簡易直流電子負載設(shè)計

1、簡易直流電子負載設(shè)計報告摘要： 本文論述了簡易直流電子負載的設(shè)計思路和過程。直流電子負載采用MSP430G2553單片機作為系統(tǒng)的控制芯片，可實現(xiàn)以下功能：在恒流（CC）模式下，不管電子負載兩端電壓是否變化，流過電子負載的電流為一個設(shè)定的恒定值。AD模塊接收電路電壓和電流模擬信號，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)液晶模塊12864同步顯示電壓和電流。系統(tǒng)包括控制電路(MCU)、驅(qū)動隔離電路(PWM波)、主電路、采樣電路、顯示電路、基準電路等；具有過壓保護功能;能夠檢測被測電源的電流值、電壓值；具有直流穩(wěn)壓電源負載調(diào)整率自動測量功能；各個參數(shù)都能直觀的在液晶模塊上顯示。關(guān)鍵詞：電子負載；單片機（MCU）；模數(shù)

2、（A/D）.PWM波.一、引言電子負載用于測試直流穩(wěn)壓電源的調(diào)整率，電池放電特性等場合,是利用電子元件吸收電能并將其消耗的一種負載。電子元件一般為 功 率 場 效 應(yīng) 管（Power MOS）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等功率半導體器件。由于采用了功率半導體器件替代電阻等作為電能消耗的載體，使得負載的調(diào)節(jié)和控制易于實現(xiàn)，能達到很高的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性。同時通過靈活多樣的調(diào)節(jié)和控制方法，不僅可以模擬實際的負載情況，還可以模擬一些特殊的負載波形曲線，測試電源設(shè)備的動態(tài)和瞬態(tài)特性。二，總體方案論證與設(shè)計 設(shè)計和制作一臺電子負載，在恒流（CC）模式下，不管電子負載兩端電壓是否變化，流過電子負載的電流

3、為一個設(shè)定的恒定值。要求：（1） 負載工作模式：恒流（CC)模式；（2） 電壓設(shè)置范圍：010V；（3） 電流設(shè)置范圍：100mA1000mA ，設(shè)置分辨率為10mA，設(shè)置精度為±1%；（4） 直流穩(wěn)壓電源負載調(diào)整率：測量范圍為0.1%19.9%，測量精度為±1%。（5） 顯示分辨能力及誤差：至少具有3位數(shù)，相對誤差小于5%。 恒流模塊和恒壓模塊共用一個基準電壓12v，并且通過開關(guān)實現(xiàn)兩種模式的轉(zhuǎn)換，用A/D轉(zhuǎn)換器把電路中的電壓電流的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過單片機來程控從而重置電壓電流，用數(shù)碼管液晶顯示同時呈現(xiàn)即時電壓電流。原理圖如下所示。顯 示按鍵輸入單片機A/D

4、轉(zhuǎn)換PWM控制電流檢測電壓檢測功率控制2.1電壓電流參數(shù)測量設(shè)計方案方案一：通過手動調(diào)節(jié)滑動變阻器來調(diào)節(jié)恒流源的電壓，其缺點是調(diào)節(jié)耗時費力，準確度不高。但操作簡單易懂。方案二：通過電壓分壓器調(diào)節(jié)電壓，采用AD轉(zhuǎn)換電路通過電子計數(shù)器在數(shù)碼管上顯示。其缺點是精度低，電路功耗能較大，不適合于高精度測量。方案三：利用ADS8319檢測并將被測電壓從模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再利用單片機程序來修改電壓電流參數(shù)，此方案精確度高，操作技術(shù)要求很高，節(jié)省時間。2.2恒流模式（CC mode）設(shè)計方案方案一：最常用的簡易恒流源如下圖所示，用兩只同型三極管，利用三極管相對穩(wěn)定的基極發(fā)射極電壓作為基準，電流數(shù)值為：I

5、 = Vbe/R1。這種恒流電路優(yōu)點是簡單易行，而且電流的數(shù)值可以自由控制，也沒有使用特殊的元件，有利于降低產(chǎn)品的成本。缺點是不同型號的管子，其電壓不是一個固定值，即使是相同型號，也有一定的個體差異。同時不同的工作電流下，這個電壓也會有一定的波動。因此不適合精密的恒流需求。方案二：在恒流工作模式時，電子負載所流入的負載電流依據(jù)所設(shè)定的電流值而保持恒定，與輸入電壓大小無關(guān)，即負載電流保持恒定值不變。此圖是一個最常用的恒流電路，這樣的電路更容易獲得穩(wěn)定及精確的電流值，R3 為取樣電阻,VREF 是輸入信號，電路工作原理是：當給定一個信號VREF時，如果 R3 上的電壓小于 VREF，也就是OP07

