直流电子负载的设计(E题)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图 2-6 恒压电子负载电路 2.5 恒阻电路的设计 恒阻的原理是基于恒压的原理实现的，主要是通过在恒流电路的基础上通过
7
MCU 检测到的输入电压来计算电流，达到实现恒阻的目的。恒阻电子负载电路如 图 2-7 所示。
1.1.3 系统组成 根据方案比较与论证，最终确定的系统组成框图如图 2-2 所示。包括 STC12C5A32S2 单片机系统模块、ZL7289 键盘模块、LCD 液晶显示模块、TLC5615 D/A 转换模块和 LM358 与 MTY25N60E 组成电路模块。
芯片，可直接驱动 8 位共阴式数码管，同时还可以扫描管理多于 64 个按键。 ZLG7289 内部含有显示译码器，可直接接受 BCD 码或 16 进制码，并同时具有两 种译码方式。此外，还具有多种控制指令。ZLG7289B 采用 SPI 并行总线与微控 制器接口，仅占用少数几根 I/O 口线。键盘电路的原理图如图 2-4 所示。
显示电路
键盘电路
信号调理电路
主控器
待
测
电
源
MOSFET功率电路
信号调整电路
图 2-1 直流电子负载系统实现框图 该系统实现框图如上图 2-1 所示，包括主控器、键盘、显示电路、MOSFET 功率电路和信号处理电路五个部分，信号处理模块包括信号调整电路和信号调理 电路。图 2-1 中的待测电源是直流电子负载的待测电源，不属于直流电子负载的 系统组成。 1.1.2 方案论证与比较 1.主控器模块的设计方案与选择 主控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。 方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89C51。51 单片机价格便宜，应用广泛，使 用 AT89C51 需外接两路 AD 转换电路，实现较为复杂。 方案二：采用宏晶单片机 STC12C5A60S2。STC12C5A60S2 比普通 51 单片机快 8～12 倍，尤其是其单片机内部有 10 位高速 ADC,可以省去外接两路 A/D 转换电 路，大大提高了系统的整体性能和集成度。 选择方案二以宏晶单片机 STC12C5A60S2 为核心，组成单片最小系统。 2.键盘模块的设计方案与选择 方案一：采用矩阵式键盘。将键盘排列成矩阵形式，需要通过软件对按键进 行判断和定义，且接口电路由单片机系统直接访问和控制，键盘的扫描、去抖动、 判断和编码等操作都需要单片机完成，这样会使得单片机的工作量非常大，使单 片机的效率降低。 方案二：采用专用的按键扫描控制芯片。能够独立的完成对键盘中按键的扫
高速开关芯片,可以应用于电力供应、电机控制、PWM 变流器等领域。
方案二：采用达林顿 TIP122 芯片。TIP122 芯片效率比方案低，功耗也相对
较高。其通用参数为：
电流参数：IC=5A/ICM=8A/IB=0.1A
电压参数：UCEO=UCBO=100V/UEBO=5V
功
wenku.baidu.com
率：Ptot=65W
极 性：NPN
（1）D/A 转换电路
方案一：采用 DAC0809。DAC0809 是并行 8 位数/模转换器，占用端口多，转
换频率低于 1M。
方案二：采用 TLC5615。TLC5615 是串行 10 位数/模转换器，占用端口少，
转换频率高。
两者相比 TLC5615 的速度快，故选择方案二。
（2）信号放大电路
方案一：采用 LM358。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补
3
描与管理，并且通过简单接口与微控制器进行连接。使用按键扫描控制芯片来完
成微控制器的键盘管理，可以大大的提高微控制器的工作效率。
选择方案二，在本直流电子负载中，采用周立功公司生产的 ZLG7289 键盘扫
描控制集成芯片。
3.显示模块的设计方案与选择
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，
2
1.系统设计
1.1 总体设计方案 1.1.1 设计思路 题目要求设计一个直流电子负载，有恒流、恒压和恒模三种模式，可手动切 换。设计中切换部分采用程控键盘切换，而三种模式都是采用运算放大器结合反 馈网络组成的电路实现，根据设计要求，此电路中的反馈网络以场效应管为核心。 控制部分采用单片机来完成，显示采用液晶模块。恒压模式、恒阻模式与恒流模 式硬件实现方法基本相同，软件实现方法类似。
1
引言
