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25c1、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