简易直流电子负载设计.doc

简易直流电子负载设计报告摘要： 本文论述了简易直流电子负载的设计思路和过程。直流电子负载采用MSP430G2553单片机作为系统的控制芯片，可实现以下功能：在恒流（CC）模式下，不管电子负载两端电压是否变化，流过电子负载的电流为一个设定的恒定值。AD模块接收电路电压和电流模拟信号，转化为数字信号，经液晶模块12864同步显示电压和电流。系统包括控制电路(MCU)、驱动隔离电路(PWM波)、主电路、采样电路、显示电路、基准电路等；具有过压保护功能;能够检测被测电源的电流值、电压值；具有直流稳压电源负载调整率自动测量功能；各个参数都能直观的在液晶模块上显示。关键词：电子负载；单片机（MCU）；模数（A/D）.PWM波.一、引言电子负载用于测试直流稳压电源的调整率，电池放电特性等场合,是利用电子元件吸收电能并将其消耗的一种负载。电子元件一般为 功 率 场 效 应 管（Power MOS）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率半导体器件。由于采用了功率半导体器件替代电阻等作为电能消耗的载体，使得负载的调节和控制易于实现，能达到很高的调节精度和稳定性。同时通过灵活多样的调节和控制方法，不仅可以模拟实际的负载情况，还可以模拟一些特殊的负载波形曲线，测试电源设备的动态和瞬态特性。二，总体方案论证与设计 设计和制作一台电子负载，在恒流（CC）模式下，不管电子负载两端电压是否变化，流过电子负载的电流为一个设定的恒定值。要求：（1） 负载工作模式：恒流（CC)模式；（2） 电压设置范围：010V；（3） 电流设置范围：100mA1000mA ，设置分辨率为10mA，设置精度为1%；（4） 直流稳压电源负载调整率：测量范围为0.1%19.9%，测量精度为1%。（5） 显示分辨能力及误差：至少具有3位数，相对误差小于5%。 恒流模块和恒压模块共用一个基准电压12v，并且通过开关实现两种模式的转换，用A/D转换器把电路中的电压电流的模拟信号转换为数字信号，然后通过单片机来程控从而重置电压电流，用数码管液晶显示同时呈现即时电压电流。原理图如下所示。显 示按键输入单片机A/D转换PWM控制电流检测电压检测功率控制2.1电压电流参数测量设计方案方案一：通过手动调节滑动变阻器来调节恒流源的电压，其缺点是调节耗时费力，准确度不高。但操作简单易懂。方案二：通过电压分压器调节电压，采用AD转换电路通过电子计数器在数码管上显示。其缺点是精度低，电路功耗能较大，不适合于高精度测量。方案三：利用ADS8319检测并将被测电压从模拟信号转换为数字信号，再利用单片机程序来修改电压电流参数，此方案精确度高，操作技术要求很高，节省时间。2.2恒流模式（CC mode）设计方案方案一：最常用的简易恒流源如下图所示，用两只同型三极管，利用三极管相对稳定的基极发射极电压作为基准，电流数值为：I = Vbe/R1。这种恒流电路优点是简单易行，而且电流的数值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子，其电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。同时不同的工作电流下，这个电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流需求。方案二：在恒流工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的电流值而保持恒定，与输入电压大小无关，即负载电流保持恒定值不变。此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 是输入信号，电路工作原理是：当给定一个信号VREF时，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 R3 的电流；如果 R3 上的电压大于 VREF 时，即就是 -IN 大于+IN，OP07 减小输出，也就降了 R3 上的电流，如此往复电路最终维持在恒定的值上，也就实现了恒流工作模式。如输入VREF 为 10mV，R3 为 0.01 欧时电路恒流为 1A，改变 VREF 可改变恒流值，VREF 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。方案二：基本电路为除虚线框 和两个万用表以外的部分，由恒压电路、恒流电路、过压（流）保护电路、驱动电路组成。U =12V输入电压，经过限流电阻R1到三端可调分流基准源U1(TL431)的阴极K后，由参考端R得到输出基准电压VR为2.5V，经电阻R1到调整滑动变阻器R6，一路经电阻R2为U3A提供电压，另一路经电阻R7为U3C提供电压。