毕业设计（论文）-基于单片机的电子负载的恒流控制设计与实现.doc

东华理工大学毕业设计（论文） 摘 要 摘 要 电子负载的原理是控制内功率 mosfet 或晶体管的导通量，靠功率管的耗散功率 消耗电能的设备，它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻、恒功率这几种。 本设计从直流电子负载系统方案分析入手，详细讨论了整个系统的硬件电路和 软件实现，并给出较为合理的解决方案。为便于控制的实现和功能的扩展，采用了 stc89c52 单片机作为核心控制器，设计了 da 输出控制电路、ad 电压电流检测电路、 键盘电路、显示电路和驱动电路，通过软、硬件的协调配合，实现了整个设计。通 过运放、pi 调节器及负反馈控制环路来控制 mosfet 的栅极电压，从而达到其内阻 变化。这个控制环路是整个电路的核心实质，mos 管在这里既作为电流的控制器件 同时也作为被测电源的负载。控制 mos 管的导通量，其内阻发生相应的变化，从而 达到流过该电子负载的电流恒定，实现恒流工作模式。 本设计能实现电子负载的恒流控制：能够检测被测电源的电流、电压及功率并 由液晶显示。在额定使用环境下,恒流方式时不论输入电压如何变化（在一定范围内） ，电子负载将根据设定值来吸收电流，流过该电子负载的电流恒定。 关键词关键词：电子负载； 恒流模式； pi 调节器； ad 转换； da 转换 东华理工大学毕业论文（论文） abstract abstract the principle of electronic load is control of transistors inside power mosfet or the guide flux of power tube, it is a consumption power equipment which depends on the dissipation power of tube, there are four basic working ways that persistence pressure, constant current, the constant resistance, constant power . this design start with the analysis of dc electric load system solutions, it discussed the realization of the whole system hardware circuit and software in detail, and give a reasonable solution. in order to realize the control and the expansion of function conveniently, we adopted the stc89c52 microcontroller as the core controller, and designed the da output control circuit, ad voltage current detection circuit, keyboard circuit, display circuit and drive circuit, through the coordination between hardware and software, finally, we realized the whole design. pi adjuster and negative feedback control loop of the circuit which control the grid voltage of mosfet, so as to change its resistance. the core essences are the op-amp, mos tube here both as a control device and as a power load tested. controlling the guide flux of the mos tube, the resistance of the mos tube will change accordingly, thus the current which flows the electronic load current will constant, at last, we realized constant current work pattern. this design can realize the constant-current control of the electronic load: it can measured the current, voltage and power of measured power and the lcd display. if it use situations in rated, no