簡易直流電子負載

1、XX年全國大學生電子設計競賽簡易直流電子負載（C題）【XX組】XX年X月X日摘 要簡易直流電子負載主要由恒流電路、電壓電流控制電路、輸出過壓保護電路、電源電路和單片機控制與顯示系統(tǒng)五部分組成。直流電子負載是以MOS管電壓轉換電流原理為核心，以硬件反饋實現恒流為基礎，以單片機控制為中心的高精度作品。恒流部分的控制端采用運算放大器LM324接成閉環(huán)反饋控制形式，并用大功率MOS管作為恒流電路調整管，用水泥電阻做采樣電阻，具有良好的調控線性和穩(wěn)定性。穩(wěn)壓電源部分設置由多個單電源為各部分電路供電。顯示部分采用液晶顯示器，能夠直觀、方便地顯示設定電流和實測電流數據。系統(tǒng)達到了恒流穩(wěn)定性高的效果，實時顯示

2、電壓電流，輸出電流為100mA1000mA，步進為10mA。直流負載熱穩(wěn)定性高，工作過程中基本不會因發(fā)熱而產生偏差，且可以持續(xù)很長時間，具有過壓保護功能，成本低廉，可靠性高。關鍵字：電子負載；恒流電路；電壓電流檢測電路；過壓保護電路。目 錄1設計方案的論證與選擇31.1系統(tǒng)整體方案31.2 各部分方案的論證及選擇42電路原理分析與計算52.1恒流電路部分52.2控制電路部分62.3電源電路部分72.4過壓保護部分82.5鍵盤與顯示部分電路94測試方法與測試結果104.1測試方法104.2測試條件及儀器104.3 測試結果及分析11測試結果11測試分析125設計總結12參考文獻13附錄1整體電路

3、圖14附錄2源程序15附錄3測試數據15附錄4 元件清單16簡易直流電子負載（C題）【XX組】1設計方案的論證與選擇1.1系統(tǒng)整體方案本系統(tǒng)主要由單片機控制模塊、電源模塊、鍵盤與顯示模塊、恒流模塊以及過壓保護模塊組成，以恒流電路為核心，用鍵盤對單片機進行控制，再通過單片機內部D/A輸出控制MOS管等電路產生恒定電流，當直流穩(wěn)壓電源在一定范圍內變化時，流過本直流電子負載的電流保持恒定。同時該系統(tǒng)設計了過壓保護電路，過壓閾值為18V，實現了對恒流電路的有效保護。電路中的功率部分采用了MOSFET場效應管，很好地實現了電流調整。電路采用簡單的7805、7812和7912對控制電路供電。電路相對較簡單

4、，不僅成本低、器件易購，而且穩(wěn)壓效果較好?？傮w來說，整個電路能夠良好的實現其設計功能。直流電子負載電路系統(tǒng)總體框圖如圖1-1所示： 圖1-1 直流電子負載系統(tǒng)整體框圖1.2 各部分方案的論證及選擇1、恒流控制部分方案一：采用UC3843作為控制核心。本方案采用TI公司的PWM控制芯片UC3843來控制MOS管IFRP460的開關，從而將提供的15V電源電壓轉換成方波脈沖信號，脈沖頻率由外圍電路中控制端電容電阻參數來確定。方案二：采用單片機編程生成脈沖信號。采用TI公司的MSP430G2單片機編程，通過取反語句，循環(huán)語句，并通過對時間的設定可以實現固定頻率的方波脈沖的產生。 方案三：采用tl49

5、4作為控制核心。.2、電源電路部分方案一：采用三端固定式的集成穩(wěn)壓器78XX系列。此方案用集成穩(wěn)壓器制作電源的電路相對較簡單，不僅成本低、器件易購，而且三端穩(wěn)壓集成塊的穩(wěn)壓效果較好。不足的地方是三端穩(wěn)壓集成塊輸出電流要求不能太大，但該電路中電流值較小，對其作用并無影響。方案二：采用三端可調式的LM317集成穩(wěn)壓器。LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，輸出電壓在1.25V37V范圍內連續(xù)可調，能夠提供超過1.5A的電流，線性調整率為0.01%，負載調整率為0.1%，紋波抑制比為80dB，是一種使用方便、應用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。其原理十分簡單，達到的穩(wěn)壓精度很高，但電路比較復雜。方案三：利用

