直流电子负载设计报告--电子系统课程设计.doc

国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告电子系统课程设计设 计 报 告设计题目： 直流电子负载学 院：电信学院专 业：自动化学生姓名：。学 号：任课教师： 目 录1 设计任务要求21.1 基础部分21.2 提高部分32 设计方案及论证32.1 任务分析32.2 方案比较132.3 系统结构设计152.4 具体电路设计172.5 单片机软件算法流程203 制作及调试过程223.1 制作与调试流程223.2 遇到的问题与解决方法234 系统测试244.1 测试方法254.2 测试数据274.3 数据分析和结论285 系统使用说明285.1 系统外观及接口说明295.2 系统操作使用说明306 总结316.1 本人所做工作316.2 收获与体会316.3 对本课程的意见与建议327 参考文献321 设计任务要求设计并制作一个输入电源电压变化范围+1VDC+5VDC的直流电子负载。可设置6档恒流放电电流：0mA（关断），100mA，200mA，300mA，400mA，500mA，并设计有放点指示、欠压保护、定时关断、放电电流显示、放电电流微调功能。设计并制作一个可配合该电子负载使用的扩流模块，插入扩流模块后电子负载的放电电流变为原先放电电流的2倍。系统功能如图1-1所示： 图1-1 电子负载系统功能1.1 基础部分（1） 多档恒流放电功能要求：在输入电压1VDC-5VDC变化范围，用3个开关（单刀单掷或单刀双掷）设置6档恒流，电子负载按照设定值进行恒流放电（误差小于10m）。（2）放电指示功能（ 5分）要求：设置放电状态指示灯。放电停止时(放电电流小于1mA )，放电指示灯灭；放电时，放电指示灯亮。（3）欠压保护功能（ 15 分）要求：设置欠压保护功能，当输入电低于1.0V时禁止放电（误差 时禁止放电（误差 0.05V），并声光告警。（4）放电定时关断功能（ 20 分）要求：使用一个开关启动或关闭定时关断功能，使用2位数字显示放电关断倒计时的秒数。定时关断功能启动后倒计时显示10 秒， 10 秒计时结束后放电功能关闭，关闭定时关断功能后重新开始放电，当欠压保护时，暂停计时，保留显示不变。计时误差应小于1秒。1.2 提高部分（1）放电流微调功能（ 20 分）要求：在完成基础部分 1的基础上增加放电流微调功能，微调步长为10mA，微调范围为 -50mA+40mA（0mA档微调范围为 040mA），使用两个按键控制，按键1按下后放电流增加10mA ，按键2按下后放电电流减小10mA 。要求放电流在 0190mA范围内电流误差小于1mA ，在200mA540mA范围内电流误差小于10mA 。（2）放电流显示功能（ 10 分）要求：测量放电流并用3位数字显示放电流，单位为mA，电流测量精度1mA ，电流测量误差小于10mA 。（3）扩流模块（ 20 分）要求：设计并制作一个扩流模块，并在主模块上设计扩流模块插座。插入扩流模块后电子负载的总体放电电流变为原先放电电流的2倍，扩流模块与主模块的放电流应相同。分别测量主模块和扩流模块的放电流应，二者同电流设定值之间的误差小于10mA 。（4）其他有意义的功能（ 10 分）在完成全部提高分功能的基础上（提高部分得分不小于45 分）增加其他有意义的功能，如恒功率放电模式、恒电阻放电模式、放电电压曲线记录功能等 。2 设计方案及论证2.1 任务分析恒流模块方案恒流模块方案（1）：电阻恒流源原理图如图2-1-1所示： 图2-1-1 电阻恒流源原理图由运放的虚短特性：由运放的虚断特性：为0，对没有影响，所以理论结果如式2-1所示：（式2-1） 恒流模块方案（2）：MOS管恒流源本实验中用到的是IRF540，25条件下，IRF540输出特性如图2-1-3所示： 图2-1-3 IRF540输出特性曲线图可调整mos管工作点使之工作在恒流区。