簡易直流電子負載

1、2012年江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計競賽TI杯）簡易直流電子負載（C題）設(shè)計報告二O一二年八月八日摘要：本系統(tǒng)設(shè)計的直流電子負載，以TI的MSP430F169單片機為主控芯片，包 括控制器、矩陣鍵盤、液晶顯示、恒流電路、輔助電源電路、電壓電流檢測電路。 系統(tǒng)以比例一積分調(diào)節(jié)作為恒流控制核心，電流采樣采用TI提供的ADS1115和 INA282芯片，輔助電源采用TI提供的TPS54331和LM2576電源芯片。以三極管 TIP42C為功率器件，通過控制其基極電流達到控制負載電流的目的。本系統(tǒng)還 擴展了簡單的恒阻、恒壓、動態(tài)帶載以及描繪U-I特性曲線的功能。本報告著重 闡述了系統(tǒng)框架、工作原理、軟硬件設(shè)

2、計，并給出了系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)測試表。測試 結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強、調(diào)節(jié)速度快的特點，很好地達到了題目要求的 性能指標。關(guān)鍵詞：直流電子負載恒流恒阻恒壓動態(tài)帶載U-I特性曲線Abstract： The design of the system DC electronic load involves the master chip-TIs MSP430F169 MCU controller, matrix keyboard, LCD, constant current circuit, the auxiliary power supply circuit, voltage and current

3、 detection circuit. System to proportional - integral adjustment as a constant current control core, proportional to speed up the adjustment speed, integral system without static error.The current sample provided by TI ADS1115 and INA282 chip. Auxiliary power is provided by TI TPS54331 and the LM257

4、6 power chip. Transistor TIP42C power devices controlled by controlling the base current to achieve the purpose of load current. The system also extends the simple constant resistance, constant voltage and simulate dynamic load. This report focuses on a systems framework, working principle, hardware

5、 and software design, and gives the system the data test sheet. The test results show that the system stability, adjust the speed and quickness, a good performance to the subject requirements.Key words： DC Electronic Load constant current constant resistance constant pressure Dynamic load U-I charac

6、teristic curve一、系統(tǒng)方案1.1賽題分析題目要求實現(xiàn)一個恒定電流工作模式的直流電子負載，并且電流值能夠任意 設(shè)定，同時還要求實時檢測電壓值和電流值，并且達到一定的精度，系統(tǒng)還要求 能夠?qū)崿F(xiàn)檢測直流穩(wěn)壓電源的負載調(diào)整率。設(shè)計中利用PI調(diào)節(jié)使得負載電流恒 定，利用MSP430F169控制器實現(xiàn)電流設(shè)定和功能切換，以TIP42C三極管為功率 器件，通過控制其基極電流來控制負載電流。電壓采樣采用簡易的電阻分壓電路， 電流采樣采用TI提供的高精度、寬共模范圍的電流采樣芯片INA282，通過單片 機檢測空載和滿載時的兩個電壓值可以順利計算出直流穩(wěn)壓電源的負載調(diào)整率。 1.2核心技術(shù)系統(tǒng)以PN

7、P型三極管TIP42C為功率器件，用來消耗直流穩(wěn)壓電源提供的功 率；以比例一積分調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)電路電流，一是使得電路電流恒定、二是使得電路 電流跟隨給定的變化；以MSP430F169為主控器，來實現(xiàn)電壓電流采樣、電流值 設(shè)定以及工作模式選擇。1.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能鍵盤與顯示ARW電流檢測電壓檢測D/A給定垢客：一k PI 一泵 功率器件圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)以TIP42C為功率器件，以PI調(diào)節(jié)為恒流控制核心，以MSP430F169為 主控制器，可以實現(xiàn)鍵盤設(shè)定、液晶顯示、DA給定以及電壓電流的采樣。1.3.1恒流模式當設(shè)定一個電流值之后，單片機通過內(nèi)部計算給出相應(yīng)的DA值，此時PI 開始起調(diào)節(jié)作用，