6、串聯型可調穩(wěn)壓電路提供電源。直流型穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流濾波電路以及穩(wěn)壓電路組成，低噪聲、低紋波、有良好的負載調整率，能得到穩(wěn)定的直流電壓，但是該電路的穩(wěn)壓部分需要的電子器件較多，體積很大，對器件的性能要求較高，電路結構復雜，效率也很低，僅適用于小功率的場合。由于STC12C5A60S2單片機需要4.5V5.5V電壓供電，而三端固定式的集成穩(wěn)壓器輸出電壓的電壓偏差為5%，即在4.75V5.25V之間；而恒流部分、電流檢測部分和顯示部分等電路需要5V電壓供電，綜上述分析，對比后采用電路相對簡單的方案一。 3、輸出過壓保護部分方案一：通過單片機直接進行電壓的檢測。直接將待測電壓經過A/D模塊處

7、理后傳送給單片機進行檢測。方案二：通過運放及相應的電阻組成電壓比較器對電壓進行相應的處理，將基準電壓加在運放的同相端，當運放輸入端電壓超過基準電壓時，運放輸出端控制繼電器自動斷開，從而斷開外接電源輸入端，最終起到過壓保護的功能；當運放輸入端電壓小于基準電壓時，此時外接電源正常接入電子負載，電路正常工作。經過分析，方案一要檢測的電壓很有可能要高于單片機的最大輸入電壓，嚴重時可能把單片機燒毀。同時，在方案一中其待測的電路所產生的電流將影響測量電壓的結果。而方案二則不然，當電壓過大時，可以利用電阻串聯的形式構成分壓電路，將電壓按一定比例減小，同時利用運算放大器的虛斷特性，在很大程度上降低了被測電路其

8、電流對檢測結果的影響。所以采用方案二。2電路原理分析與計算2.1恒流電路部分 電路原理圖如圖2-1所示，恒流電路主要由負載電阻R1、運放LM324以及功率管Q1三部分組成。MOS型晶體管的特點是特別適合于開關狀態(tài)工作，具有導通電流的能力，且當MOS管導通電壓一定時，其通流的能力不變，即流過MOS管電流的大小為固定值，因為它正向導通時的電阻極小，而且開關速度快。由于設計所需電流范圍100mA1000mA，步進為10mA，過壓閾值為18V±0.2V，電路中所需的MOS管的承受電壓必須大于18V,通流能力必須大于1A，而IRF540MOS管的漏源電壓VDSS=100V,漏極電流ID=28A

9、,滿足設計要求。根據閉環(huán)同相放大電路的深度負反饋概念，通過反饋電阻Rf和負載電阻R1構成負反饋電路，控制電壓Vin通過運放U1輸出的電壓基本保持恒定；再根據閉環(huán)同相放大電路的虛短概念，即Vp=Vn，運放的反相輸入端電壓將等于控制電壓，即控制MOS管之間的柵源電壓為定值，從而使流過Q1和負載電阻R1的電流的大小保持恒定，即控制恒流源輸出電流。當最電流為1000mA時： Vo=(R3+R4)*Imax 得到輸入運放同相端的電壓為：Vi=Vo/(1+R3/R4)=2V。當電流為100mA時由上式可得:Vi=0.2V。其他在100mA1000mA之間的電流可通過單片機控制是輸入到運放同相端的電壓在0.

10、22V之間即可達到目的由于單片機A/D采樣輸入電壓最大值不超過5V，而流過負載電阻的電流最大為1000mA,根據R=U/I得，即R小于等于5；由P=I2*R得，當R=5時，P=5W，因此R15，PR15W均符合要求，鑒于以上考慮，由于條件限制，最終選用了2/50W的水泥電阻作為負載電阻。圖2-1 恒流電路原理圖2.2控制電路部分電路原理圖如圖2-2所示,控制電路部分由STC12C5A60S2單片機、DAC0832數模轉換器、運算放大器LM324組成。STC12C5A60S2單片機是數控電子負載的核心部件，通過單片機內部A/D對采樣負載電阻端電壓、端電流的數據進行采集、處理，通過液晶顯示屏顯示數

11、據。DAC0832數模轉換器，將檢測到的電壓電流模擬信號轉化成數字信號傳送給單片機，完成實時的顯示和其他控制。電流檢測通過圖2-1中檢流電阻R1對負載電流進行檢測，將電流信號通過運放LM324轉換成更加易于檢測的電壓信號，輸出的電壓與輸入的控制信號反相，最后通過由運算放大器LM324組成的反相器將電壓取反，即與控制信號同相，且幅值不變。圖2-2 控制電路原理圖整流濾波部分電路原理圖如圖所示，由于接收線圈接收到的信號頻率與發(fā)射線圈發(fā)射的信號頻率相同，仍然為頻率較高的脈沖信號，所以需要對接收線圈接收到的脈沖信號進行整流濾波處理，轉變成直流電供給2只串聯LED燈負載使用。電路先將接收線圈接收到交流脈