matter how the input voltage change in the constant-current mode (within a certain range), the electronic load will be based on setting to absorb the current, the current which flows the electronic load will constant. key words: electronic load; constant-current pattern; pi adjuster; ad transform; da conversion 东华理工大学毕业设计（论文） 目 录 目目 录录 绪 论1 第一章 电子负载系统设计方案2 1.1 电子负载工作原理.2 1.2 系统设计要求.3 1.3系统总体设计方案论证.3 1.4系统具体设计方案.5 第二章 电子负载硬件系统设计6 2.1 核心处理器的设计 .6 2.2 显示模块的设计 .7 2.3 键盘模块 .8 2.4 d/a 转换模块的选择.10 2.5 采样电路模块 11 2.5.1 电压采样电路 12 2.5.2 电流采样电路 12 2.5.3 输入的模拟量采样 13 2.6 电流取样 pi 控制器等组成的负反馈控制模块 .14 2.7 pi 调节器15 2.8 功率电路模块 17 2.8.1 电子模拟负载方式的选择 17 2.8.2 功率耗散 mos 管的选型 17 2.9 电源电路的设计 19 第三章 电子负载软件系统设计.21 3.1 电压电流 a/d 采样程序设计 22 3.2 液晶显示子程序 22 3.3 d/a 转化程序.23 3.4 键盘识别处理程序设计 24 第四章 系统调试.25 4.1 硬件调试 25 4.2软件调试26 4.3 软硬件综合调试 26 第五章 结论.27 致 谢.28 参考文献.29 附录一 整体电路原理图 .30 附录二 电子负载设计程序 .31 东华理工大学毕业设计（论文） 绪 论 1 绪 论 在人们生活的多个领域都要用到负载测试，如充电电源试验、蓄电池放电试验 以及购买电池、电源时等都需要负载测试。当前，国内外对上述产品的试验一般都 采用传统的静态负载(如电阻、电阻箱、滑线变阻器等)能耗放电的办法进行。 随着电力电子技术的、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，为电源检测技 术带来了革命性的变化。由于铁道电气化供电、电气牵引、信号控制 、无线通信、 计算机指挥调度中心及家庭日常生活等应用领域都在大量应用各种各样的电源，因 此人们对电子负载的需求越来越多，对其性能要求也越来越高。而传统的电源检测 技术面临着极大的挑战。为准确检测电源的可靠性和带载能力，因此把电力电子技 术和微机控制技术有机地结合起来，实现电源的可靠检测。 从电源类型来看，电子负载可分为直流电子负载和交流电子负载两种。直流电 子负载比起交流电子负载，应用的历史较长，范围更广。最初在实验室，利用电力 电子器件的特性，通过分析等值电路，用电力电子元件搭建电子电路来模拟负载， 可以实现定电阻、定电压等特性。随后又有工作人员将单片机技术应用到电子负载 中，逐步可实现定电流模式和可编程斜率模式。单片机技术与变换器电路的密切结 合还使得电子负载可以工作在其它多种模式下:定功率模式、动态电阻模式、短路模 式等。 随着功率场效应晶体管 (mosfet)，绝缘栅双极型晶体管(igbt)和场效应晶闸管 (mct)等主要开关器件的出现以及电力电子变换器拓扑的发展，由于变换器能更好的 将一种电能变为另一种或多种形式的电能，交流电子负载也得到了实现。交流电子 负载是可以模拟传统真实阻抗负载的电力电子装置，它能模拟一个固定或变化的负 载，甚至将试验的电能反馈回电网，其设计初衷是交流电源出厂试验。交流电源出 厂试验通常采用电阻箱耗能的办法，它存在调节不便、自动化程度低、耗电量大等 缺点，而采用交流电子负载进行试验可有效克服这些缺点，它可使试验更加简单、 灵活，且大大降低试验的成本。 电子负载可以模拟真实环境中的负载（用电器） 。它有恒流、恒阻、恒压和恒功 率功能，以及短路，过流，动态等等，应该说所有的电源厂家都会有用，而且也必 须有。电子负载分为直流电子负载和交流电子负载，由于电子负载的应用方面问题， 直流电子负载应用比较广泛，本文主要介绍直流电子负载。 电子负载与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、体积小、重量轻、成本低、 效率高等优点，由于电子负载所具有的性能特点和优点，电子负载被越来越多地应 用到各种试验场合。因此，电子负载的研究具有广阔的市场和广泛的应用前景。 东华理工大学毕业设计（论文） 第一章 电子负载系统设计方案 2 第一章 电子负载系统设计方案 1.1 电子负载工作原理 电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。