直流电子负载设计

第３１卷第１期　陕西科技大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３１　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２Ｏ１３　２０１３年２月　文章编号：１０００—５８１１（２０１３）０１—０１３９—０４　直流电子负载设计　张玉叶，郗艳华　（成阳师范学院物理与电子工程学院，陕西成阳　７１２０００）　摘　要：本系统设计以单片机为控制核心的电子负载．恒流方式时不论输入电压如何变化（在　一定范围内），流过该电子负载的电流恒定，且电流值可经单片机处理后经ＤＡＣ０８３２芯片，使　电流输出范围为１００～１　０００　ｍＡ，步进为１０　ｍＡ在数码管上显示数据．电压、电流检测信号经　ＡＤＣ（ＴＬＣ２５４３）反馈到单片机进行处理，并由ＬＣＤ１６０２显示数据，此外还加入自动过载保护　电路，测试结果良好．　关键词：ＡＴ８９Ｓ５２单片机；电子负载；恒流源；电压测量　中图法分类号：ＴＰ２１２　、文献标识码：Ａ　Ｓｉｍｐｌｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＤＣ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｌｏａｄ　ＺＨＡＮＧ　ＹＵ　ｙｅ，ＸＩ　Ｙａｎ—ｈｕａ　Ｘｉａｎｙａｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ　７１２０００，Ｃｈｉｎａ）　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｏｄｅ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｉｎｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ（ｒｅｇａｒｄｌｅｓｓ　ｏｆ　ｈｏｗ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｉｎ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｒａｎｇｅ），ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｅ—　ｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｌｏａｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｓ　ｃｏｎｓｔａｎｔ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｖａｌｕｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｂｙ　ＤＡＣ０８３２　ｃｈｉｐ　ｅｎａｂｌｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｏｆ　１００～１　０００　ｍＡ，ｓｔｅｐ　１０　ｍＡ　ａｎｄ　ｉｎ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｔｕｂｅ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｄａｔａ．Ｖｏｌｔａｇｅ，ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｂｙ　ＡＤＣ（ＴＬＣ２５４３）ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ—　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｆｏｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ａｎｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ＬＣＤ１６０２　ｄｉｓｐｌａｙ　ｄａｔａ，ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｔｏ　ｊｏｉｎ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｏ—　ｖｅｒｌｏａｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＡＴ８９Ｓ５２；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｌｏａｄ；ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｏｕｒｃｅ；ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．　