12、沖信號經由4只FR207快恢復二極管搭成的橋式整流電路，得到脈沖直流電壓，再經過470uF/25V的電解電容和0.1uF的瓷片電容進行濾波處理后最終得到相對平滑的直流電壓，用以供給負載LED燈使用。電路原理圖如圖2-3所示，由于該系統(tǒng)采用了STC12C5A60S2單片機、DAC0832數模轉換器、LM324運算放大器等電路部分，需要5V、±12V的直流電壓，因此本設計額外設計了一個輸出電壓分別為±12V、5V的穩(wěn)壓電源，電源電路主要分為變壓器部分、整流部分、濾波部分、以及78XX、79XX系列的三端固定式穩(wěn)壓部分。由于要為雙電源運放供電，因此要采用三抽頭的變壓器從而得到相位

13、相反的兩15V的交流電源輸入到下一級的整流橋，變壓器的輸出為18V。 再通過整流管將輸出的交流電轉換成為脈動直流電，電路中的C2、C1、C8電解電容器就是將脈動直流中的交流成分濾除，從而輸出的電壓隨著交流輸入端和負載輸出端的變化而變化，因此，采用78XX系列集成穩(wěn)壓器構成的穩(wěn)壓電路，經過穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后，輸出的基本為穩(wěn)定直流，能夠滿足設計電路的供電要求。通過7812輸出電壓為12V，通過7912輸出電壓為-12V，通過7805輸出電壓為5V。電路中C10、C11、C13、的作用為消除輸入端引線的電感效應，防止集成穩(wěn)壓器自己振蕩，還可以抑制輸入側的高頻脈沖干擾，一般選擇0.11uF的陶瓷電容器；輸

14、出端電容器C14、C15、C12為高頻去耦電容器用于消除高頻噪聲，一般選擇0.12.2uF的陶瓷電容器；輸出端電容器C4、C3、C12用于改善穩(wěn)壓電路輸出端的負載瞬態(tài)響應，根據負載的變化情況，一般選用1001000uF的電解電容器。D9、D10、D11是保護二極管，用來防止在輸出端電壓高于輸入端電壓時，電流逆向通過穩(wěn)壓器而損壞器件。該電源內阻小，線性度好，電壓穩(wěn)定，噪音極低，輸出波紋小。 圖2-3 電源電路圖2.4過壓保護部分為了達到要求，作品要具有過壓保護功能，過壓閾值電壓為18V±0.2V。因此，系統(tǒng)過壓保護電路采用LM324芯片實現，用LM324穩(wěn)壓管提供2.5V基準電壓，將其

15、加在運放的同相端，當輸入端電壓超過2.5V時，輸出端電路將自動斷開，當輸入端電壓小于2.5V時，此時輸出端電路正常工作。根據電路中阻值可計算出運放的輸入端電壓一般將達到2.3V，保證電路正常工作。如圖2-5所示，當輸入電壓高于18V時，過壓保護電路可自動中斷高輸入電壓，以保護電流源部分。由于輸入電壓最大可達到18V，不能直接進行采樣檢測，需要先將輸入電壓進行衰減降壓，再通過A/D通道進行采用檢測，同時使用比較器來控制高輸入電壓的中斷。本設計利用1M4和150K的電阻R3、R4串聯對其進行分壓衰減，輸入電壓Vi最大值為18V，故過壓保護電路的比較器的基準電壓VREF為： 代入數值即V=150/（

16、150+1000）*18V=2.35V。電路圖如圖2-4所示：圖2-4 過壓保護電路圖2.5鍵盤與顯示部分電路本系統(tǒng)設計的鍵盤部分為獨立式鍵盤，就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵都不會影響其它的I/O口線。當按鍵按下時，相當于觸發(fā)相應的信號，通過單片機控制來實現按鍵需實現對的功能。本系統(tǒng)通過電路進行按鍵輸入，電子負載系統(tǒng)中按鍵需要實現的功能有：預置數據按鍵，分為兩個按鍵，上置按鍵和下置按鍵，當啟動鍵啟動后，默認值為100mA，調節(jié)范圍只限制在默認值基礎之上；可通過上、下置鍵來調節(jié)我們所需電流的大小，最小時為默認值100mA，最大值可調節(jié)至1000mA。鍵盤部

