《[2017年整理]简易直流电子负载》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[2017年整理]简易直流电子负载（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、简易直流电子负载张良 毛伟 周旭摘要：本设计是以场效应晶体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。此次设计为恒流源法直流电子负载。本系统中电压和电流的测量都采用高精度运放对电压和电流分别采样处理，再利用 12 位高精度 ICL 7135 输入口进行电压和电流检测和监控。硬件电路恒流部分的控制端采用多个精密运算放大器 OP07 接成闭环反馈控制形式。系统达到了恒流稳定性高的效果，实时显示电压电流，电流范围为 100mA1000mA，步进为 10mA，且分辨率达到 1mA（V）。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。
2、本设计具有过压保护功能，成本低廉，可靠性高。关键字：场效应管；采样；闭环反馈；过压保护- 1 -一、方案论证1、恒流控制方案方案一：从取样电阻取回的电压与 DA 输出电压作差分放大，放大后的电压经电阻转换为电流，电流经过达林顿复合管扩流后得到所需要的电流。方案二：从取样电阻取回的电压与 DA 输出电压作差分放大，放大后的电压经过场效应管直接变换为电流。方案选择：方案一虽能够达到所需电流要求，但复合管的基极的电流会流入负载，对电流的恒流造成误差；方案二中的场效应管能够实现电流要求，且输入级没有电流，在放大区工作稳定，因此选择方案二。2、输出电流采集方案方案一：直接从功耗电阻上采集电压，从而得到电
3、压和固定电阻得到电流采样。方案二：在功耗元件上端串联一个小功率电阻作为采样，采得电压除以固定电阻得到电流。方案选择：方案一中的采集电阻大，因而采集得到的电压变化很大，经过运放后对电流的精确度有影响，而方案二中的电阻为精确小电阻，得到电压精确运算后可以得到精确电流。3、功耗原件选择方案方案一：功耗元件为功率管，大部分功率都消耗在功率管上。方案二：功耗元件为多只功率电阻并联作为功耗电阻，晶体管只为开关使用，开关上消耗功率低。方案选择：方案一中对功率管的热消耗巨大，对功率管的散热具有非常高的要求，且发热会对电流产生误差，方案二中的功率原件为多只功率电阻，因而电阻的发热比较小，对电流影响较小，因此选择
4、方案二。4、输出电压采集方案方案一：对功耗元件上电压采集得到电源输出电压。方案二：对整个电流支流的电压进行采集,即对整个输出电压采集。方案选择：方案一是对功耗元件电压的准确测量，但在电流采样电阻和晶体管上也有分压，并不能代表输出电压（负载电压） ，方案二是对整体输出电压的采样，能准确测量电源输出电压（负载电压） ，因此选择方案二。二、系统总体方案如图 2-1 所示：本设计采用高速单片机作为恒流源的控制、显示和输出电压电流检测核心，实现了 100mA 到 1000mA 数控可调直流电子负载。- 2 -系统的显示部分采用 12864 点阵式液晶显示屏实时显示输出电压值和电流值；输出电流控制采用 T
5、I 芯片 DAC7611 输出模拟量来控制 OP07；电流测量采用基本没有温度漂移的康锰铜电阻丝作为精密取样电阻，利用单片机外扩的 A/D 输入口进行电流检测和监控。硬件电路恒流部分的控制端采用多个精密运算放大器 OP07 接成闭环反馈控制形式，受控部分采用 IRF540 场效应功率管产生电流。电源部分运用 LM7805 和 LM7905产生正、负 12V 电压供电，多级电容滤除纹波干扰；实时监测输出电压和电流，根据电压变化率得到负载调整率，当输出电压大于 18V 能够实现报警和软件关断功能。 1、控制模块：采用高精密放大运放 OP07 对控制信号和反馈信号取差，差信号控制功率管。2、测量模块
6、：采用 12 位 AD 转换芯片对电压电流实时监测。3、过压保护模块：采用软件保护，当监测输出电压达到 18V 时，送一高电平给 I/O，单片机监测到高电平时 DA 停止工作。4、功耗模块：用四个 30 欧姆水泥功率电阻做功耗原件。从而整体实现电子- 3 -负载的功能。5、电源模块：采用线性集成稳压器 LM7805，,LM7905 构成正负 12V 和正负 5V 供电电压。三、理论分析与计算1、电子负载及恒流电路的分析电子负载为功率管和功率电阻组成的功耗负载，输出功率都消耗在功率管和功率电阻上，实现了电子负载的功能。恒流电路的实现：控制电路为 DAC 输出直流电平和从取样电阻得到的取样电压取差
7、，差值放大控制晶体管的漏极，从而控制电流的稳定，具体流程如图 3-1 所示：当电流变化，采样电压改变，采取的电压和控制电压取差后控制晶体管电流朝与之前变化相反的方向变化，直到稳定，从而实现恒流。2、电压、电流的测量及精度分析电压、电流的测量都是通过对电压、电流取样，得到的电压值经过精密运放 OP07 处理，得到 0-2V 信号，送给 12 位 AD 转化后由单片机处理并显示。12 位的 AD 和 DA 可以得到 1mA 和 1mV 的分辨率，且 OP07 为高精度运放，控制好电路反馈系数可以达到题目所需精度。3、电源负载调整率的测试原理如图 3-2 所示：电压负载调整率为：（3-3-1）120
8、%V为空载（半载）时电子负载两端电1压， 为满载时电子负载两端电压即为额 2V定电流（1A）时输出电压。4、最小实现稳流电压计算：如图 3-3 所示： （3-2-1）*OutsLsdVIR图 3-1 恒流原理图 3-3 功耗电路- 4 -为 500m ； 为 6 ； 一般可以忽略。sRLRsdR得 （3-2-2）min1*0.5.5VV四、主要功能电路设计1、恒流电路设计如图 4-1 所示：电路由闭环反馈实现电流的稳定。采样电压和控制电压取差，经开环放大，得到控制信号,控制电流。2、电压采样电路设计如图 4-2 所示：电压采集用 OP07 差分取样，取样后的电压进行十分之一衰减，衰减后信号经过