6、 的 -IN小于 +IN，OP07 加大輸出，使 MOS 加大導通 R3 的電流；如果 R3 上的電壓大于 VREF 時，即就是 -IN 大于+IN，OP07 減小輸出，也就降了 R3 上的電流，如此往復電路最終維持在恒定的值上，也就實現(xiàn)了恒流工作模式。如輸入VREF 為 10mV，R3 為 0.01 歐時電路恒流為 1A，改變 VREF 可改變恒流值，VREF 可用電位調(diào)節(jié)輸入或用 DAC芯片由 MCU 控制輸入，采用電位器可手動調(diào)節(jié)輸出電流。如采用 DAC 輸入可實現(xiàn)數(shù)控恒流電子負載。方案二：基本電路為除虛線框 和兩個萬用表以外的部分，由恒壓電路、恒流電路、過壓（流）保護電路、驅(qū)動電路組成

7、。U =12V輸入電壓，經(jīng)過限流電阻R1到三端可調(diào)分流基準源U1(TL431)的陰極K后，由參考端R得到輸出基準電壓VR為2.5V，經(jīng)電阻R1到調(diào)整滑動變阻器R6，一路經(jīng)電阻R2為U3A提供電壓，另一路經(jīng)電阻R7為U3C提供電壓。與方案一的區(qū)別是用開關(guān)可以切換恒流源和恒壓源，并且兩種模式共用一個場效應(yīng)管，方案二還多了一個過流保護模塊，故我們選擇方案二進行設(shè)計。2.4顯示方案選擇：方案一：電壓和電流的顯示可以用數(shù)碼管，但數(shù)碼管的只能顯示簡單的數(shù)字，其電路復雜，占用資源較多，顯示信息少，不宜顯示大量信息。 方案二：使用功能更好的液晶顯示，增加顯示信息的可讀性，看起來更方便。而TH12864字符點陣

8、液晶模塊 有明顯的優(yōu)點：微功耗，尺寸小，超薄輕巧，顯示信息量大，字跡美觀，視覺舒適，而且容易控制。經(jīng)比較，故選用方案二進行設(shè)計。三、芯片介紹3.1 LP2950低壓差調(diào)節(jié)器特性 圖 3-2 電源原理圖3.2A/D轉(zhuǎn)換器性能特點封裝及管腳功能介紹圖3-3 ADC0809引腳圖3.3、總體電路介紹直流電子負載的最基本工作方式是定電流模式和定電壓模式3.4典型器件介紹3.41 MOS 型場效應(yīng)管的輸出特性曲線3.42 MOS 型場效應(yīng)管的選型3.42 集成運放4.系統(tǒng)調(diào)試主控芯片 ，晶振 ，由于處理器速度滿足全部功能的實現(xiàn)，故用通俗明了的C語言編寫源程序。系統(tǒng)的軟硬件安裝、設(shè)計完成后，逐一調(diào)試，改變

9、檢測端的電壓電流值，達到主控芯片與ADC芯片的最佳配合；然后調(diào)試單片機監(jiān)測的各個功能：AD轉(zhuǎn)換、液晶顯示、轉(zhuǎn)換精度等。本設(shè)計的重點在硬件的設(shè)計與調(diào)試。4.1 軟件系統(tǒng)調(diào)試軟件調(diào)試是在IAR下進行，源程序編譯及仿真調(diào)試采用分段或椅子程序為單位逐個進行，最后結(jié)合硬件實時調(diào)試，具體程序如下：主程序; 液晶子程序：AD采集與轉(zhuǎn)換子程序：4.2 硬件系統(tǒng)測試硬件調(diào)試時，可先檢查萬用表及焊接的質(zhì)量是否符合要求，有無虛焊點及線路間有無短路、斷路，再用萬用表檢測，檢查無誤后，可通電檢查LCD 液晶顯示亮度情況，一般情況下取電壓為33.5V及一定的限流即可得到滿意效果。模擬電路模塊的調(diào)試（主要考慮功率問題）：模

10、擬電路模塊的調(diào)試是硬件系統(tǒng)調(diào)試的重點，關(guān)鍵在于確定合適的元件，是電路各個部分正常工作，且在整體工作時不會出現(xiàn)各級電路間的干擾。直流電子負載電路元件的確定上，首先需要考慮電路的功率問題。因為電子負載測量的是電源，如果負載電路中功率過大（主要是電流過大引起），不僅會燒掉電路中 的電阻和場效應(yīng)管，而且也會超出被測電源的額定功率，使被測電源的輸出值不穩(wěn)定，甚至跳零。因此在元件的選擇上，應(yīng)該選擇不宜燒掉的功率元件，然后再調(diào)節(jié)負載端的電阻值，使整個電路電流處于一個合適的范圍。系統(tǒng)設(shè)計需要考慮下列幾點：1、 系統(tǒng)的擴充與外圍裝置，應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求，并留一些擴充槽，以便進行二次開發(fā)。2、 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)