电子负载的原理是控 制内功率 mosfet 或晶体管的导通量（占空比） ，靠功率管的耗散功率消耗电能的设 备，它能够准确检测出负载电压,精确调整负载电流,同时可以实现模拟负载短路,模 拟负载是感性阻性和容性,容性负载电流上升时间。它的基本工作方式有恒压、恒流、 恒阻、恒功率这几种。 （1）恒定电流方式 在定电流模式中,在额定使用环境下, 不论输入电压大小如何变化, 电子负载将 根据设定值来吸收电流。 若被测电压在510v变化，设定电流为100ma，则当调节被测电压值时，负载上 的电流值应维持在100ma不变, 而此时负载值是可变的。定电流模式能用于测试电压 源及ad/ dc电源的负载调整率。负载调整率是电源在负载变动情况下能够提供稳定 的输出电压的能力, 是电源输出电压偏差率的百分比。 （2）恒定电阻方式 此种状态下，负载如纯电阻，吸收与电压成线性正比的电流。此方式适用于测 试电压源，电流源的启动与限流特性。 在定电阻模式中, 电子负载将吸收与输入电压成线性的负载电流。若负载设定 为1 k, 当输入电压在110 v 变化时, 电流变化则为10100 ma 。 （3）恒定电压方式 在定电压方式下电子负载将吸收足够的电流来控制电压达到设计值。定电压模 式能被使用于测试电源的限流特性。另外, 负载可以模拟电池的端电压, 故也可以 使用于测试电池充电器。 （4）恒定功率方式 在定功率工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的功率大小而定， 东华理工大学毕业论文（论文） 第一章 电子负载系统设计方案 3 此时负载电流与输入电压的乘积等于负载功率设定值，即负载功率保持设定值不变。 本电子负载机实现了在恒流模式下一定范围内的正常工作，pi 调节器的基准电 压由单片机 d/a 转换输出。用 a/d 转换器与单片机连接把电路中电压电流的模拟信 号转换为数字信号，然后用液晶显示方式显示出即时的电压电流。 1.2 系统设计要求 根据电子负载的原理，设计出实现恒流模式下的电子负载：能够检测被测电压 型电源的电流、电压及功率并由液晶显示。在额定使用环境下,恒流方式为不论输入 电压如何变化（在一定范围内） ，电子负载将根据设定值来吸收电流，流过该电子负 载的电流恒定。 设计出最大功率为 100w，电流 o 一 20a，电压 o 一 50v 的直流电子负载。 1.3系统总体设计方案论证 根据系统的设计要求，得出以下三种方案： 方案一：如图 1-1 所示，运用传统的电子负载设计方式，通过比较器的比较结 果及反馈来控制 mosfet 的栅极电压，从而达到其内阻变化的目的。 方案二：如图 1-2 所示，采用了单片机作为核心控制器，设计了 ad 电压电流检 测电路、键盘电路、液晶显示电路和驱动电路，atmegal6 单片机为核心处理器。键 盘、串口通讯和 lcd 实现人机交互，mos 管电路为电子负载主电路。单片机输出一 定占空比的 pwm 控制信号，控制功率电路 mos 管的导通和关断时间，来获得实际所 需的工作电流、电压。电路中的检测电路为电压、电流负反馈回路，通过 a/d 采集 到单片机，与预置值进行比较，作为单片机进一步调节 pwm 占空比的依据。 东华理工大学毕业论文（论文） 第一章 电子负载系统设计方案 4 图 1-1 传统的电子负载设计 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 图 1-2 方案二系统设计模块 方案三：为便于控制的实现和功能的扩展，如图 1-3 所示为新型电子负载设计 系统模块框图。采用了 stc89c52 单片机作为核心控制器，设计了 da 输出控制电路、 ad 电压电流检测电路、键盘电路、液晶显示电路和驱动电路，通过软、硬件的协调 配合，实现了整个设计。通过运放、pi 调节器及负反馈控制环路，是整个电路的核 心实质，来控制 mosfet 的栅极电压，从而达到其内阻变化。mos 管在这里既作为电 流的控制器件同时也作为被测电源的负载，通过 pi 调节器控制 mos 管的导通量，从 而达到流过该电子负载的电流恒定，实现恒流工作模式。 stc89c52 单 片 机 lcd显示 键 盘 d/a转化pi调节器mos管 被测 电源 电流检测a/d转化 电压检测a/d转化 verf r r uf r 图 1-3 方案三系统模块框图 东华理工大学毕业论文（论文） 第一章 电子负载系统设计方案 5 经过比较，传统的设计方案主要靠硬件实现，成本较高。而且采用运放进行比 较控制 mos 管只有通和断两种情况，不能实现逐渐改变 mos 管导通角的变化，不易 控制。方案二通过单片机输出一定占空比的 pwm 控制信号，控制 mos 管的导通和关 断时间，来获得实际所需的工作电流、电压。这对于占空比的细调节不易控制，误 差较大。方案三采用通过软、硬件的协调配合，实现了整个设计。通过运放、pi 调 节器及负反馈控制环路，能够较精确的控制 mos 管的导通量，实现无静差的调节。 故整个设计采用方案三。 1.4 系统具体设计方案 电子负载系统由软、硬件共同组成。考虑到价格、工作速度、开发成本和可靠 性等因素，合理地分配了硬件和软件资源，对于某些既可用硬件实现，又可用软件 实现的功能，在进行设计时，充分考虑了硬件和软件的特点，高效地分配其资源， 协调其功能。 