簡易直流電子負(fù)載

1、簡易直流電子負(fù)載張良 毛偉 周旭摘要：本設(shè)計是以場效應(yīng)晶體管電壓轉(zhuǎn)換電流原理為核心，以硬件反饋實現(xiàn)恒流為基礎(chǔ)，以單片機(jī)控制為中心的高精度作品。此次設(shè)計為恒流源法直流電子負(fù)載。本系統(tǒng)中電壓和電流的測量都采用高精度運(yùn)放對電壓和電流分別采樣處理，再利用12位高精度ICL 7135輸入口進(jìn)行電壓和電流檢測和監(jiān)控。硬件電路恒流部分的控制端采用多個精密運(yùn)算放大器OP07接成閉環(huán)反饋控制形式。系統(tǒng)達(dá)到了恒流穩(wěn)定性高的效果，實時顯示電壓電流，電流范圍為100mA1000mA，步進(jìn)為10mA，且分辨率達(dá)到1mA（V）。直流負(fù)載熱穩(wěn)定性高，工作過程中基本不會因發(fā)熱而產(chǎn)生偏差，且可以持續(xù)很長時間。本設(shè)計具有過壓保護(hù)

2、功能，成本低廉，可靠性高。關(guān)鍵字：場效應(yīng)管；采樣；閉環(huán)反饋；過壓保護(hù)一、 方案論證1、 恒流控制方案方案一：從取樣電阻取回的電壓與DA輸出電壓作差分放大，放大后的電壓經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換為電流，電流經(jīng)過達(dá)林頓復(fù)合管擴(kuò)流后得到所需要的電流。方案二：從取樣電阻取回的電壓與DA輸出電壓作差分放大，放大后的電壓經(jīng)過場效應(yīng)管直接變換為電流。方案選擇：方案一雖能夠達(dá)到所需電流要求，但復(fù)合管的基極的電流會流入負(fù)載，對電流的恒流造成誤差；方案二中的場效應(yīng)管能夠?qū)崿F(xiàn)電流要求，且輸入級沒有電流，在放大區(qū)工作穩(wěn)定，因此選擇方案二。2、 輸出電流采集方案方案一：直接從功耗電阻上采集電壓，從而得到電壓和固定電阻得到電流采樣。方案

3、二：在功耗元件上端串聯(lián)一個小功率電阻作為采樣，采得電壓除以固定電阻得到電流。方案選擇：方案一中的采集電阻大，因而采集得到的電壓變化很大，經(jīng)過運(yùn)放后對電流的精確度有影響，而方案二中的電阻為精確小電阻，得到電壓精確運(yùn)算后可以得到精確電流。3、 功耗原件選擇方案方案一：功耗元件為功率管，大部分功率都消耗在功率管上。方案二：功耗元件為多只功率電阻并聯(lián)作為功耗電阻，晶體管只為開關(guān)使用，開關(guān)上消耗功率低。方案選擇：方案一中對功率管的熱消耗巨大，對功率管的散熱具有非常高的要求，且發(fā)熱會對電流產(chǎn)生誤差，方案二中的功率原件為多只功率電阻，因而電阻的發(fā)熱比較小，對電流影響較小，因此選擇方案二。4、 輸出電壓采集方

4、案方案一：對功耗元件上電壓采集得到電源輸出電壓。方案二：對整個電流支流的電壓進(jìn)行采集,即對整個輸出電壓采集。方案選擇：方案一是對功耗元件電壓的準(zhǔn)確測量，但在電流采樣電阻和晶體管上也有分壓，并不能代表輸出電壓（負(fù)載電壓），方案二是對整體輸出電壓的采樣，能準(zhǔn)確測量電源輸出電壓（負(fù)載電壓），因此選擇方案二。二、 系統(tǒng)總體方案如圖2-1所示：本設(shè)計采用高速單片機(jī)作為恒流源的控制、顯示和輸出電壓電流檢測核心，實現(xiàn)了100mA到1000mA數(shù)控可調(diào)直流電子負(fù)載。系統(tǒng)的顯示部分采用128×64點陣式液晶顯示屏實時顯示輸出電壓值和電流值；輸出電流控制采用TI芯片DAC7611輸出模擬量來控制OP07