9、 ICL71351 2 位 AD 转换送与单片机处理。从而达到 1mV 分辨率的要求。3、数字电路的设计图 4-1 恒流电路的设计图 4-2 电压采集电路- 5 -（1）DAC7611 的外围电路：如图 4-3 所示：（2）ICL7135 的外围电路：如图 4-4 所示：这两款芯片分别实现控制和测量的精度。4、过压保护电路设计过压保护电路采用软件保护，当检测到输出电压大于某一特定值时（17.98V 衰减为原来的十分之一为 1.798V，相对安全） ，DA 输出为 0，且有预警提示。5、电源模块设计图 4-4 ICL7135图 3-3 DAC7611图 4-6 电源模块设计- 6 -6、总电路设
10、计见附录五、系统软件设计1、系统程序流程图：2、 、重要运算方法。（1）DAC7611 输出电压由下式给出：（5-2-()0CODERFVx1）其中 REF 是内部基准电压，而 CODE 是数字输入值，范围从 0X000至 0XFFF。上电复位将内部锁存为一个规定的初始状态。（2）对电流电压的显示过程中，必须按照与运放反馈系数比例关系来显示电压、电流。其中电流采样电压放大为 5 倍，电压采样电压衰减为之前的十分之一，在软件中赢相应除以 5 和乘以 10。图 5-1 程序总流程图- 7 -表 6-3-1（3）负载调整率的计算： （5-3-1 ）10%ONiUS由上式可知，我们需要测量两个电压信号
11、，最后算得负载调整率。3、重要源代码见附件六、测试方案与测试结果1、测试方案的选择本次设计为高精度信号，分辨率达 1mA、1mV，因而一般示波器和电表测不出来，所以我们选择 4 位半的数字电表作为测量仪器。测量仪器：4 位半数字电表，被测稳压电源，供电电源和线性可变功率电阻。2、测量方法：电压测量：将四位半表和被测电压并联，读取四位有效数字。电流测量：将四位半表和电路串联，选取合适档位，读取四位有效数字。3、测试结果：如表 6-3-1 所示：预置电流实测电流实测电压100mA 100mA 9.000V200mA 200mA 8.998V500mA 501mA 8.993V510mA 511mA
12、 8.993V520mA 520mA 8.992V1000mA 1001mA 8.980V4、测试结果分析：由数据结果可以得知，本次直流电子负载可以实现，负载上的电流可以步进控制，且输入电压在可控范围内变化时，电子负载上的电流不会发生变化，达到电子负载的精度和稳定度。此次设计具有非常高的热稳定性和可靠性，可以不限时长工作，但达到恒流电压变化范围相对较小。被测电压实测电流6.500V 1000mA7.000V 1000mA7.500V 1000mA10.00V 1000mA16.50V 1001mA17.50V 1001mA- 8 -参考文献：1 李朝青编著.单片机原理及接口技术(3)版.北京：
13、北京航空航天大学出版社，2005.92 谢自美主编.电子线路设计实验测试（第二版）武汉：华中理工大学出版社，2007.73 董尚斌主（编） .电子线路（）.北京：清华大学出版社，2006.10附件1、总体电路图如图所示：图 1-1 总体电路设计2 源程序代码：#include#include#include #include#define LCD_CW XBYTE0xF900- 9 -#define LCD_DW XBYTE0xF940 #define LCD_CR XBYTE0xF980#define KEY_a XBYTE0xFE00#define KEY_b XBYTE0xFF00#de
14、fine LCD_BUSY while(LCD_CR & 0x80)typedef unsigned int uint;typedef unsigned char uchar;sbit CS =P14; sbit CLK=P15; sbit SDI=P16; sbit LD=P17; sbit BUSY1=P33;sbit BUSY0=P32;xdata float m,n,da=0;xdata uint vol=131;xdata char buff06,buff16,buff24,buff34;xdata uchar a;void print(uchar X,uchar Y,uchar *
15、str) if(X=0)X=0x80;else if(X=1)X=0x90; else if(X=2)X=0x88;else if(X=3)X=0x98; LCD_BUSY; LCD_CW=X+Y;while(*str!=0) LCD_BUSY;LCD_DW=*str; str+; - 10 -void dis_LCD(uchar X,uchar Y,uchar date)uchar wz;if(X=0) X=0x80;else if(X=1) X=0x90;else if(X=2) X=0x88;else if(X=3) X=0x98;wz=X+Y;LCD_BUSY;LCD_CW=wz;LCD_BUSY; LCD_DW=date;void init(void)LCD_BUSY;LCD_CW=0x30;LCD_BUSY;LCD_CW=0x0C;LCD_BUSY;LCD_CW=0x01;void delay(uint z)- 11 -uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);/*初始化 DAC7611*/void init_da(void)LD=0; CS=1;