8、最后實現(xiàn)給定端與輸入端達到一定，從而實現(xiàn)輸出電流跟隨給 定的變化。（Rw為0歐姆）1.3.2恒阻模式在恒流模式基礎(chǔ)之上進行簡單的擴展之后，可以實現(xiàn)恒阻模式。當設(shè)定負載 等效的電阻值之后，單片機根據(jù)檢測到的輸入端電壓計算出應(yīng)該給定的電流值， 從而實現(xiàn)恒阻模式。（Rw為0歐姆）1.3.3恒壓模式恒壓模式采用比較法，當設(shè)定電壓值之后，單片機比較設(shè)定值與檢測值的大 小，當實際值比設(shè)定值小時，通過減小DA值來減小電路電流，從而減小電阻Rw 上的壓降來增加電子負載上的電壓，從而實現(xiàn)恒壓控制。（Rw不為0）1.3.4動態(tài)帶載系統(tǒng)可以簡單地模擬一個動態(tài)負載，實現(xiàn)負載電流按照梯形圖樣變化，動態(tài) 負載的相關(guān)參數(shù)可

9、以簡單設(shè)置，同時單片機還可以通過電流采樣芯片將電流波形 在12864液晶上畫出來。1.3.5 U-I特性曲線描繪在測量負載調(diào)整率時，系統(tǒng)還可以顯示穩(wěn)壓電源輸出電壓與輸出電流的關(guān) 系。當電流在0到1A變化時，DA每改變一次，測量一次穩(wěn)壓電源輸出電壓，并 將此曲線在12864液晶上實時描繪出來。1.4實現(xiàn)方法與方案選擇1.4.1主控制器方案一：使用89C51單片機，由于51單片機編程較簡單，通俗易懂，但是 要想達到本題要求需要外加DA芯片。方案二：使用MSP430F169單片機，MSP430單片機是16位的單片機，采 用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，只有簡潔的27條指令，功能強，運行的速度 快。同

10、時自帶DA，因此可以簡化外圍電路。同時430功耗低，符合時代要求。綜合可慮我們選擇方案二。1.4.2 AD采樣電路方案一：采樣MSP430F169單片機自帶的12位AD采樣功能，根據(jù)計算難以 達到題目要求的精度。方案二：采用TI公司提供的16位高精度AD采樣芯片ADS1115,此芯片的 精度明顯高于單片機自帶的AD采樣功能。兩者相比方案二能夠更好地滿足題目的要求。1.4.3恒流主電路利用TIP42C三極管作為電路的功率器件，電路的功率基本上耗散在功率器 件上，恒流理論上可以通過軟件實現(xiàn)，也可以通過硬件實現(xiàn)。方案一：軟件實現(xiàn)恒流，單片機實時監(jiān)測主回路電流，然后與基準值比較， 根據(jù)比較結(jié)果改變DA

11、的給定值。軟件實現(xiàn)較靈活，調(diào)節(jié)時間較長，精度高。方案二：硬件實現(xiàn)恒流，通過經(jīng)典的比例一積分調(diào)節(jié)來實現(xiàn)恒流控制，這樣 在軟件方面可以簡化很多，同時PI調(diào)節(jié)能夠迅速調(diào)節(jié)主回路電流，使得主回路 電流跟隨給定變化。方案三：軟件與硬件共同實現(xiàn)恒流。PI調(diào)節(jié)實現(xiàn)電流快速跟定，軟件實現(xiàn) 微調(diào)，使精度更高。綜合考慮響應(yīng)速度和精度，選擇方案三。1.4.4負載電流采樣方案一：采用康銅絲采樣電流，普通運放構(gòu)成差分放大電路，將康銅絲上的 壓降進行一定的比例放大送進AD，此方案簡單，但康銅絲具有一定的溫漂，普 通運放的精度較低。方案二：采用0.01歐姆的精密電流采樣電阻，精密電流采樣電阻的精度可 以達到1%。采用TI公

12、司提供的電流監(jiān)視芯片INA282,此芯片的共模抑制比為 140dB，1.4%的精度誤差。為了更好地達到題目要求的精度，我們選擇方案二。二、分析計算AD的計算AD采用數(shù)字濾波的方法，一方面是多次測量求平均，減小隨機誤差，另一 方面，對數(shù)據(jù)進行排序后去除最大值與最小值，減小毛刺對測量的影響，兩種方 法共同作用，使AD測量出的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定與準確。DA的計算本題要求DA數(shù)據(jù)與電流大小實現(xiàn)一一對應(yīng)的關(guān)系，及輸入一個電流值即可 映射出對應(yīng)的DA數(shù)據(jù)。由于誤差的存在，DA數(shù)據(jù)與電流值難以實現(xiàn)完全線性關(guān) 系，所以程序中采用分段線性擬合的方法，對不同值段的電流分別擬合其映射關(guān) 系，使DA數(shù)據(jù)與電流對應(yīng)的更加準確