5、；電流測量采用基本沒有溫度漂移的康錳銅電阻絲作為精密取樣電阻，利用單片機(jī)外擴(kuò)的A/D輸入口進(jìn)行電流檢測和監(jiān)控。硬件電路恒流部分的控制端采用多個精密運(yùn)算放大器OP07接成閉環(huán)反饋控制形式，受控部分采用IRF540場效應(yīng)功率管產(chǎn)生電流。電源部分運(yùn)用LM7805和LM7905產(chǎn)生正、負(fù)12V電壓供電，多級電容濾除紋波干擾；實時監(jiān)測輸出電壓和電流，根據(jù)電壓變化率得到負(fù)載調(diào)整率，當(dāng)輸出電壓大于18V能夠?qū)崿F(xiàn)報警和軟件關(guān)斷功能。1、 控制模塊：采用高精密放大運(yùn)放OP07對控制信號和反饋信號取差，差信號控制功率管。2、 測量模塊：采用12位AD轉(zhuǎn)換芯片對電壓電流實時監(jiān)測。3、 過壓保護(hù)模塊：采用軟件保護(hù)，當(dāng)

6、監(jiān)測輸出電壓達(dá)到18V時，送一高電平給I/O，單片機(jī)監(jiān)測到高電平時DA停止工作。4、 功耗模塊：用四個30歐姆水泥功率電阻做功耗原件。從而整體實現(xiàn)電子負(fù)載的功能。5、 電源模塊：采用線性集成穩(wěn)壓器LM7805，,LM7905構(gòu)成正負(fù)12V和正負(fù)5V供電電壓。圖3-1恒流原理三、 理論分析與計算1、 電子負(fù)載及恒流電路的分析電子負(fù)載為功率管和功率電阻組成的功耗負(fù)載，輸出功率都消耗在功率管和功率電阻上，實現(xiàn)了電子負(fù)載的功能。恒流電路的實現(xiàn)：控制電路為DAC輸出直流電平和從取樣電阻得到的取樣電壓取差，差值放大控制晶體管的漏極，從而控制電流的穩(wěn)定，具體流程如圖3-1所示：當(dāng)電流變化，采樣電壓改變，采取

7、的電壓和控制電壓取差后控制晶體管電流朝與之前變化相反的方向變化，直到穩(wěn)定，從而實現(xiàn)恒流。2、 電壓、電流的測量及精度分析電壓、電流的測量都是通過對電壓、電流取樣，得到的電壓值經(jīng)過精密運(yùn)放OP07處理，得到0-2V信號，送給12位AD轉(zhuǎn)化后由單片機(jī)處理并顯示。12位的AD和DA可以得到1mA和1mV的分辨率，且OP07為高精度運(yùn)放，控制好電路反饋系數(shù)可以達(dá)到題目所需精度。 3、 電源負(fù)載調(diào)整率的測試原理如圖3-2所示：電壓負(fù)載調(diào)整率為： （3-3-1）為空載（半載）時電子負(fù)載兩端電壓，為滿載時電子負(fù)載兩端電壓即為額 定電流（1A）時輸出電壓。圖3-3 功耗電路 4、最小實現(xiàn)穩(wěn)流電壓計算：如圖3-