与方案一的区别是用开关可以切换恒流源和恒压源，并且两种模式共用一个场效应管，方案二还多了一个过流保护模块，故我们选择方案二进行设计。2.4显示方案选择：方案一：电压和电流的显示可以用数码管，但数码管的只能显示简单的数字，其电路复杂，占用资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。 方案二：使用功能更好的液晶显示，增加显示信息的可读性，看起来更方便。而TH12864字符点阵液晶模块 有明显的优点：微功耗，尺寸小，超薄轻巧，显示信息量大，字迹美观，视觉舒适，而且容易控制。经比较，故选用方案二进行设计。三、芯片介绍3.1 LP2950低压差调节器特性 图 3-2 电源原理图3.2A/D转换器性能特点封装及管脚功能介绍图3-3 ADC0809引脚图3.3、总体电路介绍直流电子负载的最基本工作方式是定电流模式和定电压模式3.4典型器件介绍3.41 MOS 型场效应管的输出特性曲线3.42 MOS 型场效应管的选型3.42 集成运放4.系统调试主控芯片 ，晶振 ，由于处理器速度满足全部功能的实现，故用通俗明了的C语言编写源程序。系统的软硬件安装、设计完成后，逐一调试，改变检测端的电压电流值，达到主控芯片与ADC芯片的最佳配合；然后调试单片机监测的各个功能：AD转换、液晶显示、转换精度等。本设计的重点在硬件的设计与调试。4.1 软件系统调试软件调试是在IAR下进行，源程序编译及仿真调试采用分段或椅子程序为单位逐个进行，最后结合硬件实时调试，具体程序如下：主程序; 液晶子程序：AD采集与转换子程序：4.2 硬件系统测试硬件调试时，可先检查万用表及焊接的质量是否符合要求，有无虚焊点及线路间有无短路、断路，再用万用表检测，检查无误后，可通电检查LCD 液晶显示亮度情况，一般情况下取电压为33.5V及一定的限流即可得到满意效果。模拟电路模块的调试（主要考虑功率问题）：模拟电路模块的调试是硬件系统调试的重点，关键在于确定合适的元件，是电路各个部分正常工作，且在整体工作时不会出现各级电路间的干扰。直流电子负载电路元件的确定上，首先需要考虑电路的功率问题。因为电子负载测量的是电源，如果负载电路中功率过大（主要是电流过大引起），不仅会烧掉电路中 的电阻和场效应管，而且也会超出被测电源的额定功率，使被测电源的输出值不稳定，甚至跳零。因此在元件的选择上，应该选择不宜烧掉的功率元件，然后再调节负载端的电阻值，使整个电路电流处于一个合适的范围。系统设计需要考虑下列几点：1、 系统的扩充与外围装置，应充分满足应用系统的要求，并留一些扩充槽，以便进行二次开发。2、 硬件结构应结合应用软件一并考虑。软件有执行的功能尽可能由软件来执行，以简化硬件结构。但是必须注意，由软件执行硬件的功能，其响应时间比直接用硬件要长，且占用CPU时间。3、 可靠性及抗干扰设计及其重要的部分，包括器件选择、电路板布线、通道隔离等。4、 单片机微处理器外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，驱动能力不足时系统工作不可靠。解决办法是增加驱动能力，或减少IC功耗。5、 没有使用到的端口引脚（尤其是P0口）应接到一个固定逻辑电位上（0或1），以免受到外界静电干扰，导致CPU运行市场而产生“死机”。6、 IC的VCC与GND之间一般接0.01uF0.1uF的积层电容，以使电源电压的波纹及杂散信号有所旁路，不致影响该IC的正常运行。同时也可以抵消电路的电感性，使整个电路具有更加的稳定性。5 系统功能5.1 系统能实现的功能基本要求（1） 恒流（CC）工作模式的电流设置范围为100mA1000mA ，设置分辨率为10mA，设置精度为1%。还要求CC工作模式具有开路设置，相当于设置的电流值为零。（2） 在恒流（CC）工作模式下，当电子负载两端电压变化10V时，要求输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的1。（3） 具有过压保护功能，过压阈值电压为18V0.2V。发挥部分（1）能实时测量并数字显示电子负载两端的电压，电压测量精度为（0.02%+0.02%FS ），分辨力为1mV。（2）能实时测量并数字显示流过电子负载的电流，电流测量精度为（0.1%+0.1%FS），分辨力为1mA。（3）具有直流稳压电源负载调整率自动测量功能，测量范围为0.1%19.9%，测量精度为1%。为方便，本题要求被测直流稳压电源的输出电压在10V以内。（4）其他。三、说明：在恒流（CC）模式下，不管电子负载两端电压是否变化，流过电子负载的电流为一个设定的恒定值，该模式适合用于测试直流稳压电源的调整率，电池放电特性等场合。直流稳压电源负载调整率是指电源输出电流从零至额定值变化时引起的输出电压变化率。为方便，本题额定输出电流值设定为1A。负载调整率的测量过程要求自动完成，即在输入有关参数后，能直接给出电源的负载调整率。