11、合應(yīng)用軟件一并考慮。軟件有執(zhí)行的功能盡可能由軟件來執(zhí)行，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但是必須注意，由軟件執(zhí)行硬件的功能，其響應(yīng)時間比直接用硬件要長，且占用CPU時間。3、 可靠性及抗干擾設(shè)計及其重要的部分，包括器件選擇、電路板布線、通道隔離等。4、 單片機微處理器外接電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力，驅(qū)動能力不足時系統(tǒng)工作不可靠。解決辦法是增加驅(qū)動能力，或減少IC功耗。5、 沒有使用到的端口引腳（尤其是P0口）應(yīng)接到一個固定邏輯電位上（0或1），以免受到外界靜電干擾，導致CPU運行市場而產(chǎn)生“死機”。6、 IC的VCC與GND之間一般接0.01uF0.1uF的積層電容，以使電源電壓的波紋及雜散信號有所旁路，

12、不致影響該IC的正常運行。同時也可以抵消電路的電感性，使整個電路具有更加的穩(wěn)定性。5 系統(tǒng)功能5.1 系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能基本要求（1） 恒流（CC）工作模式的電流設(shè)置范圍為100mA1000mA ，設(shè)置分辨率為10mA，設(shè)置精度為±1%。還要求CC工作模式具有開路設(shè)置，相當于設(shè)置的電流值為零。（2） 在恒流（CC）工作模式下，當電子負載兩端電壓變化10V時，要求輸出電流變化的絕對值小于變化前電流值的1。（3） 具有過壓保護功能，過壓閾值電壓為18V±0.2V。發(fā)揮部分（1）能實時測量并數(shù)字顯示電子負載兩端的電壓，電壓測量精度為±（0.02%+0.02%FS ），分辨

13、力為1mV。（2）能實時測量并數(shù)字顯示流過電子負載的電流，電流測量精度為±（0.1%+0.1%FS），分辨力為1mA。（3）具有直流穩(wěn)壓電源負載調(diào)整率自動測量功能，測量范圍為0.1%19.9%，測量精度為±1%。為方便，本題要求被測直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓在10V以內(nèi)。（4）其他。三、說明：在恒流（CC）模式下，不管電子負載兩端電壓是否變化，流過電子負載的電流為一個設(shè)定的恒定值，該模式適合用于測試直流穩(wěn)壓電源的調(diào)整率，電池放電特性等場合。直流穩(wěn)壓電源負載調(diào)整率是指電源輸出電流從零至額定值變化時引起的輸出電壓變化率。為方便，本題額定輸出電流值設(shè)定為1A。負載調(diào)整率的測量過程要求

14、自動完成，即在輸入有關(guān)參數(shù)后，能直接給出電源的負載調(diào)整率。為了方便負載調(diào)整率的測量，可以在被測直流穩(wěn)壓電源的輸出端串接一個電阻RW，更換不同阻值的RW，可以改變被測電源的負載調(diào)整率。5.2 系統(tǒng)指標參數(shù)測試通過外接可調(diào)電源分別調(diào)節(jié)恒流源并觀察液晶顯示的電壓電流情況。并對現(xiàn)實的電壓電流進行比較。由上表可以看出：只要在設(shè)定端給定了一個穩(wěn)壓值，無論輸入電壓如何變化，負載端電壓總是恒等于給定的穩(wěn)壓值，流入電子負載的電流隨被測直流電源的電壓（輸入電壓）變化而變化。由上表可以看出：只要在設(shè)定端給定了一個橫流值，流入電子負載的電壓隨被測直流電源的電壓（輸入電壓）變化而變化。5.3 系統(tǒng)功能及指標參數(shù)分析由以

15、上兩個參數(shù)表可得：恒流模式下系統(tǒng)只能滿足0.1A0.5A的恒流范圍，恒流范圍不夠大的原因是流過場效應(yīng)管的電流需要控制在一定范圍，否則會因電流過大而燒毀場效應(yīng)管，解決方法是選擇功率更大的絕緣場型柵型晶體管（IGBT）代替場效應(yīng)管，可惜由于市面上很難買到IGBT且由于時間倉促，本設(shè)計選擇采用場效應(yīng)管。四總體電路介紹： 直流電子負載的工作模式直流電子負載最基本的工作模式是定電流模式和定電阻模式。4.1硬件電路實現(xiàn)（1）.恒流電路 如圖4-1虛線框所示。當負載電流增大時，R19、R22、R25、R28上的電壓增大。即R18、R21、R24、R27上的取樣電壓增大，也即是U3C反相輸入端電壓增大，當U3