在恒流区时，有MOS管恒流源原理图如图2-1-4所示： 图2-1-4 MOS管恒流源原理图MOS管恒流源电路仿真图如图2-1-5所示： 图2-1-4 MOS管恒流源电路仿真图理论结果如式2-2所示：（式2-2）方案（3）晶体管恒流源 图2-1-6 三极管的输出特性曲线 图2-1-6所示为三极管的输出特性曲线，当Vce大于1V时，集电极电流Ie基本上是由基极电流Ib决定的，而受Vce的影响很小（因Ib不同时的各输出特性曲线基本上是平行的），也即当三极管的Ib保持不变，Vce在较大范围内变化时，Ic基本上保持不变，三极管具有恒流源的特性。从另一个角度看，这时三极管在Q点处的直流电阻R=Vce/Ic可以取得较小且为常数，而交流电阻非常大。总之，三极管的Ib保持不变时具有恒流源特性称为恒流源，且这时该管的直流电阻较小而交流电阻非常大。晶体管恒流源仿真电路图如图2-1-7所示： 图2-1-7 晶体管恒流源仿真电路图理论结果如式2-3所示： （式2-3）5档恒流放电及放电电流微调模块 实现5档电流控制需要产生多档参考电压，可以采用单片机检测多档开关状态，输出对应多档电压，单片机PC5 PC6 PC7分别检测多档开关的1、2、3档，其中1档对应100mA、2档对应200mA、3档对应300mA，1+3档对应400mA、2+3档对应500mA档。 PC10、PC11接按键开关，执行放电电流微调功能。其中，多档开关及按键开关默认悬空即高电平，当开关动作时，开关低电平，单片机执行对应功能。原理如图2-1-8所示。图2-1-8 多档开关、按键开关与单片机连接示意图放电指示及计时显示控制模块原理图如图2-1-9所示： 图2-1-9 放电指示及计时显示控制原理图窗口比较可以采用电压比较器 图2-10 电压比较器原理图图2-10所示为一种最简单的反向电压比较器，UR为参考电压，加在运放的同相输入端，输入电压Ui加在反相输入端。当Ui小于UR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作，Uo=Uz。当Ui大于UR时，运放输出低电平，Dz正向导通，Uo= -UD实际电路中可按图2-1-11进行焊接，采用同向电压比较器，即参考电压接运放负极输入端： 图2-1-11 电压比较器电路连接示意图由于单片机输入电压不能过高，所以电压比较器输出电压需分压后输出给单片机PC1口，当mos管D极输入电压大于1V时，电压比较器输出高电平，单片机正常工作，单路正常放电，当mos管D极输入电压低于1V时，电压比较器输出低电平，单片机执行中断程序，DAC停止输出，放电停止。利用7805稳压电路输出5V电压后，将5V电压分压得到电压比较器所需要的1V参考电压实际电路中，可按图2-1-12进行焊接，其中分得的1V电压用于欠压保护参考电压，ASM11173.3稳压电路得到的的3.3V电压用于给STM32单片机供电。 图2-1-12 5V稳压模块及分压1V、3.3V电路原理图欠压保护模块：通过ADC实时检测输入端电压值，当输入电压低于1V时，STM32单片机给蜂鸣器、红灯输出高电平，当输入电压大于1V时且放电时，给绿灯输出高电平。实际焊接可按图2-1-13连接。 图2-1-13 指示灯与警报器连接电路示意图扩流模块电路原理与主恒流模块相同，扩流时相当于两个电路并联。定时关断模块单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地进行工作。因而时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路方式有两种：一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式，这里采用的是内部时钟方式。显示模块一般情况下，显示单元可以采用一般的数码管显示，因为数码管具有接线简单，成本低廉，配置简单灵活，编程容易，对外界环境要求较低，易于维护等特点。