简易直流电子负载

1、2012年江苏省大学生电子设计竞赛（ti杯）简易直流电子负载（c题）设计报告 二o一二年八月八日摘要：本系统设计的直流电子负载，以ti的msp430f169单片机为主控芯片，包括控制器、矩阵键盘、液晶显示、恒流电路、辅助电源电路、电压电流检测电路。系统以比例积分调节作为恒流控制核心，电流采样采用ti提供的ads1115和ina282芯片，辅助电源采用ti提供的tps54331和lm2576电源芯片。以三极管tip42c为功率器件，通过控制其基极电流达到控制负载电流的目的。本系统还扩展了简单的恒阻、恒压、动态带载以及描绘u-i特性曲线的功能。本报告着重阐述了系统框架、工作原理、软硬件设计，并给出

2、了系统各项数据测试表。测试结果表明，该系统具有稳定性强、调节速度快的特点，很好地达到了题目要求的性能指标。关键词：直流电子负载 恒流 恒阻 恒压 动态带载 u-i特性曲线abstract：the design of the system dc electronic load involves the master chip-tis msp430f169 mcu controller, matrix keyboard, lcd, constant current circuit, the auxiliary power supply circuit, voltage and current de

3、tection circuit. system to proportional - integral adjustment as a constant current control core, proportional to speed up the adjustment speed, integral system without static error.the current sample provided by ti ads1115 and ina282 chip. auxiliary power is provided by ti tps54331 and the lm2576 p

4、ower chip. transistor tip42c power devices controlled by controlling the base current to achieve the purpose of load current. the system also extends the simple constant resistance, constant voltage and simulate dynamic load. this report focuses on a systems framework, working principle, hardware an

5、d software design, and gives the system the data test sheet. the test results show that the system stability, adjust the speed and quickness, a good performance to the subject requirements.key words：dc electronic load constant current constant resistance constant pressure dynamic load u-i characteri

6、stic curve 一、系统方案1.1赛题分析题目要求实现一个恒定电流工作模式的直流电子负载，并且电流值能够任意设定，同时还要求实时检测电压值和电流值，并且达到一定的精度，系统还要求能够实现检测直流稳压电源的负载调整率。设计中利用pi调节使得负载电流恒定，利用msp430f169控制器实现电流设定和功能切换，以tip42c三极管为功率器件，通过控制其基极电流来控制负载电流。电压采样采用简易的电阻分压电路，电流采样采用ti提供的高精度、宽共模范围的电流采样芯片ina282，通过单片机检测空载和满载时的两个电压值可以顺利计算出直流稳压电源的负载调整率。1.2核心技术系统以pnp型三极管tip42

7、c为功率器件，用来消耗直流稳压电源提供的功率；以比例积分调节来调节电路电流，一是使得电路电流恒定、二是使得电路电流跟随给定的变化；以msp430f169为主控器，来实现电压电流采样、电流值设定以及工作模式选择。1.3系统结构与功能图1 系统结构示意图系统以tip42c为功率器件，以pi调节为恒流控制核心，以msp430f169为主控制器，可以实现键盘设定、液晶显示、da给定以及电压电流的采样。1.3.1恒流模式当设定一个电流值之后，单片机通过内部计算给出相应的da值，此时pi开始起调节作用，最后实现给定端与输入端达到一定，从而实现输出电流跟随给定的变化。（rw为0欧姆）1.3.2恒阻模式在恒流

8、模式基础之上进行简单的扩展之后，可以实现恒阻模式。当设定负载等效的电阻值之后，单片机根据检测到的输入端电压计算出应该给定的电流值，从而实现恒阻模式。（rw为0欧姆）1.3.3恒压模式恒压模式采用比较法，当设定电压值之后，单片机比较设定值与检测值的大小，当实际值比设定值小时，通过减小da值来减小电路电流，从而减小电阻rw上的压降来增加电子负载上的电压，从而实现恒压控制。（rw不为0）1.3.4动态带载系统可以简单地模拟一个动态负载，实现负载电流按照梯形图样变化，动态负载的相关参数可以简单设置，同时单片机还可以通过电流采样芯片将电流波形在12864液晶上画出来。1.3.5 u-i特性曲线描绘在测量

