1、直流电子负载同名14015电子技术课程设计直流电子负载综合课程设计29徐腾电子信息工程物理与电子科学学院20141. 5电工电子中心2009年5月绘制简易直流电子负载的设计摘 要：电子负载是利用电子元件(电阻、电容、电感)吸收电能并将其消耗的一种模拟真实负载，主要进行电源设备的性能实验。本系统以恒流（CC）工作模式，采用导通电阻极小的场效应管IRF530N作为功率器件。以STC12C5A60S2单片机为控制器，来实现恒流电流设定，电压电流测量，LCD显示等模块，实现并制作了简易直流电子负载。该负载能在100mA1000mA以20mA的电流步进值实现很好的恒流效果，精度达到1%。该负载还能测量直
2、流稳压电源的电压调整率，并且具有过压保护功能,这是普通电阻负载所无法实现的。关键词：恒流源（CC）；IRF530N ；负载调整率;过压保护一任务解析该系统制作一台恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载，即不论输入电压如何变化（在一定范围内），流过该电子负载的电流恒定，且电流值可在100mA1000mA可设定。该系统主要分为恒流模块、MCU控制模块、电压电流检测模块、显示模块、过压保护模块。系统原理框图如图1所示：STC12C单片机按键恒流模块被测电源设备电压电流检测LCD显示电压电流功率器件取样电阻 图1 系统原理框图 1.1 控制器的方案论证与选择方案一：采用89C52单片机方案二：采用12
3、C5A单片机STC12C5A系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机。是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S)，针对电机控制，强干扰场合。综合考虑 ，STC12C5A单片机具有如此多的优秀的特点，且满足题目所需，因此我采用方案二 。1.2 恒流方案论证与选择方案一：纯软件编写来实现恒流控制，但是要用到PID算法，而且需要调整三个参数，算法比较复杂。方案二：通过单片机控制DA输出可调的稳定电压，经过LM324运放和MOSFET组成电压
4、跟随器，使得取样电阻两端的电压恒定，从而实现恒流。方案二的软件算法和硬件电路都比较简单。因此我采用方案二。1.3 采样电阻的方案论证与选择题目要求恒流工作模式的最大电流为1A。 方案一：用10个10/1/8W的电阻并联，则流过每个电阻的电流为0.1A,每个电阻的功率就是0.1W，接近1/8W的极限，很容易烧坏电阻，而且当电阻发热之后，阻值会随着温度的升高而增大。方案二：采用10个10/1W的功率电阻并联，则流过每个功率电阻的电流为0.1A,每个 电阻的功率就是0.1W，为功率电阻额定功率的1/10，因此可降低电阻的温升，但实际测试中还是有很大的温漂。方案三：采用0.3金属膜大功率电阻，功率最大
5、可达到3W，而且在实际运用当中温漂比较小。综合各方面的因素考虑，我采用方案三。1.4 过压保护电路基准电压的选取方案一：用单片机监测被测电源的电压，如果检测到被测电源电压超过16V，用软件实现场效应管得关断，实现过压保护。方案二：采用回差比较器来实现，如果被测电源的电压超过16V,回差比较器输出控制场效应管关断，实现过压保护。由于硬件电路比较可靠，可防止单片机死机之后无法实现过压保护。因此，我采用方案二。1.5 DA的选择方案一：采用DAC0832方案二：采用DAC7612DAC7612是一款双通道，12位数字 - 模拟转换器（DAC），保证12位单调性在整个工业温度范围内的性能。它需要一个+
6、5 V电源，并包含一个输入移位寄存器，锁存，2.435V参考，双通道DAC，和高速轨到轨输出放大器。对于满刻度步骤，每个输出7ms内稳定到1LSB而只有消费3.7MW。同步串行接口是兼容各种各样的DSP和微控制器。时钟（CLK），串行数据输入（SDI），片选（CS）和负载的数模转换器（LOADDACS）包括串行接口。鉴于以上优点，我选择了DAC7612。1.6基准模块采用TL431设计标准2.5V的基准电压供给过压保护的门槛电压。如图2所示图2 图31.7 恒流电路分析 如图3所示当运放的同相输入端给一固定电压UREF，根据运放虚短的特性可知反相输入端电压也为UREF，那么采样电阻上的也为UR
7、EF，流过采样电阻的电流为UREF/0.3。如果电流大于UREF/0.3，那么运放的反相输入端电压必然大于UREF，由于运放虚短特性，必然会调节输出电压，控制MOSFET的栅源电压来减小漏极电流，使漏极电压等于UREF，从而实现恒流特性。1.8 电压的测量及精度分析电压检测电路如下图4所示。电压检测使用的是STC公司12C5A单片机自带10位的高速AD， AD的参考电压定为5V，所以AD输入电压的范围为05V。故分压电路需使R8两端分得的电压为05V。可以假定当被测电源的电压为20V时，使R8两端分得的电压为5V。同时考虑到使支路电流约等于0.1mA的原则，所以R2+R8200K。故取R8=1