但是，考虑到普通数码管能够显示的信息量有限，并且一般情况下要显示较多的信息所占用的系统I/O资源较多。在本系统中，考虑到显示的内容以及系统的实用性，采用液晶显示（LCD）。液晶显示具有功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害、平面直角显示以及影响稳定不闪烁、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等优点。点阵式LCD可以显示字符、数字等功能。本系统采用的LCD型号为ILI9325。LCD与STM32单片机管脚连接顺序如表2-1-1 表2-1-1 LCD与STM32单片机管脚连接顺序2.2 方案比较恒流模块方案（1）电阻恒流源电路存在的问题：电流控制精度不高，电流调整范围非常小。理论计算，。而仿真结果图2-2-1可以看出，。与理论结果相差较大。由LM324数据手册可以得到，LM324输出电流的典型值为30，经查找有关资料，运放输出电流超过典型值时，很容易烧毁芯片，所以LM324的输出电流能力非常有限，不能满足本实验中所要求的100500mA,所以该方案不适用于本次实验。 图2-2-1 电阻恒流源电路直流传输特性方案（2）mos管恒流源电路优点：电流控制精度高，电流调整范围大。理论计算，而从仿真结果图2-2-2可以看出， 图2-2-2 mos管恒流源直流传输特性在仿真中，观察运放输出电流，可以看到，运放输出电流仅有14.25微安，满足运放正常工作要求。在仿真中，观察即R2端电压，为5V，电路板中实测R2端电压为4.3V，由MOS管IRF540输出特性曲线，为4.3V且D极输入电压为15V时，mos管IRF540始终工作在在恒流区，所以输出电流恒定。MOS管栅极和源漏极之间的阻抗很高，当mos管工作在恒流区时，D极和S极电流几乎相等。方案（3）晶体管恒流源存在的问题：易受到温度影响，电流控制精度低。 图2-2-3 晶体管恒利源直流传输特性 方案（3）晶体管恒流源 这类恒流源以晶体三极管为主要组成器件,利用晶体三极管集电极电压变化对电流影响小,并在电路中采用电流负反馈来提高输出电流的恒定性。由于晶体管参数受温度变化影响,大多需要采用温度补偿及稳压措施,或增强电流负反馈的深度等方式去稳定输出电流。不如方案（2）简便准确。2.3 系统结构设计 根据直流电流源的要求，由于要求有较大的输出电流范围和较精确的步进要求以及较小的纹波电流，所以不适合采用电阻恒流源电路及晶体管恒流源电路，否则难以达到输出范围和精度以及纹波的要求。根据系统要求采用D/A转换后接运算放大器构成的功率放大，控制D/A的输入从而控制电流值的方法。 对比分析可得，采用方案（2），即运放和mos管结合的电路实现。能以比较简单的电路实现较高的精度，同时配合单片机STM32的使用，能稳定的实现欠压保护、6档恒流放电、放点指示、放电定时关断、放电电流微调、放电电流显示等多种功能。结构框图如图2-3-1： 图2-3-1 系统结构图原理图如图2-3-2： 详情见附件1：电路原理图 图2-3-2 系统原理图2.4 具体电路设计 恒流模块采用IRF540mos管，Rs取为1欧姆。采用7805稳压电源产生5V电压，并用ASM11173.3 产生3.3V电压电路主体部分如图2-4-1： 图2-4-1 电路主体部分系统工作原理为：当有多档开关对电流值进行预置时，STM32单片机PC5PC7口检测到开关状态后，作为电流源的给定值，输出相应的数字信号，通过D/A转换，使数字信号变成模拟电流信号并从PA4口输出到运放正极输入端 ，此电压信号经过压控恒流元件场效应管IRF540来产生相应的电流值，场效应管的漏极电流即为恒流源的实际输出电流。同时场效应管的漏极电流近似于源极电流，源极电流经过采样电阻后转化为电压信号，单片机PA1口的ADC采集此信号,作出相应的调整处理后输出显示，作为电流源的自测表的输出值。