9、负载调整率时，系统还可以显示稳压电源输出电压与输出电流的关系。当电流在0到1a变化时，da每改变一次，测量一次稳压电源输出电压，并将此曲线在12864液晶上实时描绘出来。 1.4实现方法与方案选择1.4.1主控制器方案一：使用89c51单片机，由于51单片机编程较简单，通俗易懂，但是要想达到本题要求需要外加da芯片。方案二：使用msp430f169单片机， msp430 单片机是 16 位的单片机，采用了精简指令集（ risc ）结构，只有简洁的 27 条指令，功能强，运行的速度快。同时自带da，因此可以简化外围电路。同时430功耗低，符合时代要求。综合可虑我们选择方案二。1.4.2 ad采样

10、电路方案一：采样msp430f169单片机自带的12位ad采样功能，根据计算难以达到题目要求的精度。方案二：采用ti公司提供的16位高精度ad采样芯片ads1115，此芯片的精度明显高于单片机自带的ad采样功能。两者相比方案二能够更好地满足题目的要求。1.4.3恒流主电路利用tip42c三极管作为电路的功率器件，电路的功率基本上耗散在功率器件上，恒流理论上可以通过软件实现，也可以通过硬件实现。方案一：软件实现恒流，单片机实时监测主回路电流，然后与基准值比较，根据比较结果改变da的给定值。软件实现较灵活，调节时间较长，精度高。方案二：硬件实现恒流，通过经典的比例积分调节来实现恒流控制，这样在软件

11、方面可以简化很多，同时pi调节能够迅速调节主回路电流，使得主回路电流跟随给定变化。方案三：软件与硬件共同实现恒流。pi调节实现电流快速跟定，软件实现微调，使精度更高。综合考虑响应速度和精度，选择方案三。1.4.4负载电流采样方案一：采用康铜丝采样电流，普通运放构成差分放大电路，将康铜丝上的压降进行一定的比例放大送进ad，此方案简单，但康铜丝具有一定的温漂，普通运放的精度较低。方案二：采用0.01欧姆的精密电流采样电阻，精密电流采样电阻的精度可以达到1%。采用ti公司提供的电流监视芯片ina282，此芯片的共模抑制比为140db，1.4%的精度误差。为了更好地达到题目要求的精度，我们选择方案二。

12、二、分析计算2.1 ad的计算ad采用数字滤波的方法，一方面是多次测量求平均，减小随机误差，另一方面，对数据进行排序后去除最大值与最小值，减小毛刺对测量的影响，两种方法共同作用，使ad测量出的数据更加稳定与准确。2.2 da的计算本题要求da数据与电流大小实现一一对应的关系，及输入一个电流值即可映射出对应的da数据。由于误差的存在，da数据与电流值难以实现完全线性关系，所以程序中采用分段线性拟合的方法，对不同值段的电流分别拟合其映射关系，使da数据与电流对应的更加准确。对于运用此种方法之后还存在的小误差，我们在程序里加了一个微调，可以实现电流精确设定。三、电路设计3.1电路机理3.1.1主电路

13、原理图tip42c为功率器件，ina282进行电流监视，运放实现电压放大和pi调节，q3实现主回路关断。图2 主电路原理图3.1.2 ad采样电路采用ti提供的ads1115ad采样芯片，精度完全达到题目的要求。图3 ad采样电路原理图3.1.3辅助电源ina282和ads1115采用lps54331供电。图4 辅助电源3.2实现功能与指标3.2.1恒流工作模式的电流设置范围为50ma1100ma ，电流值任意设定，设置精度为1%。具有开路模式设置。3.2.2在恒流工作模式下，当电子负载两端电压变化14v时，输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的1。3.2.3具有过压保护和自启动功能，过压保护

14、电压为18v0.03v。自启动电压为150.03v3.2.4能实时测量并数字显示电子负载两端的电压，电压测量精度为0.02%，分辨力为0.1mv。3.2.5能实时测量并数字显示流过电子负载的电流，电流测量精度为0.2%，分辨力为0.1ma。3.2.6具有直流稳压电源负载调整率自动测量功能，测量范围为0.01%80%，测量精度为1%。3.2.7能简单地工作于恒阻模式、恒压、动态带载模式以及简单地描绘u-i特性曲线。四、程序设计4.1软件功能结构图5 总体框架图4.2主要模块实现流程图6 电流设定 图7 电流测量 图8 负载调整率测量 图9 电流测量微调图10 恒阻模块 图11 恒压模块 图12