为了方便负载调整率的测量，可以在被测直流稳压电源的输出端串接一个电阻RW，更换不同阻值的RW，可以改变被测电源的负载调整率。5.2 系统指标参数测试通过外接可调电源分别调节恒流源并观察液晶显示的电压电流情况。并对现实的电压电流进行比较。由上表可以看出：只要在设定端给定了一个稳压值，无论输入电压如何变化，负载端电压总是恒等于给定的稳压值，流入电子负载的电流随被测直流电源的电压（输入电压）变化而变化。由上表可以看出：只要在设定端给定了一个横流值，流入电子负载的电压随被测直流电源的电压（输入电压）变化而变化。5.3 系统功能及指标参数分析由以上两个参数表可得：恒流模式下系统只能满足0.1A0.5A的恒流范围，恒流范围不够大的原因是流过场效应管的电流需要控制在一定范围，否则会因电流过大而烧毁场效应管，解决方法是选择功率更大的绝缘场型栅型晶体管（IGBT）代替场效应管，可惜由于市面上很难买到IGBT且由于时间仓促，本设计选择采用场效应管。四总体电路介绍： 直流电子负载的工作模式直流电子负载最基本的工作模式是定电流模式和定电阻模式。4.1硬件电路实现（1）.恒流电路 如图4-1虚线框所示。当负载电流增大时，R19、R22、R25、R28上的电压增大。即R18、R21、R24、R27上的取样电压增大，也即是U3C反相输入端电压增大，当U3C反相输入端电压大于同相输入端电压时，U3C输出低电平，场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极G电压VG减小，Q1、Q2、Q3、Q4的内阻RDS增大，负载电流减小，从而达到恒流的目的。（2）.过流保护电路如图4-1虚线框 所示。当负载电流增大时，R19、R22、R25、R28上的电压增大，即R18、R21、R24、R27上的取样电压增大，U3B反相输入端电压增大，但电流继续增大。当反相端电压大于所设定过流保护电流的基准电压(同相端输入电压)时，U3B输出低电平，场效应管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极G电压VG减小，Q1、Q2、Q3、Q4的内阻RDS增大，负载电流减小，从而起到过流保护作用。4.2软件程序设计系统软件采用美国Microchip公司的HI-TECHPIC C语言编程,人机界面友好,操作简单.程序软件采用模块化结构,分别由主控程序、显示程序、数据采集程序、缺相检测程序、电流电压检测程序及中断服务程序等程序模块组成,下载到单片机中的执行文件长度4 KB用单片机程控恒流源和恒压源两种模式下的电压、电流。并通过液晶显示出来。五电流采样 (如图所示)电流采样中，借助采样电阻首先将电流信号转换为电压信号，装换为电压信号后，再用HCPL788J隔离，它是带短路和过载检测功能的隔离运放芯片，电流过载后能在5us从内部向单片机发送中断信号，及时保护MOSFET。其输入范围为：-250mv250mv；对应输出为022；电子负载电流输入范围是100mA3A；选用0.1采样电阻。六，测试方案与测试结果通过外接可调电源分别调节恒流源和恒压源两种模式，并观察两种模式下数码管显示的电压电流情况。并对显示的电压电流进行比较。 模式 液晶显示电压 液晶显示电流 恒流6.1 硬件调试 1） 硬件调试时，可先检查印制板及焊接的质量是否符合要求，有无虚焊点及线路间有无短路、断路。然后用万用表检测，检查无误后，可通电检查 LCD 液晶显示器亮度情况，一般情况下取电压为 35.5V 及一定的限流即可得到满意的效果。 七，结论小结 设计的基于AT89C51单片机控制的电子负载，能够直接检测被测电源的电流值、电压值，以及在不同大小的负载下电源的输出功率值。通过单片机程控使各个参数都能直观的在数码管上显示。此电子负载能很好的替代传统的测试方法中一般采用的电阻、滑线变阻器、电阻箱等，更简单、更快捷、更可靠地对电源、变压器、蓄电池等电子设备进行输出特性的测试。但是，本设计还存在着很多不足，比如是功率消耗型器件，希望能在以后能改善这方面的缺陷。此次设计的电子负载，从最开始的资料搜集，到电路的设计；从最开始的元件选型，到电路板的焊接，再到现在的实物的整体调试每一步都印证着自己在完成电子设计任务上一个又一个的成功与失败，迷惑与奋发！遗憾时间的仓促，以及自身能力所限，此次设计存在很多有待改进的方方面面，更存在很多的错漏和失误的地方。还请各位学术上的前辈多多包涵见谅。6.2 设计收获体会此侧设计的电子负载，从最开始的资源搜集，掉电路的设计；从最开始的元件选型，到顶鲁板的焊接，再到现实的事物的软硬件调试每一步都充满了未知与挑战，在一步步完成设计的过程中，不仅使自己的知识结构得以综合，而且培养了创新与严谨的科学精神。 在完成作品的过程中，也由于经验不足犯下了许多错误，比如:软件设计时程序没有正确的备份，以至于交作品前重新下载修改过的程序后LED 屏不显示，找最后一侧备份的程序时却没有找到。后来只能按原始程序重新编写，定是备份程