与此同时液晶显示器显示DAC寄存器的值、DAC输出电压值、ADC检测到Rs两端的电压值以及定时关断时所用到的倒计时秒数（若没有开启放电定时关断，则秒数为0，开启放电定时关断时，进行10秒倒计时显示）。具体用到的器件如表2-4-1所示。器 件 编 号器 件 名 称型 号1单片机ATM322稳压器LM7805,ASM11173.33运算放大器LM3244Mos管IRF5405LCDILI9325彩屏6开关单刀单掷开关、4档开关7蜂鸣器8LED红绿小灯9电阻10电容 表2-4-1 恒流源的设备选型2.5 单片机软件算法流程STM32单片机标准DAC输出电压为： 在本实验中，由于电阻阻值没有完全合适的，实际用于给单片机供电的3.3V分压不标准，电路实测分压为3.24V，所以该电路的DAC输出电压为 DAC相关程序：输出的相关设置，本实验中我们将使用库函数的方法来设置DAC模块的通道1来输出模拟电压，其详细设置步骤如下：1）开启PA口时钟，设置PA4为模拟输入。STM32F103ZET6的DAC通道1在PA4上，所以，我们先要使能PORTA的时钟，然后设置PA4为模拟输入。DAC本身是输出，但是为什么端口要设置为模拟输入模式呢？因为一但使能DACx通道之后，相应的GPIO引脚（PA4或者PA5）会自动与DAC的模拟输出相连，设置为输入，是为了避免额外的干扰。使能GPIOA时钟：RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );/使能PORTA时钟设置PA1为模拟输入只需要设置初始化参数即可：GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; /模拟输入2）使能DAC1时钟。同其他外设一样，要想使用，必须先开启相应的时钟。STM32的DAC模块时钟是由APB1提供的，所以我们调用函数RCC_APB1PeriphClockCmd()设置DAC模块的时钟使能。RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE );/使能DAC通道时钟3）初始化DAC,设置DAC的工作模式。该部分设置全部通过DAC_CR设置实现，包括：DAC通道1使能、DAC通道1输出缓存关闭、不使用触发、不使用波形发生器等设置。微调程序段：void EXTI15_10_IRQHandler(void)delay_ms(10);key=KEY_Scan(0); if(key=KEY1_PRES) if(dac_get50)dac_get-=50;else dac_get=0;DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, dac_get);/DAC按键开关每按下一次，DAC的输出值增加或减小39.56mv，VRef的电压增加或减小9.89mV。3 制作及调试过程3.1 制作与调试流程 我们从最基础的恒流模块焊接做起，先将mos管恒流部分焊接，进行测试。发现恒流效果不是很稳定。我们连上数字示波器发现有纹波的存在，为了去除纹波，接着我们在mos管G级前并联一个电容，发现恒流效果比较稳定。 与此同时，我们进行stm32单片机的相关学习，从DAC模块学起，依次学习了多档、微调、欠压保护、定时关断等模块的程序编写，我们先在开发板上依次将程序调试成功之后，将各个模块的程序汇总，在汇总的过程中，我们遇到了各种问题，我们逐一调试，最终将各个模块成功结合到一起。 紧接着，我们以stm32最小系统板为核心，焊接所需相关电路，在恒流电路模块电路板上，依次焊接了5V稳压模块、多档开关、按键开关、系统运行状态指示灯、蜂鸣器、扩流模块，接着按照所需连线，用杜邦线依次连接。 