8、3所示： （3-2-1）為500m；為6；一般可以忽略。得 （3-2-2）四、 主要功能電路設(shè)計1、 恒流電路設(shè)計 如圖4-1所示：電路由閉環(huán)反饋實現(xiàn)電流的穩(wěn)定。采樣電壓和控制電壓取差，經(jīng)開環(huán)放大，得到控制信號,控制電流。圖4-1 恒流電路的設(shè)計圖4-2 電壓采集電路2、 電壓采樣電路設(shè)計如圖4-2所示：電壓采集用OP07差分取樣，取樣后的電壓進(jìn)行十分之一衰減，衰減后信號經(jīng)過ICL713512位AD轉(zhuǎn)換送與單片機(jī)處理。從而達(dá)到1mV分辨率的要求。3、 數(shù)字電路的設(shè)計（1）DAC7611的外圍電路：如圖4-3所示：（2）ICL7135的外圍電路：如圖4-4所示：這兩款芯片分別實現(xiàn)控制和測量的精度

9、。圖3-3 DAC7611圖4-4 ICL71354、過壓保護(hù)電路設(shè)計過壓保護(hù)電路采用軟件保護(hù)，當(dāng)檢測到輸出電壓大于某一特定值時（17.98V衰減為原來的十分之一為1.798V，相對安全），DA輸出為0，且有預(yù)警提示。5、電源模塊設(shè)計圖 4-6 電源模塊設(shè)計6、 總電路設(shè)計見附錄五、 系統(tǒng)軟件設(shè)計 1、系統(tǒng)程序流程圖：圖5-1 程序總流程圖 2、重要運(yùn)算方法。（1）DAC7611輸出電壓由下式給出：（5-2-1）其中REF是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，而CODE是數(shù)字輸入值，范圍從0X000至0XFFF。上電復(fù)位將內(nèi)部鎖存為一個規(guī)定的初始狀態(tài)。（2）對電流電壓的顯示過程中，必須按照與運(yùn)放反饋系數(shù)比例關(guān)系來顯

10、示電壓、電流。其中電流采樣電壓放大為5倍，電壓采樣電壓衰減為之前的十分之一，在軟件中贏相應(yīng)除以5和乘以10。（3）負(fù)載調(diào)整率的計算：（5-3-1） 由上式可知，我們需要測量兩個電壓信號，最后算得負(fù)載調(diào)整率。3、重要源代碼見附件六、 測試方案與測試結(jié)果1、測試方案的選擇本次設(shè)計為高精度信號，分辨率達(dá)1mA、1mV，因而一般示波器和電表測不出來，所以我們選擇4位半的數(shù)字電表作為測量儀器。測量儀器：4位半數(shù)字電表，被測穩(wěn)壓電源，供電電源和線性可變功率電阻。2、測量方法：電壓測量：將四位半表和被測電壓并聯(lián)，讀取四位有效數(shù)字。電流測量：將四位半表和電路串聯(lián)，選取合適檔位，讀取四位有效數(shù)字。 3、測試結(jié)果

11、：如表6-3-1所示：預(yù)置電流實測電流實測電壓100mA100mA9.000V200mA200mA8.998V500mA501mA8.993V510mA511mA8.993V520mA520mA8.992V1000mA1001mA8.980V被測電壓實測電流6.500V1000mA7.000V1000mA7.500V1000mA10.00V1000mA16.50V1001mA17.50V1001mA表6-3-1 4、測試結(jié)果分析：由數(shù)據(jù)結(jié)果可以得知，本次直流電子負(fù)載可以實現(xiàn)，負(fù)載上的電流可以步進(jìn)控制，且輸入電壓在可控范圍內(nèi)變化時，電子負(fù)載上的電流不會發(fā)生變化，達(dá)到電子負(fù)載的精度和穩(wěn)定度。此次設(shè)

12、計具有非常高的熱穩(wěn)定性和可靠性，可以不限時長工作，但達(dá)到恒流電壓變化范圍相對較小。參考文獻(xiàn)： 1 李朝青編著.單片機(jī)原理及接口技術(shù)(3)版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.92 謝自美主編.電子線路設(shè)計·實驗·測試（第二版）武漢：華中理工大學(xué)出版社，2007.73 董尚斌主（編）.電子線路（）.北京：清華大學(xué)出版社，2006.10附件1、 總體電路圖如圖所示： 圖1-1 總體電路設(shè)計 2 源程序代碼：#include<reg52.h>#include<intrins.h>#include <absacc.h>#include<