13、。對于運用此種方法之后還存在的小誤差， 我們在程序里加了一個微調(diào)，可以實現(xiàn)電流精確設(shè)定。三、電路設(shè)計3.1電路機理3.1.1主電路原理圖TIP42C為功率器件，INA282進行電流監(jiān)視，運放實現(xiàn)電壓放大和PI調(diào)節(jié)，1234563.1.3輔助電源DINA282 和 ADS1115 采用 LPS54331 供電。圖4輔助電源3.2實現(xiàn)功能與指標3.2. 1恒流工作模式的電流設(shè)置范圍為50mA1100mA，電流值任意設(shè)定， 設(shè)置精度為1%。具有開路模式設(shè)置。3.2.2在恒流工作模式下，當電子負載兩端電壓變化14V時，輸出電流變化的絕對值小于變化前電流值的1%。恤SizeNumberRevision3

14、.2.3具有過壓保護和自啟動功能，過壓保護電壓為18Ve0.03V。自啟動電”File:C:Users bql Desk to p 20 1 2 ffcS： ddD rawK y:123456壓為 150.03V3.2.4能實時測量并數(shù)字顯示電子負載兩端的電壓，電壓測量精度為土0.02%，分辨力為0.1mV。3.2.5能實時測量并數(shù)字顯示流過電子負載的電流，電流測量精度為土0.2%，分辨力為0.1mA。3.2.6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0.01% 80%，測量精度為1%。3.2.7能簡單地工作于恒阻模式、恒壓、動態(tài)帶載模式以及簡單地描繪U-I 特性曲線。四、程序設(shè)計4

15、.1軟件功能結(jié)構(gòu)開始發(fā)揮電壓檢測電流檢測鍵盤掃描電壓表校準電流表校準電流設(shè)置*手動測量負載調(diào)整率*自動測量負載調(diào)整率一A U-特性曲線模擬動態(tài)負載E恒阻模式恒壓模式圖5總體框架圖4.2主要模塊實現(xiàn)流程三開始測量32次換算成對應(yīng)的D/A值 并輸出給定電壓微調(diào)電流值圖6電流設(shè)定圖7電流測量圖8負載調(diào)整率測量開始t10結(jié)束際流值 設(shè)定 流值YNNY測量實際電 流值t+延時DA減小DA增加圖9電流測量微調(diào)開始readRh5N退出hile (1)Y結(jié)束圖10恒阻模塊輸入設(shè)定/阻值 R_SET /N測量電壓 計算所需電流值*計算實際阻值 R read給定電流增大Ih+h=0五、測試方案5.1電流電壓校準方

16、法5.1.1電壓校準方法我們通過改變電源箱的輸入電壓，測量多組數(shù)據(jù)來進行電壓采樣校準，為了 使測量能夠達到一定的精度，我們使用六位半的數(shù)字萬用表，將電表實測電壓值 與AD采樣寄存器里面的數(shù)字量進行線性擬合，得到一條直線，根據(jù)這條直線在 單片機里進行一定的運算，從而將實際電壓值在電表里顯示出來。5.1.2電流校準方法系統(tǒng)要校準兩組電流值，設(shè)定電流和實測電流，實際電流與實測電流。校準 實際電流與實測電流，我們運用了與電壓校準一樣的方法。在校準設(shè)定電流與實 測電流時，我們將DA給定的數(shù)字量與實測電流數(shù)據(jù)一一記錄下來，分析數(shù)據(jù)之 后，發(fā)現(xiàn)線性度不是很好，為了達到題目要求達到的精度，我們采取了分段線性