最后，我们学习了LCD屏幕的相关知识，在详细对照了电路图及管脚连接之后，我们将屏幕连接到了电路板上，依次测试相关功能，在改进之后将测试数据记录下来。 在将所有的功能实现之后，我们软件部分基本完成，接着我们用了接近10天时间去改进实际电路，努力解决自激、纹波等影响精度的问题，一步步的提高整体的精度。 3.2 遇到的问题与解决方法硬件部分：（1）恒流模块不稳定，用示波器能看出明显的毛刺 问题分析：产生的原因可能有以下几个： 电源输出不稳定，即电源输出自己存在纹波。 由分压电路得到的3.3v电压存在纹波。 DAC输出电压存在纹波 运放自激 模拟示波器及导线不稳定，可能自身存在纹波且易受环境干扰 电源输出不稳定解决办法：在15V输入端并接电容以滤除纹波 DA输出不稳定解决办法：通过在DA输出后接一个电压跟随器，以稳定输出并提高带负载能力，同时并接电容以滤除纹波。 运放自激解决办法：通过电容矫正，即用电容将运放输出端与负极输入端连接起来。接入的电容相当于并联在前一级的负载上，在中、低频时，由于容抗很大，所以这个电容基本不起作用。高频时，由于容抗减小，使前一级的放大倍数降低，从而破坏自激振荡的条件，使电路稳定工作。这种校正方法实质上是将放大电路的主极点频率降低，从而破坏自激振荡的条件，所以也称为主极点校正。（2）恒流模块电流精度不够 解决办法：在Multisim里多次改变电阻值，得到最接近要求的阻值后，更改电路板上的电阻；在mos管G极前接入电容以滤除纹波；不断调试单片机DAC对应档位赋值，以与标准电流相匹配。 （3）输入为0时，输出为2.5mA 解决办法：通过将DAC输出电压分压后再输入给VRef,本实验中，我们将DAC的输出值设定为原来的4倍，同时采用3:1电阻分压，将DAC输出电压值的1/4输出给VRef，明显削弱了0输入时的输出，由实验测得，改进之后的电路输入为0时，输出只有0.35mA左右。 （4）杜邦线压降问题，当用杜邦线将不同的接地点连接在一起时，用电压表可以测得杜邦线上存在压降，严重影响电路精度。 解决办法：减小地线长度以减小地线阻抗，减少单一杜邦线的使用，可以将代表地线的焊锡焊的宽一点同时用多根杜板线并联将不同的接地点接在一起。（5）扩流模块电流不正确 解决办法：在仔细检查走线后，发现有一部分由于走线过于混乱，分析可能对电路性能造成了影响，我们将这一小部分重新焊接，得到了正确的结果。 软件部分： （1）电路输出不稳定时，尝试采用反馈去解决解决办法：当ADC采集到的Rs的电压小于设定值时，增大输入电压； 当ADC采集到的Rs的电压大于设定值时，减小输入电压 （2）每一个新的模块的并入，都会对前一部分模块造成一定的影响解决办法：合理配置中断，改变中断优先级以优化程序结构，同时不断改变相应参数连接部分：（1）在最终将屏幕连接到电路板时，由于屏幕管脚过多，屏幕亮了但是没有显示。解决办法：我们及时选购了母排针，在电路板左上部分焊接了接线部分，在将接线位置固定之后，屏幕正确的显示了相关参数。测量部分：（1） 万用表不是理想万用表，电流档位有内阻，连入电路后，若选择不好测量位置，可能对实验结果造成影响。 解决办法：将电流档串入电路后，应在mos管D极接口处测量输入电压 欠压保护中，也应将比较器的比较电压取在mos管D极接口处 扩流模块时，主模块与扩流模块所串联的电流表及导线内阻应非常接近4 系统测试4.1 测试方法测试方法：在不接入扩流模块时（1）多档恒流放电、放电电流微调、放电电流显示 用4位半万用表电压档测量15V输入电压，用4位半万用表电流档测量记录恒流误差最大时的输入电压、恒流档设定值、恒流测量值，对比电流显示数值，记录误差（2）放电指示 恒流档在0mA（关断）和其他任意挡位之间切换，并调整输入电压，观察放电示灯是否正常 （3）欠压保护 选择各电流档位，用万用表测量mos管D极输入电压，调整输入电压到放电终止，观察欠压保护值，记录误差最大时的欠压测量值 （4）放电定时关断任选一个恒流档，打开定时关断开关，观察倒计时显示和放电电流在接入扩流模块后，按照上述（1） 中的测试方法测量各挡位的电流，断电后插入扩流模块，分别测量主模块和扩流模块的放电电流 注：万用表不是理想万用表，电流档位有内阻，连入电路后，若选择不好测量位置，可能对实验结果造成影响。 