遼寧省電子設(shè)計(jì)大賽直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

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1、簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載13摘要本作品基于壓控恒流源設(shè)計(jì)，由電流控制模塊、控制器、鍵盤(pán)及顯示模塊、負(fù)載保護(hù)模塊、開(kāi)路檢測(cè)模塊等組成，具有很穩(wěn)定的恒流效果。將輸入信號(hào)降壓獲得輸出電壓。電流控制模塊由CMOS晶體管，通過(guò)對(duì)柵極電壓的控制，得到不同的電流值。本設(shè)計(jì)利用硬件反饋調(diào)節(jié)的方法，大量減少了控制器的運(yùn)算量和執(zhí)行效率，恒流效果較高。軟件調(diào)節(jié)利用C8051單片機(jī)進(jìn)行編程，有效提高恒流效果。關(guān)鍵詞：恒流源；C8051F020單片機(jī)；反饋;PID控制。13目錄摘要21系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與比較41.1電流恒定控制部分41.2輸出電流檢測(cè)部分51.3控制電路部分61.4過(guò)壓保護(hù)電路部分61.5電流

2、開(kāi)路檢測(cè)部分72理論分析與計(jì)算72.1電子負(fù)載及恒流電路分析72.2電壓、電流的測(cè)量及精度分析72.3電源負(fù)載調(diào)整率測(cè)試原理83電路與程序設(shè)計(jì)83.1系統(tǒng)框圖83.2電路設(shè)計(jì)83.3軟件設(shè)計(jì)94測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果104.1測(cè)試儀器104.2測(cè)試方法104.3測(cè)試數(shù)據(jù)104.4測(cè)試結(jié)果分析115結(jié)論116參考文獻(xiàn)11附錄12131系統(tǒng)及方案設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)總體方案框圖如圖，系統(tǒng)輸入在0—10v內(nèi)變化，通過(guò)電源輸出經(jīng)過(guò)負(fù)載得到電流。電流的恒定控制是利用控制器C8051F020的鍵盤(pán)輸入值，實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能。根據(jù)設(shè)定值，設(shè)定DAC輸出電壓值，通過(guò)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流控制。C8051

3、F020通過(guò)讀取采樣電阻返回的誤差的偏差值，來(lái)校正輸出電流。同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)空載檢測(cè)以及過(guò)壓保護(hù)功能。圖1系統(tǒng)總體方案圖1.2硬件電路方案1.2.1電流恒定控制部分方案一：采用純硬件方式控制設(shè)計(jì)電路，電壓、電流預(yù)設(shè)置通過(guò)調(diào)節(jié)電位器實(shí)現(xiàn)，電流、電壓取樣反饋值送入比較電路，實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流和恒阻的功能，電路相對(duì)比較復(fù)雜，且可實(shí)現(xiàn)的功能有限，在短時(shí)間內(nèi)制作會(huì)比較粗糙，工作量較大。13方案二：采用C8051F120單片機(jī)作為核心控制單元，內(nèi)部包含12位A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能，精確度高。通過(guò)軟件編程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流和電阻預(yù)設(shè)置、A/D采樣比較、D/A輸出、LCD顯示等功能。但調(diào)節(jié)

4、較麻煩，波動(dòng)大，且控制器工作量大，難控制。方案三：采用CMOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成壓控恒流源，但是反饋不只由控制器給出，還由硬件電路直接引出，系統(tǒng)框圖及原理如下，方案極大的減少了控制器的運(yùn)算量。而且相比以上兩種方案，本方案輸出電流更穩(wěn)定，而且控制更方便，因而電路的可靠性更高。故選方案三。其中驅(qū)動(dòng)運(yùn)放采用op07芯片。圖2電流恒定控制框圖圖3電流恒定控制電路原理圖恒定控制電路原理圖，由于AD輸出電壓帶負(fù)載能力較弱，所以電路第一級(jí)由LM358構(gòu)成電壓跟隨器，R11，R12構(gòu)成電阻分壓電路。第二級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管和OP07構(gòu)成源極跟隨器，其作用相當(dāng)于電壓跟隨器。總體作用是通過(guò)單片機(jī)輸出電壓控制

5、輸出電流，由2端反饋控制電流趨于恒定。1.2.2電流檢測(cè)部分方案一：采用兩運(yùn)放儀表放大器，電路如下。兩運(yùn)放儀表放大器價(jià)格低廉，并且在直流處擁有優(yōu)良的共模抑制比，但是由于輸入引腳的信號(hào)路徑不平衡（一個(gè)輸入直接進(jìn)入A2，一個(gè)進(jìn)過(guò)A1后才進(jìn)入A2），導(dǎo)致在頻率稍高時(shí)CMRR急劇惡化。13圖4儀表放大器電流檢測(cè)電路（雙運(yùn)放）方案二：采用儀表放大器AD620，將各種噪聲干擾抵消，同時(shí)利用精密電阻RS與負(fù)載RL串聯(lián)，將電阻RS兩端電壓進(jìn)行差分放大，最后由控制器的ADC對(duì)其進(jìn)行采樣。AD620具有高精度（最大非線性度為40ppm）和高共模抑制比（高達(dá)100dB），并且電路組成簡(jiǎn)單，所以

6、選用此方案。電流檢測(cè)被測(cè)電源設(shè)備DAAD620采樣電阻圖5AD620電流檢測(cè)框圖圖6AD620電流檢測(cè)電路原理圖13上圖為AD620電流檢測(cè)電路原理圖，R13為采樣電阻，其作用是把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，便于單片機(jī)采集。AD620為儀表放大器，它能使雙端信號(hào)變?yōu)閱味诵盘?hào)，單端輸出信號(hào)由AD采集進(jìn)入單片機(jī)。芯片上端電容起到濾出電源干擾信號(hào)的作用，使輸出電壓穩(wěn)定。1.2.3控制電路方案方案一：采用ATMEL公司的AT89S51單片機(jī)，在利用外圍ADC以及DAC完成系統(tǒng)反饋功能。AT89S51開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，初學(xué)者容易上手，但是自帶外圍模塊較少，需外接很多元器件。方案二：采用FPGA

7、，F(xiàn)PGA資源豐富，可實(shí)現(xiàn)靈活的編程控制。但是FPGA功耗較大，不適于開(kāi)發(fā)低功耗電源。方案三：采用C8051F020單片機(jī)，C8051F020單片機(jī)擁有功能全，內(nèi)存大等特點(diǎn)，而且內(nèi)部集成了ADC等眾多外圍器件，因此在性?xún)r(jià)比、速度方面很有優(yōu)勢(shì)。故選用方案三。1.2.4過(guò)壓電路保護(hù)本部分采用專(zhuān)用比較器LM311，對(duì)電源輸出進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。通過(guò)比較器對(duì)繼電器的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出的控制。發(fā)光二級(jí)管起到報(bào)警作用。發(fā)光二級(jí)管LM311比較器被測(cè)電源設(shè)備繼電器圖7過(guò)壓保護(hù)電路框圖13圖8過(guò)壓保護(hù)電路電路原理圖上圖為過(guò)壓保護(hù)電路電路原理圖，R