电子负载是一种能以手控或程控方式吸收电能的仪器，起到可变电流吸收 器、可变电源电阻器或分路电压调节器作用，当它吸收可变电流时将维持某一固 定电压。系统主要工作于恒压、恒流和恒阻三种工作模式，可用于交直流的电源 的测试，现有的电子负载大多以模拟环节控制，单片机为核心控制系统，由于受 到处理器自身硬件资源和速度的限制，硬件电路设计复杂，数据实时处理能力差， 调节和控制的适应性和可靠性差，难以适应不同电源的具体情况。随着计算机技 术尤其是超大规模集成电路技术的发展，具有更强处理能力的单片机，以其运算 速度快、实时性强、功耗低、抗干扰能力强等特点愈来愈多地被应用，采用集成 ADC 模数转换器的单片机芯片作为整个系统的核心控制单元，大大减少了系统对 外围器件的需求。
主控电路由宏晶单片机 STC12C5A60S2、时钟电路、晶振电路组成的单片机 最小系统构成。主控电路原理图如图 2-3 所示。
2.1 主控电路的设计
2.硬件电路设计
图 2-2 系统的总体结构框图
虽然 OP07 在高增益和高功率上比 LM358 占优势，但是使用 LM358 也能完成 该设计的要求，而且 LM358 比较常见、价格便宜，故选择方案一。
图 2-5 恒流电子负载电路 芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数据形式的反馈 环节，使电流更加稳定，恒流电子负载电路图如图 2-5 所示。
2.4 恒压电路的设计 此电路中的运算放大器工作在差分模式，利用取样返回，A 点与 B 点比较。 R4 的改变直接导致 V-的改变，从而运放输出信号改变，场效应管导通使得 A 点 改变，使 V+与 V-趋近于相等，从而达到电压恒定。
晶体管和小信号数字化的 MOSFET 取代低电压应用。
4
图 2-3 主控电路原理图 2.2 键盘电路的设计 键盘电路采用周立功公司生产的 ZLG7289 键盘扫描控制集成芯片。ZLG7289B 是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理
5
1 S K 0 1R21 D N VCC D G F N u 0 G 1C101 FF pp 56 1 00 3C3C Y12MHZ 12 21 XX 01234567890 12345678911111111112 D N 123450 ...... 111113 PPPPPPP3.4P3.5 G XTAL2XTAL1 7 . 4 /RD/P3.7 P / T S R /WR/P3.6 DD XX RT // 67 .. 11 PPTXD/P3.1 /INT0/P3.2/INT1/P3.3 2 T U O K L C / 0 . 1 P P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7NA/P4.4ALE/P4.5NA/P4.6P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0VCC STC12C5A60S2 12345678901234567890 22222222233333333334 P00P01P02P03P04P05P06P07P2.0P2.1P2.2 k LED0 0 3 3R22
直流电子负载的设计（E 题）
摘 要：本系统设计的直流电子负载，以单片机 STC12C5A60S2 为主控芯片，包 括主控器、键盘、显示电路、MOSFET 功率电路和信号处理电路。该系统利用取 样和采集电路获取流经电子负载的电流和电压值，送入单片机内部集成的 A/D 转 换器，并经过运算处理控制 D/A 输出，控制 MOSEFT 漏极电流，从而使直流电子 负载达到设定功能。本设计着重阐述了系统框架、工作原理、软硬件设计，并给 出了系统测试表。测试结果表明，该系统具有稳定性强、调节速度快的特点，很 好的满足了提出的性能指标。 关键词：电子负载；控制功率；恒流；恒压； 恒阻
图 2-4 ZLG7289 键盘电路原理图 2.3 恒流电路的设计 本设计对单片机程控输出数字信号，经过 D/A 转换器输出模拟量，再经过运 算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出 不同的电流。在通过键盘设定好需要输出电流值后，单片机对设定值按照一定的 算法进行处理。经 D/A 输出电压控制恒流源电路输出相应的电流值。单片机系统 还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过 A/D 转换
6