解决办法：将电流档串入电路后，应在mos管D极接口处测量输入电压 欠压保护中，也应将比较器的比较电压取在mos管D极接口处 扩流模块时，主模块与扩流模块所串联的电流表及导线内阻应非常接近测量时电路连接方式如图4-1-1： 图4-1-1 测量电路连接示意图 图4-1-2 测量电路实物连接示意图4.2 测试数据各功能测试数据如表4-2-1： 表4-2-1 各功能测试数据4.3 数据分析和结论由实验测量数据分析可得，电路实现了多档电流和微调功能，且线性度很好，基本在精度要求范围内。但是在禁止放电时，放电电流不是0mA，在此基础上，我们对DAC输出电压做了改进，通过将DAC输出电压分压后再输入给VRef,本实验中，我们将DAC的输出值设定为原来的4倍，同时采用3:1电阻分压，将DAC输出电压值的1/4输出给VRef，明显削弱了0输入时的输出，由实验测得，改进之后的电路输入为0时，输出只有0.80mA左右。 同时由多次测量可得，欠压保护时，Vref会出现0.1V左右波动，分析原因，由于电路正常工作即处于恒流放电时，负载的存在，使电源输出电压标称值有一定的压降，当实测输出Vref低于1的瞬间，电源输出端负载明显减小，实测电压有向标称值升高的趋势，且与同学讨论得出，恒流电流的纹波越小，Vref与电源标称值的跟随越好，欠压保护时的电压波动越小。对于恒流电流纹波的产生，经过查阅资料、实际测量、请教老师及多组讨论后，总结出以下几个可能产生的原因：（1） 电源输出不稳定，即电源输出自己存在纹波。（2） 由分压电路得到的3.3v电压存在纹波。（3） DAC输出电压存在纹波（4） 运放自激（5） 模拟示波器及导线不稳定，可能自身存在纹波且易受环境干扰为了解决纹波问题，我们将15V输入、DAC输入并接电容做了滤波，同时选择较细较短的导线，同时将周围可能存在电磁干扰的手机、电脑等器件远离测量电路。5 系统使用说明5.1 系统外观及接口说明 图5-1-1 主模块外观示意图 图5-1-2 扩流模块外观示意图 图5-1-3 测量电路连接示意图5.2 系统操作使用说明多档开关及按键开关默认高电平，当有开关动作时，开关变为低电平，单片机执行相应操作。三档开关分为0、 100、 200、 300、 400（100+300）、 500（200+300）mA档。按键开关增加10mA、减小10mA档位。多档开关的第4档位为放电定时关断开关，当开关动作时，变为低电平，执行放电定时关断功能，当再次推动此开关时，变为高电平，放电恢复。LCD彩屏实时显示DAC寄存器的值、DAC输出电压值、ADC检测到Rs两端的电压值以及定时关断时所用到的倒计时秒数（若没有开启放电定时关断，则秒数为0，开启放电定时关断时，进行10秒倒计时显示）正常放电时，绿灯亮；欠压保护时，红灯亮，蜂鸣器报警。 图5-2-4 STM32与电路板的接线手稿6 总结6.1 本人所做工作电路相关原理的资料搜索，电路原理的对比分析，电路的仿真，基本电路的焊接，单片机DA输出电压微调程序的编写，反馈程序结构的改进，输出电流不稳定、纹波较大等问题的解决，测量数据的整理分析。6.2 收获与体会在这二十天的实验过程中，我们小组三人基本上每天都在实验室里，从最开始面对设计题目满脸迷茫，到最后基本上完美实现所要求的功能与精度，这期间我们收获颇丰。当了解了课题设计要求后，小组每人都去搜集资料，最后都形成了自己的观点，接着我们将资料共享，一起分析可行的方案及可能存在的问题，因为意见存在分歧，我们决定用实验用实践去验证这不同方案的可行性，最后大致确定了两种方向即一种以硬件为主单片机等软件系统为铺，一种为以单片机为核心去焊接硬件