电子负载系统的硬件部分包括以下部分： （1） 单片机的选择与 i/o 的分配 （2） 液晶显示模块 （3） 键盘模块 （4） d/a 转换模块 （5） a/d 转换电压电流采样模块 （6） 电流取样 pi 控制器等组成的负反馈控制模块 （7） 电源电路模块 电子负载系统的控制程序，包括以下部分: (l)人一机联系程序。包括按键信息输入程序和液晶显示输出程序等。 (2)数据采集和处理程序。主要是 d/a 转换程序、a/d 转换程序、电压电流采样 程序。 本制作的电子负载，主要实现其恒流工作模式，如图 1-3 所示为方案三系统模 块框图。电路的核心实质是一个电流取样 pi 控制器负反馈控制环路，mos 管在这里 既作为电流的控制器件同时也作为被测电源的负载。pi 控制器控制 mos 管的导通量 变化与截止，从而达到保持电流恒定的目的。控制部分采用 stc89c52 单片机来完成， 设定值通过键盘输入送往单片机，再通过 da 输出电路产生基准电压送往 pi 控制器 与实际电压相比较，基准电压与实际电压相比较的偏差控制 mos 管的导通量变化与 截止，从而达到保持电流恒定的目的。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，通过单片机来控制转化，然后用液晶显示显示出即时的电压电 流。 东华理工大学毕业论文（论文） 第一章 电子负载系统设计方案 6 东华理工大学毕业设计（论文） 第二章 电子负载硬件系统设计 6 第二章 电子负载硬件系统设计 2.1 核心处理器的设计 核心处理器负责控制与协调其他各个模块工作，并进行简单的数字信号处理。 在整个电子负载系统中，主控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统 效率的高低以及系统运行的稳定性。设计过程中用单片机作为主控制器。 方案一：采用 atmel 公司的 at89c51,51 单片机价格便宜，应用广泛，实现较 为复杂。但烧程序就不方便。 方案二：stc89c51 与 at89c51 基本性能相同，但 stc89c51 rmb 较多,8k flash,串 口可以直接烧程序，可以和 keil 直连。 本设计采用 keil 软件实现其软件部分的设计，故选择方案二。 ea /vpp 31 xtal1 19 xtal2 18 rs t 9 p3.7(rd ) 17 p3.6(wr ) 16 p3.2(in t0) 12 p3.3(in t1) 13 p3.4(t0) 14 p3.5(t1) 15 p1.0(t2) 1 p1.1(t2ex) 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 (a d0)p0.0 39 (a d1)p0.1 38 (a d2)p0.2 37 (a d3)p0.3 36 (a d4)p0.4 35 (a d5)p0.5 34 (a d6)p0.6 33 (a d7)p0.7 32 (a 8)p2.0 21 (a 9)p2.1 22 (a 10)p2.2 23 (a 11)p2.3 24 (a 12)p2.4 25 (a 13)p2.5 26 (a 14)p2.6 27 (a 15)p2.7 28 ps en 29 ale/pr og 30 (tx d)p3.1 11 (rx d)p3.0 10 gn d 20 vc c 40 u1 s17 12 y1 r9 10k r10 1k c1 10uf c3 30p c4 30p vc c rst rs t p2.5 vc c p0.3 p0.2 p0.1 p0.0 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 gn d vc c p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 p3.2 p3.3 p3.4 p3.5 p3.6 p3.7 p2.0 p2.1 p2.2 p2.3 p2.4 1 2 3 4 5 6 7 8 jp2 vc c vc c gn d 参参 参参参参 图 2-1 stc89c52 单片机与液晶显示模块连接电路 表 2-1 单片机 i/o 口分配 i/o 口应用i/o 口应用 p0.0-p0.744 矩阵键盘输入p2.2p2.7 a/d 采样输入 p1.0p1.3 d/a 转换输出 xtal1-xtal2 时钟输入 p1.0p1.4 液晶显示模块 reset 单片机复位信号 东华理工大学毕业论文（论文） 第二章 电子负载硬件系统设计 7 单片机总控制电路如图 2-1 所示：stc89c52 单片机在系统中主要实现以下功能: 设定值通过 d/a 转换输出基准电压；实际工作电压、电流 a/d 采样；lcd 显示；键 盘输入等。表 2-1 为电子负载系统中 stc89c52 的 i/o 口分配连接情况。 2.2 显示模块的设计 方案一：采用数码管显示。数码管具有接线简单、成本低廉、配置简单灵活、 编程容易、对外界环境要求较低、易于维护等特点。