K 0 1R19RES2 K16SW-PBK17SW-PBK18SW-PBK19SW-PBK20SW-PBK21SW-PBK22SW-PBK23SW-PB K 0 1R18RES2 D N G 89 KSW-PBKSW-PBK10SW-PBK11SW-PBK12SW-PBK13SW-PBK14SW-PBK15SW-PB FF pp 34 00 1CCAP1CCAP K 0 1R17RES2 2 1UFCCAP ? Y16MHZ 12 01234567 KSW-PBKSW-PBKSW-PBKSW-PBKSW-PBKSW-PBKSW-PBKSW-PB 00000000 9 77777777 2RRES22R10RES22R11RES22R12RES22R13RES22R14RES22R15RES22R16RES2 56789012345678 11111222222222 /RST OSC2OSC1 KR5/SB KR6/SA KR7/DP KC3DIG3 KC0/DIG0KC1/DIG1KC2/DIG2KC4/DIG4KC5/DIG5KC6/DIG6KC7/DIG7 K 0 1R20RES2 C D CK CNC TL RVCCNGN/CSCDIO/INTSG/KR0SF/KR1SEKR2SD/KR3SC/KR4 1 UZLG7289B 01234 123456789 11111 F p 0 1 0 1CCAP DD KKKKKKKK NN 00000000 12345678 00000000 VCC GG P2.4P2.5P2.6P3.21RRes21RRes21RRes21RRes21RRes21RRES21RRES21RRES2 f u 0 1 D 0 12345 1E N 1 G JCON5
偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工
作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传
感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
方案二：采用 OP07。OP07 是一种低噪声，非斩波稳压的双极性运算放大器，
价格比较贵，使用于高增益的测量和放大传感器的微弱等方面。可作为一种双极
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。
选择方案二，本系统采用的点阵式 LCD 型号为 FYD12864。
4.MOSFET 功率电路的设计方案与选择
方案一：采用 MTY25N60E MOS 管，它常用于电力领域的应用。专为高电压、
编程容易，对外界环境要求较低，易于维护等特点。但是，考虑到普通数码管能
够显示的信息量有限，并且一般情况下要显示较多的信息所占用的系统 I/O 资源
较多。
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
通过比较论证，选择方案二，采用 MTY25N60E。
5.信号处理电路的设计方案与选择
本系统设计信号处理包括滤波、A/D 转换、D/A 转换和运算放大器对信
号的放大。A/D 转换由宏晶单片机 STC12C5A60S2 内部提供，低通滤波就是用简
单的电容并联来实现，故只对 DA 转换电路和运算放大器提出方案。
7
MCU 检测到的输入电压来计算电流，达到实现恒阻的目的。恒阻电子负载电路如 图 2-7 所示。
1.1.3 系统组成 根据方案比较与论证，最终确定的系统组成框图如图 2-2 所示。包括 STC12C5A32S2 单片机系统模块、ZL7289 键盘模块、LCD 液晶显示模块、TLC5615 D/A 转换模块和 LM358 与 MTY25N60E 组成电路模块。
芯片，可直接驱动 8 位共阴式数码管，同时还可以扫描管理多于 64 个按键。 ZLG7289 内部含有显示译码器，可直接接受 BCD 码或 16 进制码，并同时具有两 种译码方式。此外，还具有多种控制指令。ZLG7289B 采用 SPI 并行总线与微控 制器接口，仅占用少数几根 I/O 口线。键盘电路的原理图如图 2-4 所示。
显示电路
键盘电路
信号调理电路
主控器
待
测
电
源
MOSFET功率电路
信号调整电路
图 2-1 直流电子负载系统实现框图 该系统实现框图如上图 2-1 所示，包括主控器、键盘、显示电路、MOSFET 功率电路和信号处理电路五个部分，信号处理模块包括信号调整电路和信号调理 电路。图 2-1 中的待测电源是直流电子负载的待测电源，不属于直流电子负载的 系统组成。 1.1.2 方案论证与比较 1.主控器模块的设计方案与选择 主控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。 方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89C51。51 单片机价格便宜，应用广泛，使 用 AT89C51 需外接两路 AD 转换电路，实现较为复杂。 方案二：采用宏晶单片机 STC12C5A60S2。STC12C5A60S2 比普通 51 单片机快 8～12 倍，尤其是其单片机内部有 10 位高速 ADC,可以省去外接两路 A/D 转换电 路，大大提高了系统的整体性能和集成度。 选择方案二以宏晶单片机 STC12C5A60S2 为核心，组成单片最小系统。 2.键盘模块的设计方案与选择 方案一：采用矩阵式键盘。将键盘排列成矩阵形式，需要通过软件对按键进 行判断和定义，且接口电路由单片机系统直接访问和控制，键盘的扫描、去抖动、 判断和编码等操作都需要单片机完成，这样会使得单片机的工作量非常大，使单 片机的效率降低。 方案二：采用专用的按键扫描控制芯片。能够独立的完成对键盘中按键的扫
