由运算放大器LM324组成的反相器将电压取反，即与控制信号同相，且幅值不变。图2-2 控制电路原理图整流滤波部分电路原理图如图所示，由于接收线圈接收到的信号频率与发射线圈发射的信号频率相同，仍然为频率较高的脉冲信号，所以需要对接收线圈接收到的脉冲信号进行整流滤波处理，转变成直
12、流电供给2只串联LED灯负载使用。电路先将接收线圈接收到交流脉冲信号经由4只FR207快恢复二极管搭成的桥式整流电路，得到脉冲直流电压，再经过470uF/25V的电解电容和0.1uF的瓷片电容进行滤波处理后最终得到相对平滑的直流电压，用以供给负载LED灯使用。电路原理图如图2-3所示，由于该系统采用了STC12C5A60S2单片机、DAC0832数模转换器、LM324运算放大器等电路部分，需要5V、12V的直流电压，因此本设计额外设计了一个输出电压分别为12V、5V的稳压电源，电源电路主要分为变压器部分、整流部分、滤波部分、以及78XX、79XX系列的三端固定式稳压部分。由于要为双电源运放供电
13、，因此要采用三抽头的变压器从而得到相位相反的两15V的交流电源输入到下一级的整流桥，变压器的输出为18V。 再通过整流管将输出的交流电转换成为脉动直流电，电路中的C2、C1、C8电解电容器就是将脉动直流中的交流成分滤除，从而输出的电压随着交流输入端和负载输出端的变化而变化，因此，采用78XX系列集成稳压器构成的稳压电路，经过稳压芯片稳压后，输出的基本为稳定直流，能够满足设计电路的供电要求。通过7812输出电压为12V，通过7912输出电压为-12V，通过7805输出电压为5V。电路中C10、C11、C13、的作用为消除输入端引线的电感效应，防止集成稳压器自己振荡，还可以抑制输入侧的高频脉冲干扰
14、，一般选择0.11uF的陶瓷电容器；输出端电容器C14、C15、C12为高频去耦电容器用于消除高频噪声，一般选择0.12.2uF的陶瓷电容器；输出端电容器C4、C3、C12用于改善稳压电路输出端的负载瞬态响应，根据负载的变化情况，一般选用1001000uF的电解电容器。D9、D10、D11是保护二极管，用来防止在输出端电压高于输入端电压时，电流逆向通过稳压器而损坏器件。该电源内阻小，线性度好，电压稳定，噪音极低，输出波纹小。 图2-3 电源电路图2.4过压保护部分为了达到要求，作品要具有过压保护功能，过压阈值电压为18V0.2V。因此，系统过压保护电路采用LM324芯片实现，用LM324稳压管
15、提供2.5V基准电压，将其加在运放的同相端，当输入端电压超过2.5V时，输出端电路将自动断开，当输入端电压小于2.5V时，此时输出端电路正常工作。根据电路中阻值可计算出运放的输入端电压一般将达到2.3V，保证电路正常工作。如图2-5所示，当输入电压高于18V时，过压保护电路可自动中断高输入电压，以保护电流源部分。由于输入电压最大可达到18V，不能直接进行采样检测，需要先将输入电压进行衰减降压，再通过A/D通道进行采用检测，同时使用比较器来控制高输入电压的中断。本设计利用1M4和150K的电阻R3、R4串联对其进行分压衰减，输入电压Vi最大值为18V，故过压保护电路的比较器的基准电压VREF为：