电压和电流的显示可以用数码 管，但数码管显示的信息量有限，只能显示简单的数字，其电路复杂，占用的系统 i/o 资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。 方案二：考虑到本系统中显示的内容以及系统的实用性，采用液晶显示（lcd） 。 液晶显示具有功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害、平面直角显示以及影响稳定 不闪烁、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等优点。点阵式 lcd 不仅可以显示 字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动、 动画、闪烁、文本特征显示等功能。 本次设计中要测量实际的电压电流值，采用的是 nokia 5110 液晶显示模块可以 显示出电压电流等汉字，一面了然、外观比较好看。而且液晶显示功耗低、体积小、 质量轻、无辐射危害，与单片机连接较简单。故经过比较选择方案二 nokia 5110 液晶显示特点： （1) 性价比高，可以显示 15 个汉字、30 个字符，价格相对便宜； （2) 接口简单，仅四根 i/o 线即可驱动； （3) 速度快，是 lcd12864 的 20 倍，是 lcd1602 的 40 倍； （4) nokia5110 工作电压 2.3v，正常显示时工作电流 200ua 以下，具有掉电模式， 适合电池供电的便携式移动设备。 lcd液晶显示stc89c52 spi时钟生成器 mosi mosi 图 2-2 单片机与 lcd 通信 如图 2-1 所示为 stc89c52 单片机与液晶显示模块连接电路。如图 2-2 所示为单片 东华理工大学毕业论文（论文） 第二章 电子负载硬件系统设计 8 机与 lcd 通信过程。 液晶的主要工作原理 （1）spi 接口时序写数据/命令 nokia5110(pcd8544)的通信协议是一个没有 miso 只有 mosi 的 spi 协议： 图 2-3 串行总线协议传送 1 个字节 （2）nokia5110 的初始化 接通电源后，内部寄存器和 ram 的内容是不确定的，这需要一个 res 低电平 脉冲复位一下。 图 2-4 nokia 5110 复位时 （3）显示英文字符 英文字符占用 6*8 个点阵，通过建立一个 ascii 的数组 font6x86来寻址。 （4）显示汉字 显示汉字可以采用两种点阵方式，一种是 12*12 点阵，一种是 16*16 点阵。 2.3 键盘模块 方案一：非矩阵式键盘结构比较简单，使用方便，适合于较少开关量的输入场 合。每个按键需占用一根i/o 口线， 在按键数量较多时,i/o 口浪费大, 电路结构 显得复杂。并且此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合。 方案二：矩阵式键盘则适合于输入命令或者数据较多、功能复杂的系统。采用 矩阵式键盘结构可以最大限度地使用单片机的引脚资源，矩阵式键盘适用于按键数 量较多的场合, 由行线和列线组成, 按键位于行列的交叉点上，节省i/o 口，因此 东华理工大学毕业论文（论文） 第二章 电子负载硬件系统设计 9 其应用十分广泛。 在系统设计中需要通过键盘中输入设定值，通过d/a转化输出实际值。所以需要 有0-9的数字键、小数点等等按键，按键较多，所以键盘模块采用方案二。 s1s2s3s4 s5s6s7s8 s9s10s11s12 s13s14s15s16 r1 10k r2 10k r3 10k r4 10k r5 10k r6 10k r7 10k r8 10k vcc p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 图 2-5 44 矩阵键盘电路图 如图 2-5 所示：本系统通过矩阵电路进行按键输入，采用的是 4x4 矩阵键盘， 电子负载系统中按键需要实现的功能有: (l) 0-9 数字键：本设计中采用专用的数字输入按键，每次按下数字键一次，送 往单片机，按位输入的数据提取出来，转换为十进制数据。 (2) 小数点键：本设计中精度要求较高，输入的设定值会有需要带小数点。在第 一位按键扫描后，每次按下小数点键，在按下确认键后与数字键一样通过液晶显示 显示出来。 (3)自动调节启动停止按键:该按键把电子负载功能划分为设置和调节两部分，没 有按下该按键时，默认为功能设置，此时单片机只预置数据输入、按键查询、预置 数据 lcd 显示等功能；而当按下该按键 1 次后，单片机将转为执行负载调节、a/d 采集、实际数据 lcd 显示等功能。 (4)预置数据确定按键:按下该按键后，将取消其他键的功能，并把按输入的数据 送往提取出来，送往单片机，之后转换为十进制数据，通过液晶显示显示出来。 (5)复位清零键:当输入有误时，按下该键可以清除显示屏。 