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直流电子负载设计报告.doc

发布时间：2022-06-25 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.20M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    直流电子负载设计报告
    三．芯片介绍
    3.1 HCPL-7805
    HCPL－ 7805 系列为 3 端正稳压电路,TO-220 封装，能提供多种固定的输出电压，应用范
    3.2 A/D转换器接口ADC0809
    七，结论小结
    参考文献
    直流电子负载设计报告 （侯进 高业林 伍贯礼） 指导老师 周晓波 王森 摘要：本文论述了直流电子负载的设计思路和过程。本电子负载采用 AT89S51 单片 机作为系统的控制芯片，可实现以下功能：电子负载有恒流和恒压两种模式，可手动切换。 恒流方式时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 值可设定。工作于恒压模式时，电子负载端电压保持恒定，且可设定，流入电子负载的电流 随被测直流电源的电压变化而变化。AD 模块接受电路电压和电流模拟信号，转化为数字信 号，经液晶模块同步显示电压和电流。包括控制电路(MCU)、驱动隔离电路(PWM 波)、 主电路、采样电路、显示电路、基准电路等；能够检测被测电源的电流值、电压 值；各个参数都能直观的在数码管上显示。 关键词：电子负载；单片机（MCU）；模数（A/D）.PWM. 一，引言 在电路中，负载是指用来吸收电源供应器输出的电能量的装置，它将电源供应器输出的电能 量吸收并转化为其他形式的能量储存或消耗掉。如电炉子将电能转化为热能；电灯将电能转 化为光能；蓄电池将电能转化为化学能；电机将电能转化为动能。这些都是负载的真实表现 形式。负载的种类繁多，但根据其在电路中表现的特性可分为阻性负载、容性负载、感性负 载和混合性负载。在实验室，我们通常采用电阻、电容、电感等或它们的串并联组合，作为 负载模拟真实的负载情况。进行电源设备的性能实验。电子负载是利用电子元件吸收电能并 将其消耗的一 种 负 载 。 电 子 元 件 一 般 为 功 率 场 效 应 管（Power MOS）、绝 缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率半导体器件。由于采用了功率半导体器件替代电阻等作 为电能消耗的载体，使得负载的调节和控制易于实现，能达到很高的调节精度和稳定性。同 时通过灵活多样的调节和控制方法，不仅可以模拟实际的负载情况，还可以模拟一些特殊的 负载波形曲线，测试电源设备的动态和瞬态特性。这是电阻等负载形式所无法实现的。 二，总体方案论证与设计 电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。设计和制作一台电子负载，有 恒流和和恒压两种模式，可手动切换。恒流方式时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，且电流值可设定。工作于恒压模式时，电子负载端电压保持恒 定，且可设定，流入电子负载的电流随被测直流电源的电压变化而变化。外接 12V 稳压电 路。 要求： （1）负载工作模式：恒压（CV）、恒流（CC)两种模式可选择。 （2）电压设置及读出范围：1.00V~20.0V。 （3）电流设置及读出范围：100mA~3.00A。 （4）显示分辨能力及误差：至少具有 3 位数，相对误差小于 5%。
    恒流模块和恒压模块共用一个基准电压 12v，并且通过开关实现两种模式的转换，用 A/D 转换器把电路中的电压电流的模拟信号转换为数字信号，然后通过单片机来程控从而重 置电压电流，用数码管液晶显示同时呈现即时电压电流。原理图如下所示。 显 示 按键输入 单 片 机 A/D 转 换 PWM 控制 电流检测 电压检测 功率控制 2.1 参数设计方案 方案一：通过手动调节滑动变阻器来调节恒流源和恒压源两种模式下的电压，其缺点是调节 耗时费力，准确度不高。但操作简单易懂。 方案二：利用 A/D 转换把模拟信号转换为数字信号，在利用单片机程控来修改电压电流参数， 此方案精确度高，操作技术要求很高，节省时间。 2.2 恒流恒压设计方案 方案一： 1 定电流模式（CC mode） 方案一：在定电流工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的电流值而保持恒定， 与输入电压大小无关，即负载电流保持摄定值不变。 这个图是一个最常用的恒流电路，这样的电路更容易获得稳定及精确的电流值，R3 为取样
    电阻,VREF 是给定信号，电路工作原理是：当给定一个信号时 VREF，如果 R3 上的电压 小于 VREF，也就是 OP07 的-IN 小于+IN，OP07 加输出大，使 MOS 加大导通使 R3 的 电流加大。如果 R3 上的电压大于 VREF 时，-IN 大于+IN，OP07 减小输出，也就降了 R3 上的电流，这样电路最终维持在恒定的给值上，也就实现了恒流工作。如给定 VREF 为 10mV，R3 为 0.01 欧时电路恒流为 1A，改变 VREF 可改变恒流值，VREF 可用电位调 节输入或用 DAC 芯片由 MCU 控制输入，采用电位器可手动调节输出电流。如采用 DAC 输入可实现数控恒流电子负载。