17、化，將整體數(shù)據(jù)分成十段。為了使精度更高，我們在程序里面進行了一個小的補 償，這樣設(shè)定電流值和實測電流值之間的誤差可以小到0.2mA。5.2測試儀器 直流穩(wěn)壓電源YB1731C5A示波器TDS210六位半數(shù)字萬用表TH1961四位半數(shù)字萬用表VC9806+三位半數(shù)字萬用表VC890D六、測試結(jié)果6.1數(shù)據(jù)測量與分析6.1.1結(jié)果表明在100mA到1000mA之內(nèi)可以實現(xiàn)電流任意設(shè)定，分辨力為1mA， 精度小于1%。電流測量的分辨力為0.1mA，精度小于土0.2%。表1：電流設(shè)定與測量數(shù)據(jù)設(shè)定電流mA實際電流mA設(shè)定精度AD測量電流mA測量誤差測量精度10001002.10.2100%1000.6

18、-1.5-0.1497%950952.60.2737%951.3-1.3-0.1365%900901.10.1222%900.1-1.0-0.1110%850851.00.1176%850.4-0.6-0.0705%800800.10.0125%799.9-0.2-0.0250%750750.70.0933%750.70.00.0000%700699.8-0.0286%700.10.30.0429%650650.40.0615%650.90.50.0769%600599.2-0.1333%599.70.50.0834%550550.50.0909%551.30.80.1453%500499.0

19、-0.2000%499.70.70.1403%450450.20.0444%451.00.80.1777%400399.5-0.1250%400.20.70.1752%350350.20.0571%350.60.40.1142%300300.80.2667%300.7-0.1-0.0332%250250.50.2000%250.1-0.4-0.1597%200200.60.3000%201.00.40.1994%150150.10.0667%150.10.00.0000%100100.50.5000%100.90.40.3980%6.1.2結(jié)果表明，分辨力為0.1mV，測量精度小于土0.02%

20、。表2：輸入電壓測定與顯示實際電壓V測量電壓V測量誤差測量精度17.909317.90960.00030.0017%16.850816.8505-0.0003-0.0018%15.927815.92790.00010.0006%14.836914.83700.00010.0007%13.725913.72650.00060.0044%12.712412.71300.00060.0047%11.612111.61350.00140.0121%10.639010.64060.00160.0150%9.21629.2152-0.0010-0.0109%8.34488.3438-0.0010-0.01

21、20%7.15377.1530-0.0007-0.0098%6.13926.1388-0.0004-0.0065%5.09365.0929-0.0007-0.0137%4.00784.0075-0.0003-0.0075%6.1.3結(jié)果完全滿足題目要求表3：過壓保護與自啟動測量過壓保護設(shè)定值過壓保護實際值自啟動設(shè)定值自啟動實際值18V17.97V1515.03V6.1.4結(jié)果表明電壓在5到17V之間變化時，輸出電流變化小于變化前的1%表4:電流穩(wěn)定效果測量恒定電流值mA電源電壓輸出電流變化值mA輸出電流變化百分比10005V17V1.40.1400%9005V17V2.00.2222%8005

22、V17V2.00.2500%7005V17V2.00.2857%6005V17V1.80.3000%5005V17V1.60.3200%4005V17V1.20.3000%3005V17V0.60.2000%2005V17V1.10.5500%1005V17V1.41.4000%6.1.5結(jié)果表明，負載調(diào)整率測量范圍很大，測量精度滿足題目要求表5:負載調(diào)整率測量空載電壓串聯(lián)電阻額定電壓額定電流實際調(diào)整率（%）測量調(diào)整率（%）測量精度9.363007.8652100016.0015.771.42%9.345916.8440100026.7726.640.4857%9.331525.7820100038.0438.010.0732%9.334052.7672100070.3570.48-0.1797%9.345981.7337100081.4581.440.0118%9.3422101.5640100083.2683.230.0345%6.2誤差分析測試過程中，我們利用六位半的高精度萬用表來進行數(shù)據(jù)校準，利用最小二 乘法將數(shù)據(jù)模擬成一條直線，再利用單片機進行微調(diào)，實際測量結(jié)果均能滿足題 目要求。由于電表本身的參數(shù)不同，換用不同的電表將使得測量誤差變大，為了 減小誤差，系統(tǒng)還有電表校準功能。6.3性價比與功能分析本系統(tǒng)以常用的三極管為功率器件，以TI提供的電流