17、分則將按鍵直接接在I/O口上，編程簡單，應用方便，且在沒有鍵按下時根本沒有任何功耗。本系統(tǒng)設計的顯示部分采用液晶顯示屏作為系統(tǒng)操作信息的輸出窗口。液晶顯示屏,微功耗，尺寸小，超薄輕巧，顯示信息量大，可以顯示任意字符、圖形、曲線等，同時字跡美觀，視覺舒適，增加了顯示的美觀性與直觀性。最重要的是提供了友好的人機界面，而且容易控制。自帶的顯示驅動電路用串行口與單片機直接連接。將液晶顯示模塊接口與單片機系統(tǒng)中的某個并行I/O接口連接，計算機通過對該I/O接口的操作間接的實現對模塊的控制。 4測試方法與測試結果4.1測試方法將直流穩(wěn)壓電源連接電子負載，通過鍵盤設置恒流模式，以及設置恒定值，穩(wěn)壓電源提供不

18、同的端電壓，首先測試系統(tǒng)工作電流的準確性,其次測試負載電流隨負載電壓變化的穩(wěn)定性。觀察電流變化；調節(jié)負載設定不同工作電流，與實測電流和顯示電流進行比較。圖4-1 測試方法顯示器與單片機的連接說明：STC12C5A60S2單片機P1端口的0引腳、1引腳和 2引腳分別12864LCD顯示屏的片選口、數據口和時鐘口；3引腳、4引腳和5引腳分別3個按鍵；6引腳和7引腳分別接電壓和電流的測試端。P2端口的0引腳至7引腳接入DA轉換芯片。4.2測試條件及儀器測試條件：溫度：常溫25，電壓：0V12V，頻率：1kHz測試前需要進行檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保

19、證無虛焊。測試儀器及設備如表4-4所示。表4-4測試使用的儀器設備序號儀器型號數量精度1數字萬用表VICTOR 89B13位半2直流穩(wěn)壓電源QJ-3003S 13位半3數字萬用表DY210513位半4.3 測試結果及分析4.3.1測試結果電流準確性測試結果如表1所示，恒流效果測試如表2所示。表1 電流準確性測試輸入電壓/V設定電流/mA顯示電流/mA實測電流顯示電壓/V電流相對誤差/%電壓相對誤差/%61005001000151005001000表2 恒流效果測試設定電流/mA輸入電壓/V顯示電壓/V實測電流/mA電壓相對誤差/%電流相對誤差/%100251530025155002515700

20、2515100025154.3.2測試分析由表1、表2測試結果可見，基本要求以及部分發(fā)揮部分達到所需指標:（1）系統(tǒng)負載電流的準確性較高，電流設置范圍為100mA100mA，分辨為10mA,且精度為±1%；（2）在恒流工作模式下，當電子負載兩端電壓變化10V時，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18±1.2V；（4）能實時測量并數字顯示電子負載兩端的電壓，電壓測量精度為±（0.1%+0.1%FS），分辨力為1mV。（5）能實時測量并數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

21、力為1mA。綜上可見，系統(tǒng)負載電流的準確性較高，并且在電流較大時，相對誤差會更小。當電流設定之后，輸入電壓的改變對負載電流影響十分微弱，可以完全忽略其影響，因此，本次直流電子負載可以實現。負載上的電流可以步進控制，且輸入電壓在控制范圍內變化時，電子負載上的電流不會發(fā)生變化，達到電子負載的精度和穩(wěn)定度。根據上述測試數據，可知測試的數值與理論數據存在一定的誤差其主要原因在于到電阻精度不夠，但是在誤差允許范圍內，該系統(tǒng)基本能夠達到所需的要求。經分析我們得出以下改進方案：1、可通過采用精度更高的電阻代替取樣電阻提高該設計的精度。如選用金屬膜電阻。2、通過提高A/D、D/A的精度，來提高整體電路的性能；5設計總結此電子負載能很好的代替?zhèn)鹘y(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、整流器等電子設備進行輸出特性的測試。設計采用LM324運放作為最小系統(tǒng)的控制核心，實現了恒流作用。通過測試，系統(tǒng)不但完成了基本要求，也基本達到發(fā)揮部分的要求。經過幾天的努力實踐，不斷的測試，不斷的改進電路和程序，我們最終圓滿完成了設計任務。在設計過程中，我們不僅僅使自身水平得到了檢驗，更重要的是學到很多課本上沒有的知識，使自己得到了進一步的提高。因比賽時間有限，該系統(tǒng)還有許多值得改進的地方。參考文獻1華成英,童詩白著模擬電子技術基礎第