16、C反相輸入端電壓大于同相輸入端電壓時，U3C輸出低電平，場效應(yīng)管Q1、Q2、Q3、Q4的柵極G電壓VG減小，Q1、Q2、Q3、Q4的內(nèi)阻RDS增大，負載電流減小，從而達到恒流的目的。（2）.過流保護電路如圖4-1虛線框 所示。當負載電流增大時，R19、R22、R25、R28上的電壓增大，即R18、R21、R24、R27上的取樣電壓增大，U3B反相輸入端電壓增大，但電流繼續(xù)增大。當反相端電壓大于所設(shè)定過流保護電流的基準電壓(同相端輸入電壓)時，U3B輸出低電平，場效應(yīng)管Q1、Q2、Q3、Q4的柵極G電壓VG減小，Q1、Q2、Q3、Q4的內(nèi)阻RDS增大，負載電流減小，從而起到過流保護作用。4.2軟

17、件程序設(shè)計系統(tǒng)軟件采用美國Microchip公司的HI-TECHPIC C語言編程,人機界面友好,操作簡單.程序軟件采用模塊化結(jié)構(gòu),分別由主控程序、顯示程序、數(shù)據(jù)采集程序、缺相檢測程序、電流電壓檢測程序及中斷服務(wù)程序等程序模塊組成,下載到單片機中的執(zhí)行文件長度4 KB用單片機程控恒流源和恒壓源兩種模式下的電壓、電流。并通過液晶顯示出來。五電流采樣 (如圖所示)電流采樣中，借助采樣電阻首先將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，裝換為電壓信號后，再用HCPL788J隔離，它是帶短路和過載檢測功能的隔離運放芯片，電流過載后能在5us從內(nèi)部向單片機發(fā)送中斷信號，及時保護MOSFET。其輸入范圍為：-250mv25

18、0mv；對應(yīng)輸出為022；電子負載電流輸入范圍是100mA3A；選用0.1采樣電阻。六，測試方案與測試結(jié)果通過外接可調(diào)電源分別調(diào)節(jié)恒流源和恒壓源兩種模式，并觀察兩種模式下數(shù)碼管顯示的電壓電流情況。并對顯示的電壓電流進行比較。 模式 液晶顯示電壓 液晶顯示電流 恒流6.1 硬件調(diào)試 1） 硬件調(diào)試時，可先檢查印制板及焊接的質(zhì)量是否符合要求，有無虛焊點及線路間有無短路、斷路。然后用萬用表檢測，檢查無誤后，可通電檢查 LCD 液晶顯示器亮度情況，一般情況下取電壓為 35.5V 及一定的限流即可得到滿意的效果。 七，結(jié)論小結(jié) 設(shè)計的基于AT89C51單片機控制的電子負載，能夠直接檢測被測電源的電流值、

19、電壓值，以及在不同大小的負載下電源的輸出功率值。通過單片機程控使各個參數(shù)都能直觀的在數(shù)碼管上顯示。此電子負載能很好的替代傳統(tǒng)的測試方法中一般采用的電阻、滑線變阻器、電阻箱等，更簡單、更快捷、更可靠地對電源、變壓器、蓄電池等電子設(shè)備進行輸出特性的測試。但是，本設(shè)計還存在著很多不足，比如是功率消耗型器件，希望能在以后能改善這方面的缺陷。此次設(shè)計的電子負載，從最開始的資料搜集，到電路的設(shè)計；從最開始的元件選型，到電路板的焊接，再到現(xiàn)在的實物的整體調(diào)試每一步都印證著自己在完成電子設(shè)計任務(wù)上一個又一個的成功與失敗，迷惑與奮發(fā)！遺憾時間的倉促，以及自身能力所限，此次設(shè)計存在很多有待改進的方方面面，更存在很多的錯漏和失誤的地方。還請各位學術(shù)上的前輩多多包涵見諒。6.2 設(shè)計收獲體會此側(cè)設(shè)計的電子負載，從最開始的資源搜集，掉電路的設(shè)計；從最開始的元件選型，到頂魯板的焊接，再到現(xiàn)實的事物的軟硬件調(diào)試每一步都充滿了未知與挑戰(zhàn)，在一步步完成設(shè)計的過程中，不僅使自己的知識結(jié)構(gòu)得以綜合，而且培養(yǎng)了創(chuàng)新與嚴謹?shù)目茖W精神。 在完成作品的過程中，也由于經(jīng)驗不足犯下了許多錯誤，比如:軟件設(shè)計時程序沒有正確的備份，以至于交作品前重新下載修改過的程序后LED 屏不顯示，找最后一側(cè)備份的程序時卻沒有找到。