恒阻功能，在有些数控电子负载中并不设计专用电路，而是 在恒流电路的基础上通过 MCU 检测到的输入电压来计算电流，达到恒阻功能的目的，比 如要恒定电阻为 10 欧时，MCU 检测到输入电压为 20V，那么会控制输出电流为 2A，但 这种方法响应较慢，只适用于输入变化较慢，且要求不高的场合。专业的恒阻电子负载都是 由硬件实现的。 2 定电阻模式（CR mode） 在定电阻工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定负载电阻和输入电压的大小而 定，此时负载电流与输入电压呈正比例，比值即是所设定的负载电阻，即负载电阻保持设定 值不变。 恒阻功能，在有些数控电子负载中并不设计专用电路，而是在恒流电路的基础上通过 MCU 检测到的输入电压来计算电流，达到恒阻功能的目的，比如要恒定电阻为 10 欧时，MCU 检 测到输入电压为 20V，那么会控制输出电流为 2A，但这种方法响应较慢，只适用于输入变 化较慢，且要求不高的场合。专业的恒阻电子负载都是由硬件实现的。 3 定电压模式（CV mode） 在定电压工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的负载电压而定，此时负载电 流将会增加直到负载电压等于设定值为止，即负载电压保持设定值不变。
    图中 MOS 管上的电压经 R3 与 R2 分压后送入运放 IN+与给定值进行比较，如图所示， 当电位器在 10%时 IN-为 1V，那么 MOS 管上的电压应为 2V。 方案二： 基本电路为除虚线框⑤ 和两个万用表以外的部分，由恒压电路、恒流电路、过流保护电路、 驱动电路组成。V =12V 输入电压，经过限流电阻 R1 到三端可调分流基准源 U1(TL431)的阴 极 K 后，由参考端 R 得到输出基准电压 VR 为 2.5V，经电阻 R1 到调整滑动变阻器 R6，一 路经电阻 R2 为 U3A 提供电压，另一路经电阻 R7 为 U3C 提供电压。与方案一的区别是用 开关可以切换恒流源和恒压源，并且两种模式共用一个场效应管，方案二还多了一个过流保 护模块，故我们选择方案二进行设计。
    2.3 功率控制方案选择： 方案一：另一种功率控制方案是:恒压源和恒流源分开使用两个场效应管。 方案二：一种功率控制方案是:恒压源和恒流源共用同一个场效应管。经比较，故选方案二 进行实验设计。 2.4 显示方案选择： 方案一：电压和电流的显示可以用数码管，但数码管的只能显示简单的数字，其电路复杂， 占用资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。 方案二：使用功能更好的液晶显示，增加显示信息的可读性，看起来更方便。而 JM1602C 字符点阵液晶模块 有明显的优点：微功耗，尺寸小，超薄轻巧，显示信息量大，字迹美观， 视觉舒适，而且容易控制。经比较，故选用方案二进行设计。 三．芯片介绍 3.1 HCPL-7805 HCPL－ 7805 系列为 3 端正稳压电路,TO-220 封装，能提供多种固定的输出电压，应用范 围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达 1A。虽然是固定稳压 电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。 主要特点：输出电流可达 1A;输出电压有：5V;过热保护;短路保护;输出晶体管 SOA 保 护。 图 3-1 HCPL7805
    图 3-2 电源原理图 3.2 A/D 转换器接口 ADC0809 ⑴性能特点 ADC0809 是一种 8 路模拟输入的 8 位逐次逼近式 A/D 转换器，为 CMOS 型单芯片器件。 其内部除 8 位 A/D 转换电路外，还有一个 8 路模拟开关，其作用可根据地址译码信号来选择 8 路模拟输入而共用一个 A/D 转换器。 转换结果通过三态输出锁存器输出，因此可以直接与系统数据总线相连。 ⑵封装及管脚功能介绍 ADC0809 芯片为 28 引脚，双列直插式封装，其引脚排列图如图示。 图 3-3 ADC0809 引脚图 ADC0809 各引脚功能如下： IN0～IN7 八路模拟量输入端。 D0～D7 为 8 位数字量输出端。 START 为启动信号输人端，高电平有效。在该信号的上升沿清除 ADC 内的寄存器，在下降沿 启动转换。
    ALE 为地址锁存控制信号，由低电平至高电平的正跳变将通道地址锁存至地址锁存器。通常 把 START 和 ALE 连接在一起，通过程序输入一个正脉冲启动 A/D 转换。 EOC 为转换结束信号，转换结束为高电平，可作中断请求信号。 OE 为输出允许控制，当 OE 有效时，可把内部转换的数据送往数据总线。 ⑶ADC0809 与 AT89S51 接口设计如图所示。 图 3-4 AT89S51 与 ADC0809 连接 四．总体电路介绍： 直流电子负载的工作模式直流电子负载最基本的工作模式是定电流模式和定电阻模 式。
    4.1 硬件电路实现 （1）恒压电路 如图 4-1 虚线框①所示。当负载端输入电压增大时，U3A 同相输入端电压增大。当同相 输人端电压大于反相输入端电压(基准电压)时，U3A 输出高电平，在场效应管 Q1、Q2、Q3、 Q4 的栅极 G 电压 VG 上产生压降，使得漏极 D 和源极 S 之间的电压 VDS 减小，从而达到 恒压的目的。 （2）.恒流电路 如图 4-1 虚线框②所示。当负载电流增大时，R19、R22、R25、R28 上的电压增大。即 R18、R21、R24、R27 上的取样电压增大，也即是 U3C 反相输入端电压增大，当 U3C 反相
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