2012 年 15 省市 TI 杯大学生电子设计竞赛四川赛区一等奖 简易直流电子负载 成都理工大学 廖斌 黄河 周刚 本数控直流电子负载系统主要由恒流源控制电路、高精度A/D转换电路和单 片机控制部分组成。恒流源控制电路由硬件闭环稳流电路实现输出电流的稳定控 制。A/D转换电路使用24位模数转换芯片ADS1256，实现了高精度的电压和电流 测量，单片机则以MSP430单片机为控制核心，结合键盘和LCD实现系统的控制和 显示功能。 一．方案论证与比较 1．电子负载方案： 方案一：新型反馈式智能电子负载，它是一种用于各种交直流电源间电气隔离可调节的 装置，同时能够将直流电逆变为交流电并入电网，实现电能的再生利用。因为题目仅要求工 作于直流状态，故此方案过于繁复。 方案二：传统型模拟负载—电子负载，此方案以单片机为核心，把电能转化为热能，通 过 VMOS 管消耗电能。操作时只需程序控制，就能实现恒流、恒压、恒功率和恒阻等模式。 恒流模式可通过设定电流值来调整 DAC 输出；恒压模式可利用软件闭环，通过比较电压采 样值与设定值的大小不断调整 DAC，以使输出电压值与设定电压值相等；恒功率模式可将设 定功率除以电压采样值得到电流值来调整 DAC 输出；恒阻模式可将电压采样值除以设定电 阻得到电流值来调整 DAC 输出。本设计采用此方案。 2．恒流源电路方案 方案一：采用软件闭环控制方式。键盘预置电流值，DAC 将其转换为电压信号从而控制 输出电流。采样电路将实际输出的电流值转换为相应电压值经过 ADC 转换送回单片机，与 预置电流值进行比较并通过适当的算法，调整输出电流值使其与设定电流值相等，从而构成 软件闭环控制系统。当电压、电流测量精度很高时，可以达到精密控制，但其反应速度慢。 方案二：采用硬件闭环控制方式。典型电路如图 1 所示，根据集成运放的虚短概念，可 得到：I Vin/R1。式中 I 为负载电流，R1 为取样电阻，Vin 为运算放大器同相端输入信号。 若 R1 固定，则 I 完全由 Vin 决定，此时无论 Vcc 或是 RL 发生变化，利用反馈环的自动调 节作用，都能使 I 迅速保持稳定。此方案电路简单、反应速度快，故本设计采用此方案。 图 1 硬件闭环稳流电路 T R L R 1 2 3 4 1 1 1 A V C C V + G N D V - V i n 

二．硬件及单元电路设计 1．电子负载及恒流电路部分： 电路设计如图 2 所示，主要由四个小阻值、大功率的电流采样电阻，控制运放 OPA2134， VMOS 大功率管，电压采样电路及开路设置电路等几部分组成。DAC 输出先经运放放大 2 倍， 然后输入到 U2A 的同相端，而电流采样电压经 40 倍放大后连接到 U2A 的反相端。根据运放 虚短的概念，当我们设定 DAC 输出 2V 时，U2A 的同相端与反相端相等都为 4V，则采样电 阻上的电压为 0.1V，电流为 1000mA。即 I(mA)=Vdac(V)*500。 图 2 恒流源电路图 为避免采样电阻通过大电流时发热引起阻值变化影响输出电流，本电路将 4 个 0.1Ω/10W 的电阻两两并联后再串联接入电路，如此可提高电源输出电流稳定性。 被测电源电压经 10 倍衰减后送入 ADC。即当被测电压为 20V 时 ADC 的输入为 2V。电流 采样电压为 2V 时对应电流为 1000mA。 当需要将电路设置为开路时，只需给继电器控制端送入低电平，那么整个电路便处于截 止状态，平时保持继电器控制端为高电平。 2. 高精度模数转换部分： 本电路采用 24 位模数转换器 ADS1256，进一步提高了电压、电流的测量精度。如图 3 所示，由 AD580、LM833 组成产生正负 5V 的精密供电电源。AD580 产生高精度 2.5V 的基准 电源，分别经 LM833 同相与反相放大 2 倍得到-5V 与+5V 的电压。信号输入端接入截至频率 为 10HZ 的抗混叠滤波器（图 4），以减少噪声的干扰。ADS1256 采用其典型接法（图 5），基 准电压由 AD580 提供，电压采样信号与电流采样信号分别送入 ADS1256 的两个通道。 

图 3 精密电源电路 图 4 抗混叠滤波器 图 5 ADS1256 电路 3. 电源负载调整率的测试原理 负载调整率的测量电路如图 6，负载调整率是指直流稳压电源输出电流从零至额定值变 化时引起电子负载两端电压的变化率，为测量方便，可以在被测电源的输出端串接一个电阻 Rw，更换不同阻值的 Rw，可以改变被测直流稳压电源的负载调整率。即当直流稳压输出电 压不变，负载从零变化到额定值时，电子负载两端电压的变化，通常用百分比表示。 *100% 其中 V1 为电子负载两端电压的开路值，V2 为 1A 时的电压，额定电压题目指定为 10V. 

图 6 负载调整率测试示意图 4．单片机控制及显示模块 本系统采用 TI 公司的 MSP430F2619 单片机，DAC 利用其自带的 DAC12。LCD 选用海比 邻公司的串行 HB240128 液晶，它可以自带键盘，方便简单。 如图 7 单片机小系统板电路图： 图 7 单片机小系统板电路 四．软件程序设计 本系统软件的主要任务是利用 ADS1256 根据采集通道的不同换算成 100mA～1000mA 或 0～18V 显示，并且能根据用户操作使 DAC12 产生 0～2V 的电压，其中按键全部采用中断查 询的方式。 软件流程如图 8 所示： 

图 8 程序流程图 结束语：经实际测试本系统全部完成了基本和发挥部分的要求，还增加了恒压、恒阻和恒 功率等工作模式，并加入了掉电参数保持，软启动，电流扫描等功能。 图 9 作品外形图