8、50K，R2=50K。图4 AD电压检测1.9电流的测量及精度分析电流检测电路如下图5所示。由于采样电阻取值为0.3，流过采样电阻的电流最大为1A，所以它两端最大的压降为是0.3V。由于AD输入电压的范围为05V，所以可以把采样电阻两端的电压通过同相比例放大电路放大16倍后再进行AD检测。因此取R13=6K，R12=100K。图5 AD电流检测二方案实施2.1 恒流模块电路设计恒流源电路如下图6所示。由于DA输出电压为05V，要使运放同相端的电压为00.3V，则R5：R7约为100：6，取R5=100K，R7=6K。DA输出一固定电压，通过R5，R7分压后送到运放的同相输入端，由运放的虚短的概
9、念可知，运放反相输入端电压等于同相输入端电压。运放的反相输入端又接在0.3取样电阻上，因此取样电阻上的电压就等于运放同相输入端电压。运放的输出端来控制MOS管的栅源电压，从而控制MOS管的导通程度。那么流过取样电阻的电流就可以通过设置DA的输出电压来设定，从而实现恒流特性。电路如图7所示。图中R6，C3，C1是为了防止MOS管的自激，尽量减小噪声的干扰。图6 恒流模块电路图2.2 电压检测电路的设计题目要求“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。”电压检测电路如图8所示。图7 电压检测电路图电压检测使用的是STC公司12C5A单
10、片机自带10位的高速AD， AD的参考电压定为5V，所以AD输入电压的范围为05V，故分压电路需使R8两端分得的电压为05V。考虑到留有一定的余量，可以假定当被测电源的电压为20V时，使R8两端分得的电压为5V。同时考虑到使支路电流约等于0.1mA，所以R8+R2200K。故取R2=150K，R8=50K。同时在R8两端并联一个电容C5，C5的时间常数。由得C=0.01uF。后面再用一个运放做跟随，再送给AD进行电压检测。2.3 电流检测电路的设计题目要求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，电路如下图9所示。图9电流检测电路图电流的
11、测量是通过测量电压来实现的。由于采样电阻取值为0.3，流过采样电阻的电流最大为1A，所以它两端最大的压降为是0.3V。由于AD输入电压的范围为05V，要使运放输出的电压落在AD输入电压范围内，所以把采样电阻两端的电压通过同相比例放大电路放大16倍后再进行AD检测。由R12/R13=16，因此可取R13=6K，R12=100K。从0.3的采样电阻上得到电压信号经过一个二阶阻容滤波网络后经过放大电路后送给AD进行检测。1A电流流过0.3的采样电阻，在采样电阻上的压降为0.3V，放大16倍后为4.8V，正好落在AD的检测范围内。同时在电阻R12上并联一个减速电容C8，防止运放自激。2.4 过压保护电
12、路的设计由于题目要求具有过压保护功能，过压阈值电压为18V0.2V。我们用回差比较器来实现，电路如下图10所示。当回差比较器的输出为+9V时，要使同相端的电压约为3V，可取R4=10K，R3=200K，则同相端的电压为为2.8V，反相端用一个100K的电位器来调节，当被测电源的电压为18V时，调节电位器使MOSFET截至，此时回差比较器的输出为-9V，指示的发光二极管亮，起到保护电路的作用。且此时同相端的电压被拉至2V，则被测电源的电压需降到12.8V以下，反相端的电压才会低于同相端的2V，输出才会为正，MOSFET才会导通。图10 过压保护电路图这里的回差比较器是在普通的回差比较器上加上了一
13、个2.5V的基准，2.5V的基准电压是通过TL431实现。当运放输出为高电平+9V时，运放同相输入端电压，当运放输出电压为低电平-9V时，运放同相输入端电压。通过调节滑动变阻器，使被测电源电压为16V时，运放反相输入端电压为2.7V。当被测电源电压超过16V时，运放反相输入端电压就会大于2.7V，运放的输出就会被拉到-9V，发光二极管和IN4148导通，MOS管的栅极就被拉到了负电压，MOS管就会截止，起到了保护作用。当被测电源电压小于12.7V时，运放的反相输入端电压就会小于2.34V，运放的输出就会翻转到+9V，发光二极管和IN4148截止，对MOS管的栅极没有任何影响。2.5程序流程图三
14、结果展示3.1实物照片 数电部分 模电部分 结果显示 用万用表测量的实际值从图中可看出当电流预设值为201mA时，AD采集电流也为201mA，用万用表测得的电路中实际值也为201mA；AD采集电压为6,06V，用万用表测得电路中的电源电压为6.08V。3.2误差测量从此表中可以看出电子负载，在满足精度的情况下，误差最大不超过3个mA.从表 中可以看出，电子负载端电压从018V变换，采集电压与实际电压变化率最大为0.05。从表中可以看出，电子负载端电压升至18V时，电路进行保护 ，此时输出电流为零。四经验总结通过本次直流电子负载的设计以及和实验室一些同学的交流和学习，让我收获匪浅。首先是模电部分，我们要对电路有一个整体的认识，然后分别分析每个模块的作用以及选择合适的器件，例如 运放，ADC和DAC，采样电阻阻值和材料，这样才能得到更好的精度。其次是数电部分，我们先写出一个大概的程序，因为电流 ，电压的非线性，所以我们要边看现象，边总结规律，然后调整程序。理论与实践是有差距的，焊接电路的时候总会出现各种问题，我学会了边焊接边测量参数的方法，以保证每一步的成功。有时候现象不对，需要反复的调节，此时我们要耐心的分析问题。此次实验，让我的电路分析能力有一定的提高，实验经验也得到不少，争取在剩余的大学时光多做几个。