按键采用逐行扫描法进行识别，单片机逐行扫描各键，先让每行输出低电平， 检测各列是否有低电平产生，如果检测到列有低电平输出，说明有键按下，接着让 每行分别依次输出低电平，其余行行输出高电平，在检测每一列的低电平情况，两 东华理工大学毕业论文（论文） 第二章 电子负载硬件系统设计 10 次低电平的交叉处便是键按下的地方。 2.4 d/a 转换模块的选择 方案一 dac0832 是 8 分辨率的 d/a 转换集成芯片。这个 da 芯片以其接口简单、 转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。d/a 转换器由 8 位输 入锁存器、8 位 dac 寄存器、8 位 d/a 转换电路及转换控制电路构成。 方案二：tlc5615 d/a采用的是串行数模转换器。tlc5615是一个串行1o位dac芯 片，性能比早期电流型输出的要好。只需要通过3根串行总线就可以完成1o位数据的 串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器(单片机)接口，适用于电池供电 的测试仪表，是具有串行接口的数模转换器。 本设计需要测出电压值、电流值，对设定值的精确度要求更高。所以采用 1o 位 dac 芯片，分辨率较高。同时模拟数字转换器 tlc5615 采用接口简单的，使得硬 件电路大为简化，线路板面积缩小，成本降低，故选择方案二。 如图 2-6 所示为 d/a 转换输出电路原理图。d/a 变换输出采用 tlc5615 与单片机 连接设定值通过键盘输入送往单片机，再通过 da 输出电路产生基准电压送往 pi 控 制器与实际电压相比较。 ea/vpp 31 xtal1 19 xtal2 18 rst 9 p3.7(rd) 17 p3.6(wr) 16 p3.2(int0) 12 p3.3(int1) 13 p3.4(t0) 14 p3.5(t1) 15 p1.0(t2) 1 p1.1(t2ex) 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 (ad0)p0.0 39 (ad1)p0.1 38 (ad2)p0.2 37 (ad3)p0.3 36 (ad4)p0.4 35 (ad5)p0.5 34 (ad6)p0.6 33 (ad7)p0.7 32 (a8)p2.0 21 (a9)p2.1 22 (a10)p2.2 23 (a11)p2.3 24 (a12)p2.4 25 (a13)p2.5 26 (a14)p2.6 27 (a15)p2.7 28 psen 29 ale/prog 30 (txd)p3.1 11 (rxd)p3.0 10 gnd 20 vcc 40 u1 12 y1 c3 30p c4 30p rst p2.5 vcc p0.3 p0.2 p0.1 p0.0 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 gnd vcc p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 +2.5v p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 p3.2 p3.3 p3.4 p3.5 p3.6 p3.7 p2.0 p2.1 p2.2 p2.3 p2.4 4 6 1 3 27 8 5 u3 tlc5615 vre f vcc gnd p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 图 2-6 d/a 转换输出电路原理图 在电路设计中 vref = 2vrefinn1024；其中，verfin 为 tlc5615 的参考电 压，取 1.5v,n 为输入设定值的二进制数。vref 为到 pi 调节器与实际值相比较的基 准电压。如图 2-7 所示为 tlc5615 与反相器的连接图，见式（2-1）为 d/a 变换输出 通过一个反相器送到 pi 调节器的基准电压与输入给定电压的关系。 东华理工大学毕业论文（论文） 第二章 电子负载硬件系统设计 11 vref = 5n1024 （2- 1） （n 为输入设定值的二进制数） 如图 2-8 tlc5615 的时序图可以看出，当片选 cs 为低电平时，输入数据 din 由 时钟 sclk 同步输入或输出，而且最高有效位在前，低有效位在后。输入时 sclk 的 上升沿把串行输入数据 din 移入内部的 16 位移位寄存器，sclk 的下降沿输出串行 数据 dout，片选 cs 的上升沿把数据传送至 dac 寄存器。 +2.5v 4 6 1 3 27 8 5 u3 tlc5615 vref vcc gnd p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 r14 op37 12v -12v r23 1k r24 1k -vref 图 2-7 tlc5615 与反相器连接图 图 2-8 tlc5615 时序图 2.5 采样电路模块 方案一采用 8 位 a/d 转换器 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。