簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載

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1、簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載張良毛偉周旭摘要：本設(shè)計(jì)是以場(chǎng)效應(yīng)晶體管電壓轉(zhuǎn)換電流原理為核心，以硬件反饋實(shí)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(jì)為恒流源法直流電子負(fù)載。本系統(tǒng)中電壓和電流的測(cè)量都采用高精度運(yùn)放對(duì)電壓和電流分別采樣處理，再利用12位高精度ICL7135輸入口進(jìn)行電壓和電流檢測(cè)和監(jiān)控。硬件電路恒流部分的控制端采用多個(gè)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(shí)時(shí)顯示電壓電流，電流范圍為100mA—1000mA，步進(jìn)為10mA，且分辨率達(dá)到1mA（V）。直流負(fù)載熱穩(wěn)定

2、性高，工作過(guò)程中基本不會(huì)因發(fā)熱而產(chǎn)生偏差，且可以持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。本設(shè)計(jì)具有過(guò)壓保護(hù)功能，成本低廉，可靠性高。關(guān)鍵字：場(chǎng)效應(yīng)管；采樣；閉環(huán)反饋；過(guò)壓保護(hù)-16-一、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(guò)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(guò)場(chǎng)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(huì)流入負(fù)載，對(duì)電流的恒流造成誤差；方案二中的場(chǎng)效應(yīng)

3、管能夠?qū)崿F(xiàn)電流要求，且輸入級(jí)沒(méi)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。方案二：在功耗元件上端串聯(lián)一個(gè)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(guò)運(yùn)放后對(duì)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

4、電阻，晶體管只為開(kāi)關(guān)使用，開(kāi)關(guān)上消耗功率低。方案選擇：方案一中對(duì)功率管的熱消耗巨大，對(duì)功率管的散熱具有非常高的要求，且發(fā)熱會(huì)對(duì)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(duì)電流影響較小，因此選擇方案二。4、輸出電壓采集方案方案一：對(duì)功耗元件上電壓采集得到電源輸出電壓。方案二：對(duì)整個(gè)電流支流的電壓進(jìn)行采集,即對(duì)整個(gè)輸出電壓采集。方案選擇：方案一是對(duì)功耗元件電壓的準(zhǔn)確測(cè)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(duì)整體輸出電壓的采樣，能準(zhǔn)確測(cè)量電源輸出電

5、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(jì)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(cè)核心，實(shí)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(diǎn)陣式液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示輸出電壓-16-值和電流值；輸出電流控制采用TI芯片DAC7611輸出模擬量來(lái)控制OP07；電流測(cè)量采用基本沒(méi)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(cè)和監(jiān)控。硬件電路恒流部分的控制端采用多個(gè)精密運(yùn)算放大器OP07接成閉環(huán)反饋控制形式，受控

6、部分采用IRF540場(chǎng)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(jí)電容濾除紋波干擾；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(bào)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(duì)控制信號(hào)和反饋信號(hào)取差，差信號(hào)控制功率管。2、測(cè)量模塊：采用12位AD轉(zhuǎn)換芯片對(duì)電壓電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。3、過(guò)壓保護(hù)模塊：采用軟件保護(hù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)輸出電壓達(dá)到18V時(shí)，送一高電平給I/O，單片機(jī)監(jiān)測(cè)到高電平時(shí)DA停止工作。4、功耗模塊：用四個(gè)30歐姆水泥

7、功率電阻做功耗原件。從而整體實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的功能。-16-1、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恒流原理一、理論分析與計(jì)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(shí)現(xiàn)了電子負(fù)載的功能。恒流電路的實(shí)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，采取的電壓和控制電壓取差后控制晶

8、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(shí)現(xiàn)恒流。2、電壓、電流的測(cè)量及精度分析電壓、電流的測(cè)量都是通過(guò)對(duì)電壓、電流取樣，得到的電壓值經(jīng)過(guò)精密運(yùn)放OP07處理，得到0-2V信號(hào)，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(cè)試原理如圖3-2所示：電