高速开关芯片,可以应用于电力供应、电机控制、PWM 变流器等领域。
方案二：采用达林顿 TIP122 芯片。TIP122 芯片效率比方案低，功耗也相对
较高。其通用参数为：
电流参数：IC=5A/ICM=8A/IB=0.1A
电压参数：UCEO=UCBO=100V/UEBO=5V
功
wenku.baidu.com
率：Ptot=65W
极 性：NPN
（1）D/A 转换电路
方案一：采用 DAC0809。DAC0809 是并行 8 位数/模转换器，占用端口多，转
换频率低于 1M。
方案二：采用 TLC5615。TLC5615 是串行 10 位数/模转换器，占用端口少，
转换频率高。
两者相比 TLC5615 的速度快，故选择方案二。
（2）信号放大电路
方案一：采用 LM358。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补
3
描与管理，并且通过简单接口与微控制器进行连接。使用按键扫描控制芯片来完
成微控制器的键盘管理，可以大大的提高微控制器的工作效率。
选择方案二，在本直流电子负载中，采用周立功公司生产的 ZLG7289 键盘扫
描控制集成芯片。
3.显示模块的设计方案与选择
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，
2
1.系统设计
1.1 总体设计方案 1.1.1 设计思路 题目要求设计一个直流电子负载，有恒流、恒压和恒模三种模式，可手动切 换。设计中切换部分采用程控键盘切换，而三种模式都是采用运算放大器结合反 馈网络组成的电路实现，根据设计要求，此电路中的反馈网络以场效应管为核心。 控制部分采用单片机来完成，显示采用液晶模块。恒压模式、恒阻模式与恒流模 式硬件实现方法基本相同，软件实现方法类似。
1
引言
电子负载是一种能以手控或程控方式吸收电能的仪器，起到可变电流吸收 器、可变电源电阻器或分路电压调节器作用，当它吸收可变电流时将维持某一固 定电压。系统主要工作于恒压、恒流和恒阻三种工作模式，可用于交直流的电源 的测试，现有的电子负载大多以模拟环节控制，单片机为核心控制系统，由于受 到处理器自身硬件资源和速度的限制，硬件电路设计复杂，数据实时处理能力差， 调节和控制的适应性和可靠性差，难以适应不同电源的具体情况。随着计算机技 术尤其是超大规模集成电路技术的发展，具有更强处理能力的单片机，以其运算 速度快、实时性强、功耗低、抗干扰能力强等特点愈来愈多地被应用，采用集成 ADC 模数转换器的单片机芯片作为整个系统的核心控制单元，大大减少了系统对 外围器件的需求。
主控电路由宏晶单片机 STC12C5A60S2、时钟电路、晶振电路组成的单片机 最小系统构成。主控电路原理图如图 2-3 所示。
2.1 主控电路的设计
2.硬件电路设计
图 2-2 系统的总体结构框图
虽然 OP07 在高增益和高功率上比 LM358 占优势，但是使用 LM358 也能完成 该设计的要求，而且 LM358 比较常见、价格便宜，故选择方案一。
图 2-5 恒流电子负载电路 芯片，实时把模拟量转化为数据量，再经单片机分析处理，通过数据形式的反馈 环节，使电流更加稳定，恒流电子负载电路图如图 2-5 所示。
2.4 恒压电路的设计 此电路中的运算放大器工作在差分模式，利用取样返回，A 点与 B 点比较。 R4 的改变直接导致 V-的改变，从而运放输出信号改变，场效应管导通使得 A 点 改变，使 V+与 V-趋近于相等，从而达到电压恒定。
晶体管和小信号数字化的 MOSFET 取代低电压应用。
4
图 2-3 主控电路原理图 2.2 键盘电路的设计 键盘电路采用周立功公司生产的 ZLG7289 键盘扫描控制集成芯片。ZLG7289B 是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理
5
1 S K 0 1R21 D N VCC D G F N u 0 G 1C101 FF pp 56 1 00 3C3C Y12MHZ 12 21 XX 01234567890 12345678911111111112 D N 123450 ...... 111113 PPPPPPP3.4P3.5 G XTAL2XTAL1 7 . 4 /RD/P3.7 P / T S R /WR/P3.6 DD XX RT // 67 .. 11 PPTXD/P3.1 /INT0/P3.2/INT1/P3.3 2 T U O K L C / 0 . 1 P P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7NA/P4.4ALE/P4.5NA/P4.6P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0VCC STC12C5A60S2 12345678901234567890 22222222233333333334 P00P01P02P03P04P05P06P07P2.0P2.1P2.2 k LED0 0 3 3R22