但其占用端口多，转换频率低于 1m。 方案二采用 10 位 a/d 转换器 tlc1549 系列具有串行控制、连续逐次逼近型的模 数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口。 tlc1549 采用 cmos 工艺。内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗 噪声干扰功能，而且在设计时使在满刻度时总误差最大仅为 3.8 mv，因此可广泛应 用于模拟量和数字量的转换电路。 两者相比，tlc1549 系列器件性能优良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、 接口简便，实用价值高,同时与 10 位的 tlc5615 da 输出基准电压精度相同，不会导 致电路精度降低，故选择方案二。 采样电路是检测和测量环节的重要技术手段，为了让负载准确工作在恒流方式 下，设计中对被测电源的输出电压和 mos 管的电流进行实时采样。采样 a/d 选用 10 位精度的 tlc1549、精度较高。 采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，如图 2-9 所示为电压电流采样电 东华理工大学毕业论文（论文） 第二章 电子负载硬件系统设计 12 路原理图。从功率电路采集实际工作电压和电流，反馈到单片机，再通过液晶显示 出来，实现自动循环的调节。 2.5.1 电压采样电路 电压采样电路中，由于电子负载的输入电压范围比较宽，实际工作电压较高， 采样前首先进行了分压设计。如图 2-9 所示采用 1/11 的分压，输出送往 a/d 采样 tlc1549 添加一个电压跟随器，没有放大作用，输出电压与输入电压相同，提高了 输入阻抗，对电路进行缓冲，起到承上启下的作用。同时取到隔离作用，减小了电 磁干扰的影响，减小了强电流功率电路对控制电路的损害。 如图 2-9 所示,被试电源两端的电压 u 与电压采样点电压 ub 的关系为 ub=r19/( r19+ r18)u=10k/(10k+100k)u=1/11u （2- 2） 所以 u=11ub （2- 3） r19 10k q2 irfp460 4 6 1 3 27 8 5 u4 tlc1549 4 6 1 3 27 8 5 u5 tlc1549 r18 100k r+ r- ub ua1 gnd gnd vccvcc vcc p3.2 p3.3 p3.4 p3.5 p3.6 p3.7 r17 o.25 r11 r12 r14 r13 op37 op37 uf c5 0.75uf ua r15 1k r16 1k -vref 60k 40k 40k 12v op37 r20 1k r21 1k 12v vcc ub1 12v -12v -12v -12v 图 2-9 电压电流采样电路原理图 2.5.2 电流采样电路 电流采样电路中，首先借助采样电阻 r17 将电流信号转换为电压信号，输出送 往 a/d 采样 tlc1549 添加一个电压跟随器，不取到放大作用。如图 2-9 所示，提高 电路带负载能力，取到缓冲、隔离作用。 东华理工大学毕业论文（论文） 第二章 电子负载硬件系统设计 13 如图 2-9 所示负载电流 i 与电流采样点电压 ua 的关系为 i=ua/r17=ua/0.25 （2-4） 采样电阻 r17 的电阻为 0.25 欧姆，为锰铜采样电阻，阻值较小，但可以承受大 功率，采样电阻分流对整个电路影响较小。采样电阻 r17 电流电压转换元件(i/v converter)，落在 r17 上的电压降通过 pi 调节器与基准电压（verf）比较，控制 mos 管的导通量变化与截止，从而达到保持电流恒定的目的。这种电阻适用于高功 率及高电流的电源供应器，电路板的电路侦测，具有稳定性佳，低温度系数，散热 性好的特性。 2.5.3输入的模拟量采样 4 6 1 3 27 8 5 u5 tlc1549 ua1 gnd vccvcc p3.2 p3.3 p3.4 图 2-10 tlc1549 引脚图 图 2-11 tlc1549 时序图 （1）tlc1549 工作原理 tlc1549 具有 6 种串行接口时序模式，这些模式是由 io clock 周期和 cs 定 义。根据 tlc1549 的功能结构和工作时序，其工作过程可分为 3 个阶段：模拟量采 样、模拟量转换和数字量传输。如图 2-11 所示为 tlc1549 的时序图。 （2）输入模拟量采样 在第 3 个 io clock 下降沿，输入模拟量开始采样，采样持续 7 个 io clock 周期，采样值在第 10 个 io clock 下降沿锁存。 东华理工大学毕业论文（论文） 第二章 电子负载硬件系统设计 14 （3）数字量得传输 当片选 cs 由低电平变为高时，io clock 禁止且 ad 转换结果的三态串行输 出 data out 处于高阻状态；当串行接口将 cs 拉至有效时，即 cs 由高变为低时，cs 复位内部时钟，控制并使能 da-ta out 和 io clock，允许 io clock 工作并使 data out 脱离高阻状态。