直流电子负载的设计制作DZ版

DC电子负载的设计与制造本设计采用51单片机编程控制并输出数字信号，通过数模转换器转换成模拟信号作为场效应管电源电路的输入信号。场效应管电源电路由比较器控制导通NMOS晶体管，形成正反馈模型，实现恒压、恒流和恒阻三种模式的切换和设置调整。模数转换器实时采集输出的恒定信号，并传输给单片机，实现数字显示和自动过载保护功能，满足了问题的要求。三种模式均为手动切换，循环伏安范围扩展至0-30V左右，循环伏安范围扩展至0-3A左右，循环伏安范围为1-99欧姆，测量精度小于5%，系统电路简单，调节快速，具有过载保护提示、键盘输入设置、液晶实时显示等功能。关键词：电子负载、单片机、恒流、恒压、恒阻在本设计中，51单片机输出数字信号，数模转换器将模拟信号转换为场效应管电源电路的输入信号。MOSFET功率电路由比较器控制，NMOS晶体管导通，形成正反馈模型，实现恒压、恒流和恒阻三种模式的切换和设定调整。模数转换器采集恒定的输出信号，然后传输到微控制器、数字显示器和自动过载保护，完成课题的要求。三种模式设计为手动切换，CV扩展约0-30V，CC扩展约0-3A，Cr范围1-99欧姆，测量精度小于5%，系统电路简单快速调整，并具有过载保护提示、键盘输入设置、液晶实时显示功能。关键词：电子负载，微控制器，恒流，恒压，恒阻内容一、方案论证和设计.11.1总体规划分析和设计.11.2模块方案的比较.11.2.1场效应晶体管功率(恒流、恒压、恒阻)电路方案选择.11.2.2主控模块方案选择.21.2.3.2被选为显示模块方案二、电路设计.22.1模拟电路的分析与设计(各模块的仿真图见附录).22.1.1恒流电路模块.22.1.2恒压电路模块.32.1.3恒定电阻电路模式.32.1.4自动过载保护模块.42.2数字电路的分析与设计(数字电路原理图见附录).42.2.1数据采集/分析模块.42.2.2负载参数的可调和数字显示方法.4三、软件设计.4四.测试计划和测试结果.44.1测试仪器.44.2测试方法.44.3测试数据.54.3.1恒流模式测试.54.3.2恒压模式测试.54.3.3恒定电阻模式测试.54.3.4过载保护报警测试.64.4测试结果分析.6V.摘要信息.66.参考.6一、方案论证和设计1.1总体规划分析和设计该系统包括六个部分：主控制器、键盘、显示电路、场效应管电源电路和模数转换处理电路。场效应管电源电路包括恒流、恒压和恒阻电路，分别控制恒流、恒压和恒阻三种模式。在设计中，模式切换部分采用机械开关和数字开关对环路进行选通，而三种模式均采用运算放大器结合以场效应管为核心的反馈网络来实现。控制部分由单片机完成，显示部分由液晶模块实现。恒压模式、恒阻模式和恒流模式的硬件实现方法基本相同，软件实现方法相似。实现框图如下图1-1所示。待测试的电源场效应晶体管电力网显示电路模拟电路数字模拟电路主控制器键盘电路防止过载图1-1 DC电子负载系统实施框图1.2模块方案的比较1.2.1场效应晶体管功率(恒流、恒压、恒阻)电路方案选择根据控制功率管传导信号的不同，有两种方案。三种模式的硬件实现方法基本相同。以下是恒流电路的一个例子。方案一：脉宽调制波用于控制NMOS晶体管的导通。脉宽调制产生所需的电压值，不同占空比的脉宽调制波对应一个DC电压，单片机将采集的电压与设定的电压值进行比较，形成闭环控制，形成恒流电源。该方案的优点是电路简单，但需要通过编程和调试来控制脉宽调制波的占空比。响应速度相对较慢，系统调试复杂，精度不高。然而，这个主题要求非常高的精确度。因此，本系统不采用该方案。详细示意图如图1-2所示。图1-2示意图方案二：通过数模转换产生的电压模拟信号控制金属氧化物半导体晶体管导通，单片机读出按键的数字量，然后通过数模转换芯片将数字量转换成模拟量，并将模拟量发送给电压跟随器，使金属氧化物半导体上有恒定的电流。该方案通过模拟电路形成负反馈，其反应速度远远高于单片机构成的闭环控制，电路简单，控制方便。因此，本系统采用该方案。1.2.2主模块方案选择采用目前常用的方案1: 51系列单片机。通过软件编程，可以实现电压、电流、电阻预置、模数采样比较、数模输出、液晶显示、过压控制、过流控制和过功率控制等多种功能，外围电路简单，控制效果好。