15、模拟动态负载模块 五、测试方案5.1电流电压校准方法5.1.1电压校准方法我们通过改变电源箱的输入电压，测量多组数据来进行电压采样校准，为了使测量能够达到一定的精度，我们使用六位半的数字万用表，将电表实测电压值与ad采样寄存器里面的数字量进行线性拟合，得到一条直线，根据这条直线在单片机里进行一定的运算，从而将实际电压值在电表里显示出来。5.1.2电流校准方法系统要校准两组电流值，设定电流和实测电流，实际电流与实测电流。校准实际电流与实测电流，我们运用了与电压校准一样的方法。在校准设定电流与实测电流时，我们将da给定的数字量与实测电流数据一一记录下来，分析数据之后，发现线性度不是很好，为了达到题

16、目要求达到的精度，我们采取了分段线性化，将整体数据分成十段。为了使精度更高，我们在程序里面进行了一个小的补偿，这样设定电流值和实测电流值之间的误差可以小到0.2ma。5.2测试仪器 直流稳压电源yb1731c5a 示波器tds210 六位半数字万用表th1961 四位半数字万用表vc9806+ 三位半数字万用表vc890d六、测试结果6.1数据测量与分析6.1.1结果表明在100ma到1000ma之内可以实现电流任意设定，分辨力为1ma，精度小于1%。电流测量的分辨力为0.1ma，精度小于0.2%。表1：电流设定与测量数据设定电流ma实际电流ma设定精度ad测量电流ma测量误差测量精度1000

17、1002.10.2100%1000.6-1.5-0.1497%950952.60.2737%951.3-1.3-0.1365%900901.10.1222%900.1-1.0-0.1110%850851.00.1176%850.4-0.6-0.0705%800800.10.0125%799.9-0.2-0.0250%750750.70.0933%750.70.00.0000%700699.8-0.0286%700.10.30.0429%650650.40.0615%650.90.50.0769%600599.2-0.1333%599.70.50.0834%550550.50.0909%551.

18、30.80.1453%500499.0-0.2000%499.70.70.1403%450450.20.0444%451.00.80.1777%400399.5-0.1250%400.20.70.1752%350350.20.0571%350.60.40.1142%300300.80.2667%300.7-0.1-0.0332%250250.50.2000%250.1-0.4-0.1597%200200.60.3000%201.00.40.1994%150150.10.0667%150.10.00.0000%100100.50.5000%100.90.40.3980%6.1.2结果表明，分辨力

19、为0.1mv,测量精度小于0.02%。表2：输入电压测定与显示实际电压v测量电压v测量误差测量精度17.909317.90960.00030.0017%16.850816.8505-0.0003-0.0018%15.927815.92790.00010.0006%14.836914.83700.00010.0007%13.725913.72650.00060.0044%12.712412.71300.00060.0047%11.612111.61350.00140.0121%10.639010.64060.00160.0150%9.21629.2152-0.0010-0.0109%8.3448

20、8.3438-0.0010-0.0120%7.15377.1530-0.0007-0.0098%6.13926.1388-0.0004-0.0065%5.09365.0929-0.0007-0.0137%4.00784.0075-0.0003-0.0075%6.1.3结果完全满足题目要求表3：过压保护与自启动测量过压保护设定值过压保护实际值自启动设定值自启动实际值18v17.97v1515.03v6.1.4结果表明电压在5到17v之间变化时，输出电流变化小于变化前的1%表4:电流稳定效果测量恒定电流值ma电源电压输出电流变化值ma输出电流变化百分比10005v17v1.40.1400%9005

21、v17v2.00.2222%8005v17v2.00.2500%7005v17v2.00.2857%6005v17v1.80.3000%5005v17v1.60.3200%4005v17v1.20.3000%3005v17v0.60.2000%2005v17v1.10.5500%1005v17v1.41.4000%6.1.5结果表明，负载调整率测量范围很大，测量精度满足题目要求表5:负载调整率测量空载电压串联电阻额定电压额定电流实际调整率（%）测量调整率（%）测量精度9.363007.8652100016.0015.771.42%9.345916.8440100026.7726.640.485

22、7%9.331525.7820100038.0438.010.0732%9.334052.7672100070.3570.48-0.1797%9.345981.7337100081.4581.440.0118%9.3422101.5640100083.2683.230.0345%6.2误差分析测试过程中，我们利用六位半的高精度万用表来进行数据校准，利用最小二乘法将数据模拟成一条直线，再利用单片机进行微调，实际测量结果均能满足题目要求。由于电表本身的参数不同，换用不同的电表将使得测量误差变大，为了减小误差，系统还有电表校准功能。6.3性价比与功能分析本系统以常用的三极管为功率器件，以ti提供的电流监测和ad采样芯片来进行电压和电流采样