13、;stdio.h>#define LCD_CW XBYTE0xF900#define LCD_DW XBYTE0xF940 #define LCD_CR XBYTE0xF980#define KEY_a XBYTE0xFE00#define KEY_b XBYTE0xFF00#define LCD_BUSY while(LCD_CR & 0x80)typedef unsigned int uint;typedef unsigned char uchar;sbit CS =P14; sbit CLK=P15; sbit SDI=P16; sbit LD=P17; sbit BUSY

14、1=P33;sbit BUSY0=P32;xdata float m,n,da=0;xdata uint vol=131;xdata char buff06,buff16,buff24,buff34;xdata uchar a;void print(uchar X,uchar Y,uchar *str) if(X=0)X=0x80; else if(X=1)X=0x90; else if(X=2)X=0x88; else if(X=3)X=0x98; LCD_BUSY; LCD_CW=X+Y; while(*str!='0') LCD_BUSY; LCD_DW=*str; st

15、r+; void dis_LCD(uchar X,uchar Y,uchar date)uchar wz;if(X=0) X=0x80;else if(X=1) X=0x90;else if(X=2) X=0x88;else if(X=3) X=0x98;wz=X+Y;LCD_BUSY;LCD_CW=wz; LCD_BUSY; LCD_DW=date;void init(void)LCD_BUSY;LCD_CW=0x30;LCD_BUSY;LCD_CW=0x0C;LCD_BUSY;LCD_CW=0x01;void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)

16、for(y=110;y>0;y-);/*初始化DAC7611*/void init_da(void) LD=0; CS=1; CLK=1; SDI=0;/*時鐘脈沖子函數(shù)*/void clock(void) CLK=0; _nop_(); CLK=1; _nop_(); /*DAC7611轉(zhuǎn)換*/void DAC_7611(unsigned int vol) uint i;uint DaDate;DaDate=vol; LD=1; _nop_();CS=0; for(i=0;i<12;i+) SDI=DaDate&0x800; clock(); DaDate<<

17、=1; CLK=1; _nop_(); CS=1; _nop_(); LD=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();LD=1; void ICL_7135() /初始化子程序 TMOD=0xdd; TL1=0; TL0=0; TH1=0; TH0=0; IT1=1;IT0=1; EA=1;float dy(void) float out; while(BUSY0);while(!BUSY0);TR0=1;while(BUSY0);TR0=0; out=1.0*(TH0*256+TL0-10000); TL0=0;TH0=0;sprintf(buff0,&qu

18、ot;%6.3 fV",out/1000);print(2,4,buff0);if(out/1000)>=17.98)vol=0; DAC_7611(vol); da=(vol*4.096/4096)*1000; sprintf(buff3,"%5.3fA",da/1310); print(0,4,buff3); return out; void dl(void) float ICL7135_out;int count1;while(BUSY1);while(!BUSY1);TR1=1;while(BUSY1);TR1=0; count1=TH1*256+T

19、L1; ICL7135_out =1.0*(count1-10000); TL1=0;TH1=0;sprintf(buff1,"%6.4fA",ICL7135_out/19999 );print(1,4,buff1);void int0()interrupt 0 if(KEY_a=0xfe)vol=vol+20; if(KEY_a=0xfd) vol=vol-20; if(KEY_a=0xfb) vol=vol+201; if(KEY_a=0xf7) vol=vol-201; if(KEY_a=0xef) DAC_7611(0);n=dy()/1000;TR2=1;/if(KEY_a=0xdf) delay(100); if(KEY_b=0xef)vol=vol+1; if(KEY_b=0xdf) vol=vol-1; while(!(KEY_a=0xf