串行接口把输入输出时钟序列供给 io clock 并接收 上一次转换结果。首先移出上一次转换结果数字量对应的最高位，下一个 io clock 的下降沿驱动。data out 输出上一次转换结果数字量对应的次高位，第 9 个 ioclock 的下降沿将按次序驱动 data out 输出上一次转换结果数字量的最低位， 第 10 个 ioclock 的下降沿，data out 输出一个低电平，以便串行接口传输超过 10 个时钟；io clock 从主机串行接口接收长度在 1016 个时钟的输入序列。cs 的下降沿，上一次转换的 msb 出现在 data out 端。10 位数字量通过 data out 发送 到主机串行接口。为了开始传输，最少需要 10 个时钟脉冲，如果 ioclock 传送大 于 10 个时钟，那么在第 10 个时钟的下降沿，内部逻辑把 data out 拉至低电平以确 保其余位清零。在正常转换周期内，即规定的时间内 cs 端由高电平至低电平的跳变 可以终止该周期，器件返回初始状态(输出数据寄存器的内容保持为上一次转换结果)。 由于可能破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防止 cs 拉至低电平。 2.6 电流取样 pi 控制器等组成的负反馈控制模块 电子负载的核心实质是一个电流取样 pi 控制器组成的负反馈控制环路，也是电 子负载的功率控制电路。mos 管在这里既作为电流的控制器件同时也作为被测电源 的负载。采样电阻 r17 电流电压转换元件(i/v converter)，落在 r17 上的电压降 通过 pi 调节器与基准电压（verf）比较，控制 mos 管的导通量变化与截止，从而达 到保持电流恒定的目的。 东华理工大学毕业论文（论文） 第二章 电子负载硬件系统设计 15 r19 10k q2 irfp460 4 6 1 3 27 8 5 u4 tlc1549 4 6 1 3 27 8 5 u5 tlc1549 r18 100k r+ r- ub ua1 gnd gnd vccvcc vcc p3.2 p3.3 p3.4 p3.5 p3.6 p3.7 r17 o.25 r11 r12 r14 r13 op37 op37 uf c5 0.75uf ua r15 1k r16 1k -vref 60k 40k 40k 12v op37 r20 1k r21 1k 12v vcc ub1 12v -12v -12v -12v 图 2-12 电流取样 pi 控制器等组成的负反馈控制电路 如图 2-12 所示为电流取样 pi 控制器等组成的负反馈控制电路。这个电路中， 设定值与实际值相比较。当 r17 上的电压降 uf 即实际值大于设定值 verf 时，通过 pi 调节器的调节，减小 mos 管的导通角，减小 mos 管的导通量，使 mos 管的内阻增 大，流过电阻 r17 的电流减小，则电压降 uf 慢慢减小并等于设定值，从而实现电子 负载的恒流工作模式；当 r17 上的电压降 uf 即实际值小于设定值 verf 时。通过 pi 调节器的调节，增大 mos 管的导通角，增大 mos 管的导通量，使 mos 管的内阻减小， 流过电阻 r17 的电流增大，则电压降 uf 慢慢增大并等于设定值，从而实现电子负载 的恒流工作模式，这是一个 pi 调节器调节过程。 2.7 pi 调节器 对于电子负载的设计需要较高的精确度，同时控制 mos 管的导通量的变换也需 要一个不停的变化调节过程，而不是传统的采用运放比较器组成的反馈电路来实现。 传统的仅靠比较器来比较设置值与实测值，比较后的输出作用于 mos 管。这样组成 的反馈系统误差很大、精度低，只能控制 mos 管的通或断，就只有全导通或全关闭 两种极值情况，很难准确的消除误差实现其恒流模式的控制。所以需要一个更加精 确的调节器来控制 mos 管的导通量，使其导通角能够在可承受电压范围内，按照偏 差的大小，对实测值与给定值的偏差分别进行比例和积分运算，取其和构成连续信 号以控制调节导通角的增大或缩小达到设定值等于实际值。 东华理工大学毕业论文（论文） 第二章 电子负载硬件系统设计 16 r11 r12 r14 r13 op37 uf c5 0.75uf -vref 60k 40k 40k 12v -12v kpiuin uin uex uexm t uex 0 图 2-13 pi 调节器 2-14 pi 调节器的输出特性 如图 2-13 所示为 pi 调节器，pi 调节器的输出电压 uex由比例和积分两个部分 组成，在零初始状态和阶跃输入信号作用下，其输出电压的时间特性如图 2-14 所 示，由图可以看出比例积分作用的物理意义。当突加输入电压 uin时，由于开始瞬 间电容 c 相当于短路，反馈回路只有电阻 r1，使输出电压 uex突跳到 kpiuin。此后， 随着电容 c 被充电，开始体现积分作用，uex不断线性增长，直到达到输出限幅值或 运算放大器饱和。这样，当单闭环调速系统采用比例积分调节器后，在突加