方案二：设计电路由纯硬件控制。通过调节电位器实现电压和电流的预置，电流和电压的采样反馈值送至比较电路，实现恒压、恒流和恒阻功能。该电路相对复杂，可实现的功能有限。在短时间内，制造将是粗糙的，工作量将是巨大的。通过比较，采用方案1可以很好地完成基本设计任务，同时实现多种扩展功能，因此我们选择方案1。第二，电路设计2.1模拟电路的分析和设计2.1.1恒流电路模块图1-3恒流电路模块该图是最常用的恒流电路。这样的电路更容易获得稳定准确的电流值。R3是采样电阻，VREF是给定信号。该电路的工作原理是：当给定信号VREF时，如果R3上的电压小于VREF，即OP07的-IN小于IN，OP07增加输出，使金属氧化物半导体导通，增加R3的电流。如果R3上的电压大于VREF，并且-IN大于IN，OP07降低输出，从而降低R3上的电流。因此，电路最终保持在恒定的给定值，从而实现恒流操作。I0=VREF/R3如果给定的VREF为200毫伏，R3被选为1欧姆/5瓦电阻，并且电路恒定电流为200毫安，改变VREF可以改变恒定电流值。即：I0=VREFVREF可以输入51单片机的输入端电压不得超过5V，问题要求最高20V的CV。因此，采用电阻分压采样法。图中，金属氧化物半导体管上的电压除以R3和R2，然后送至运算放大器，R2=9K，R3=1K，输入/输出端口的电压为负载电压的1/10 R2 * R3/(R2 R3)。还认为当负载电压很小时，如小于5V，分压后的电压为几百毫伏。这样的电平被送到单片机的模数转换器，转换值很可能产生很大的误差。因此，当电压低于4V时，关闭开关直接采样，当电压高于4V时，分压采样。2.1.3恒定电阻电路模式图1-5恒定电阻电路模式假设要稳定的电阻为r，r/R1=n，用于关断具有较低Vtest的MOS晶体管Q2中的AD的采样电压为Vtest，我们将DA的电压设置为Vtest/n，因此R1两端的电压也为Vtest/n，因此：R=VtestI=Vtest(Vtest/nR1)=nR1 .由于我们不断地对电压进行采样，数据采集也随着电压测试而变化。在这种情况下，Vtest不会出现在表达式中，即电路的等效电阻是恒定的，从而实现了恒阻模式。2.1.4自动过载保护模块负载两端连接两个电阻，分压后连接到同相比较器的正端。AD从正极端子收集电压信号。当检测到负载电压超过预设过载值时，单片机控制指示灯点亮，蜂鸣器报警，液晶显示报警提示。同时，单片机降低输出电压数字信号来关闭功率管，从而降低负载两端的电压。三种模式的保护电路通过检测正端的输出电压，在单片机中进行相应的数据转换，实现过压和过流保护。2.2数字电路的分析与设计(数字电路原理图见附录)2.2.1数据采集/分析模块由于当前设置分辨率为1mA/2000毫安=1/2000，模数转换器和数模转换器的分辨率必须1/2000，即数模转换器和模数转换器的位数必须大于11位。在本设计中，需要采集输出反馈电流和电压，采用了钛酸锂。它是一款12位串行输入、多通道采集模数转换器，采用5v电源供电。数据=(由data:转换的12位数据V:输入电压)DA选择了德州仪器公司的TLV5618。该芯片有两个输出。选择两种模式：快速模式和低速模式。使用低速模式可以将功耗降低5mw。基准电压源使用2.048V的内部基准电压源。V=(给定数据输出电压值)2.2.2负载参数的可调和数字显示方法该系统以STC89C52单片机为核心，采用9个独立按键作为输入设备进行模式选择和负载参数设置。显示器采用12864液晶，满足了本次设计对丰富显示内容的要求。三、软件设计(程序流程图见附件)软件调试在Keil uVision3下进行，采用模块化编程方法。液晶显示子程序：显示电流模式(恒定电压或恒定电流和恒定电阻)，设置输出值和实际端电压电流。键盘处理子程序：模式切换、输出值设置和步进。数据处理子程序：根据设定值转换调整值，写入数模值，根据模数采样数据转换实际端电压电流值。将调整值发送至d/a。执行模数采样。四.测试计划和测试结果4.1测试仪器 DC稳压电源12V电池数字示波器TDS1002 4位半数字万用表VC9807A 滑动变阻器4.2