简易电子负载报告

简易直流电子负载的设计

摘要：随着电力电子技术、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领域都大量用到各种各样的电源，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巨大的挑战，为准确地检测电源的可靠性和带载能力，把电力电子技术和微机控制技术有机的结合起来，实现电源的可靠检测是一件很有必要的事情。

本系统采用MSP430F169单片机为控制核心，设计恒流的电子负载。包括微控制电路（MCU）、主电路、采样点路、显示电路等，能够检测被测电源的电流值、电压值，各个参数都能直观的在液晶上显示。

关键字：电源检测技术；电子负载；单片机；

一、系统总体方案与设计

本系统主要由恒流源模块、键盘与显示模块、电压与电流检测模块、单片机控制器等组成。总体框图如图1

图1

1、恒流电路方案选择

方案1：用PWM产生所需要的电压值，PWM波经过电容滤波后成直流电压，不同占空比的PWM波对应一个对应一个直流电压，单片机把采集到的电压与设定的电压值进行比较形成一个闭环控制做成一个恒流电源。该方案优点是电路简单，控制方便但是其反应速度比较慢，精度不高而本题对精度的要求非常高，所以本系统不采取此种方案。具体原理图如图1：

图2

方案2：将基准信号先经过OP07运放组成的减法运算电路，然后通过一个经过运放组成的一个电压跟随器，具体原理图如图3所示：

图3

方案3：用D/A产生所需要的电压值，DA是一种把模拟量转换成数字量的芯片。单片机把按键数字量读出来然后通过DA芯片把数字量转换成模拟量送给电压跟随器，从而使MOS上一个恒定的电流。本方案是通过模拟电路形成一个负反馈其反应速度远远高于单片机所形成的闭环控制而且电路简单，控制方便。因此本系统采用此方案。具体原理图见图4：

图4

2、基准电压源选择

本系统对精度和分辨率的要求非常高，因此AD和DA的基准电压源的稳定是至关重要的。

方案1：用稳压管串联一个电阻作为基准电源，该方案优点是：电路简单，成本较低，缺点是：稳压管基准电压电路含有较高的高平噪声，这对分辨率和精度的影响非常大。因此本系统不采取此种方案。

方案2：用TL431做基准电压源。TL431是专门的稳压芯片，该芯片稳压效果非常好，温度影响小，电路简单，满足本系统要求。原理图如图5：

图5

二、理论分析与参数计算

1、电子负载及恒流电路的分析

恒流源电路如图3所示通过MSP430169的DA对图三中的运放赋值，用MSP430F169的的AD来采样从而通过LC D12864来显示采样反馈值，通过按键来控制输入步进值为10mv。运放工作在负反馈状态，它的同相端每设定一个电压值电阻便流过一个恒定的电流。

2、电压、电流的测量及精度分析

本题要求电压测量精度为±（0.02%+0.02%FS ），分辨力为1m V，电流测量精度为±（0.1%+0.1%FS），分辨力为1m A。当被测电源电压为最大值18v分辨力1mv时，被测电源电压被分成了18000份，因此为了满足要求至少需要15位AD转换器。在模拟电路和数字电路中，数字电路处理起来更复杂,占用CPU资源多，但是模拟电路执行效率高，MSP430169内部自带12位的D/A转换器，所以处理起来相当容易，且CPU的执行效率高，与方案1比较方案2更可靠，在程序控制中发现，当端口赋值为0时，D/A输出并非为0，所以为了消除这个信号，最终采用加入一个减法运算电路，通过调节对应的电位器从而最终达到目的，所以最终我们采用方案3，在方案3中，通过当电压跟随器正常工作时，要测量通过功率MOS管的电流值，可以通过转换将电流值转换成电压值来测量，在功率MOS管的源极串联一个1欧姆的定值电阻来测量，通过实测的电压值得到所要得到的电流值，然后通过液晶显示，因为5环电阻误差（+-1%），所以要保证电阻的值固定在1欧姆，我们采用10个10欧姆的电阻串联和一个10K的电位器并联，通过改变电位器的值是测量电阻为定值1欧姆。该题目中要求测量的精度达到1mv，430单片机内部自带12位AD，其分辨率不够，所以我们通过外接ADS1115来得到其精度，从而使之得到满足的要求。

3、电源负载调整率的测试原理

输入电压调整率又叫线路调整率、源效应等，在输出满载的情况下，输入电压变化会引起输出电压波动，测试输入电压在全输入范围内变化时输出电压偏离输出整定电压的百分比，一般要求电压调整率不超过±0.1%。首先输入电压为额定值，输出电流取最小值，记录最小负载量的输出电压U1，其次调节负载为50%满载，记录对应的输出电压U0，最后，调节负载为满载，记录对应的输出电压U2。负载率的计算公式如下：

负载调整率={(U- U0)/U0}×100％

式中：U为U1 和U2中相对U0变化较大的值。

三、电路与程序设计

1、1集成稳压器电路的设计

线性电源输出波形纹波小，但效率低，开关电源输出纹波大，但是效率高，同时开关电源还有能承受大电流的能力，所以开关电源和线性电源在使用中各有千秋，该电源中有通过7812、7912、7805、7905、AMS1117-3.3V三端稳压电源，分别可以得到所需要的线性电源+-12v、+-5v、+3.3V,同时还有LM337和LM2596构成的可调稳压电源，其中LM2596是开关型的稳压电源，能承受大约超过2A的大电流，该电源能很好的满足测试过程中对电源的需求，具有很好的测试效果。

图6

1、2、电压跟随电路

在DA控制中把模拟量能精确地转换成数字量所以要对MSP430169 加入一个很稳定的基准电压源，TL431是一个基准电压为2.5V的可调并联稳压器，最大输出电压为37V，最大工作电流为150mA，其工作原理同同几本的稳压二极管相似，不通的Tl431通过设定不同的定值电阻来设定输出的基准电压；吸收电流可以达到100mA，工作电流小，温度系数小。能很好的满足基准电压的需要，因为430单片机我们所需设定的基准电压为1V，并非2.5V，所以我们加入了一个精密可调点做来进行分压，通过调节滑动变阻器来得到所需要的基准电压1V。

图7

1、3、减法运算电路设计

通过电压跟随器用DA从3口输入数据，得到相应的电压，然后得到1欧姆电阻两端的电压，从而间接地得到大功率MOS管的电流，上图如果用1欧姆的色环电阻的功率为0.25W，题目中要求电流设置为1A，所以当电流为1A时，电阻上的功率P=I2R=1W,所以功率已经超过了其功率范围，所以最终我们通过利用