直流电子负载的设计（E 题）
摘 要：本系统设计的直流电子负载，以单片机 STC12C5A60S2 为主控芯片，包 括主控器、键盘、显示电路、MOSFET 功率电路和信号处理电路。该系统利用取 样和采集电路获取流经电子负载的电流和电压值，送入单片机内部集成的 A/D 转 换器，并经过运算处理控制 D/A 输出，控制 MOSEFT 漏极电流，从而使直流电子 负载达到设定功能。本设计着重阐述了系统框架、工作原理、软硬件设计，并给 出了系统测试表。测试结果表明，该系统具有稳定性强、调节速度快的特点，很 好的满足了提出的性能指标。 关键词：电子负载；控制功率；恒流；恒压； 恒阻
图 2-4 ZLG7289 键盘电路原理图 2.3 恒流电路的设计 本设计对单片机程控输出数字信号，经过 D/A 转换器输出模拟量，再经过运 算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出 不同的电流。在通过键盘设定好需要输出电流值后，单片机对设定值按照一定的 算法进行处理。经 D/A 输出电压控制恒流源电路输出相应的电流值。单片机系统 还兼顾对恒流源进行实时监控，输出电流经过电流/电压转变后，通过 A/D 转换
6
K 0 1R19RES2 K16SW-PBK17SW-PBK18SW-PBK19SW-PBK20SW-PBK21SW-PBK22SW-PBK23SW-PB K 0 1R18RES2 D N G 89 KSW-PBKSW-PBK10SW-PBK11SW-PBK12SW-PBK13SW-PBK14SW-PBK15SW-PB FF pp 34 00 1CCAP1CCAP K 0 1R17RES2 2 1UFCCAP ? Y16MHZ 12 01234567 KSW-PBKSW-PBKSW-PBKSW-PBKSW-PBKSW-PBKSW-PBKSW-PB 00000000 9 77777777 2RRES22R10RES22R11RES22R12RES22R13RES22R14RES22R15RES22R16RES2 56789012345678 11111222222222 /RST OSC2OSC1 KR5/SB KR6/SA KR7/DP KC3DIG3 KC0/DIG0KC1/DIG1KC2/DIG2KC4/DIG4KC5/DIG5KC6/DIG6KC7/DIG7 K 0 1R20RES2 C D CK CNC TL RVCCNGN/CSCDIO/INTSG/KR0SF/KR1SEKR2SD/KR3SC/KR4 1 UZLG7289B 01234 123456789 11111 F p 0 1 0 1CCAP DD KKKKKKKK NN 00000000 12345678 00000000 VCC GG P2.4P2.5P2.6P3.21RRes21RRes21RRes21RRes21RRes21RRES21RRES21RRES2 f u 0 1 D 0 12345 1E N 1 G JCON5
偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工
作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传
感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
方案二：采用 OP07。OP07 是一种低噪声，非斩波稳压的双极性运算放大器，
价格比较贵，使用于高增益的测量和放大传感器的微弱等方面。可作为一种双极
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。
选择方案二，本系统采用的点阵式 LCD 型号为 FYD12864。
4.MOSFET 功率电路的设计方案与选择
方案一：采用 MTY25N60E MOS 管，它常用于电力领域的应用。专为高电压、
编程容易，对外界环境要求较低，易于维护等特点。但是，考虑到普通数码管能
够显示的信息量有限，并且一般情况下要显示较多的信息所占用的系统 I/O 资源
较多。
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
通过比较论证，选择方案二，采用 MTY25N60E。
5.信号处理电路的设计方案与选择
本系统设计信号处理包括滤波、A/D 转换、D/A 转换和运算放大器对信
号的放大。A/D 转换由宏晶单片机 STC12C5A60S2 内部提供，低通滤波就是用简
单的电容并联来实现，故只对 DA 转换电路和运算放大器提出方案。