是在实际应用中负载比较复杂的情况下而设计生　０　引言　产的测试设备．它能替代传统的负载，如电阻箱、滑　线变阻器、电容等．尤其对吸收恒定电流或以恒定　在电子技术应用领域，经常要对开关电源、线　性电源、ＵＰＳ电源等电子设备进行测试，如何对其　输出特性进行可靠、全面且比较简单、快捷的测试，　一电压吸收电流，或电压电流都要在设定范围突变等　传统方法不能解决的领域里，更能显示出优越性　能Ⅲ．　现在有一种新型多功能的电子负载，可据实际　直是仪表测试行业研究的问题．传统的测试方法　中一般都采用电阻、滑线变阻器等充当测试负载，　但这些负载不能满足我们对负载多方面的要求，　如：恒定电流的负载；带输出接口的负载；恒功率的　负载、动态负载、多输出端口的负载等．电子负载就　收稿日期：２０１２—０９—０８　应用中对负载特性的要求进行设置，满足了我们对　负载的各种要求，解决了开发研制测试中的困难．　本系统利用单片机ＡＴ８９Ｓ５２，选用运放　基金项目：咸阳师范学院校级教改项目（２００９０２０１４）；咸阳师范学院教研基金项目（０９ＸＳＹＫ２０５）　作者简介：张玉叶（１９７９一），女，陕西礼泉人，讲师，硕士，研究方向：控制理论与控制工程　・１４０・　陕西科技大学学报　第３ｌ卷　ＬＭ３５８ＡＤ，将反相端输入端与输出端采用负反馈　电路，在反馈电路中加入可调电阻，使得采样电阻　上的电流可以微调，实现输出电流与理论值相同，　大大提高了输出电流的精度，又由于运放的同相输　入端的信号来自于数模转换模块的运放输出，稳定　性很高．　１设计方案与系统结构　本系统利用单片机及其外围电路，包括４×４　矩阵键盘、液晶ＬＣＤ１６０２显示、ＬＥＤ数码管显示　等．键盘设定负载参数并显示，自行制作一台恒流　源，并搭建电压、电流检测结果经ＡＤＣ转换送给　单片机处理其相应的数据并显示相应的数据，以及　功率控制电路，模块化实现恒流并加入自动过压保　护部分．用单片机作为控制的核心．系统原理框图　如图１所示．　竺　ｌ一　功　测被　世片机　臣互　束　路　电　．　源｝＿　电设　　备　．－　图１　系统原理框图　本系统设计电子负载为恒流模式．恒流方式时　不论输人电压如何变化（在一定范围内），流经该电　子负载的电流恒定，且电流值可以自行设定．　要求：　（１）负载工作模式：恒流（ＣＣ）模式．　（２）电流设置及读出范围：１Ｏ０～１　０００　ｍＡ．　（３）显示分辨能力及精度：电流测量精度为±　（０．１　＋Ｏ．１　ＦＳ），分辨率为１　ｍＡ．　电压电流检测，用Ａ／Ｄ转换器把电路中的电　压电流模拟信号转换为数字信号，然后送往单片　机，通过单片机处理重置电流，用数码管显示即时　电流．　２　系统设计　２．１　电子负载及恒流电路分析　电子负载的原理是控制内功率ＭＯＳＦＥＴ管　或者是晶体管的导通量，靠的是功率管的耗散功率　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，同时实现模拟负载短路，模拟负　载是感性、阻性还是容性．根据电子负载设计要求，　此次设计的恒流源电路原理图如图２所示．　ＶＣＣ　ＶＲ　图２　恒流源电路原理图　恒流电路分析：如图２所示，尺为采样电阻，　是给定信号．电路的工作原理是：当给定一个　信号Ｖ　，如果Ｒ上的电压小于　，也就是　ＬＭ３５８的输出加大，使ＭＯＳ管ＩＲＦ３２０５导通，流　过Ｒ的电流加大，如果Ｒ上的电压小于　，降低　了Ｒ的电流，这样电路最终维持在恒定的给定值　上，当　用ＤＡＣ芯片由ＭＣＵ控制输入，则可实　现１ＯＯ～１　０００　ｍＡ可调，步进为１０　ｍＡ［２　．　２．２　电压检测电路　电压的检测指加入被测电源后ＶＩＮ的数值，　电压检测电路原理图如图３所示．　图３　电压检测电路原理图　电压检测电路由运放虚断，运放ＨＡ１７７４１是　一个内部相位补偿，高性能运算放大器的输入端无　电流流人，则：　（　１一Ｖ３）／Ｒ２一Ｖ。／Ｒ　（１）　（Ｖ。一Ｖ２）／Ｒ３一Ｖ２／Ｒ　（２）　Ｖ２一Ｖ３　（３）　如果Ｒ。：ＪＲ　，Ｒ。一Ｒ　，则Ｖ。一Ｖ　；得到检测信　号　经ＡＤＣ芯片给单片机进行处理［２　］．　２．３电流检测电路［　电流的测量指在一定的　下，流过Ｒ的电　第１期　张玉叶等：直流电子负载设计　・１４１・　流值，电流检测电路原理图如图４所示．　图４　电流检测电路原理图　电流检测电路是选用ＴＩ公司高精度、宽共模　范围、双向电流分流监控器芯片ＩＮＡ２８２将电流信　号转换成电压信号，再送ＡＤＣ转换成数字信号，　如图Ｉｍ的范围１００～１　０００　ｍＡ，此电流经过Ｒ　就会产生　一Ｖ。的电压差，由虚断知：运放输入　端没有电流流过，则Ｒ。与Ｒ　的电流相等，故：　（Ｖ２一Ｖ　）／Ｒ３一Ｖ　／Ｒ５　（４）　（、／ｒ　一Ｖ　）／Ｒ２＝＝＝（　—Ｖ。）／Ｒ　（５）　又因为Ｖ　一　，如果Ｒ。＝＝＝Ｒ２，Ｒ　一Ｒ　，得Ｖ。一　一Ｖｚ；即把电流信号转换成电压信号由ＡＤＣ变为　数字信号让ＭＣＵ处理．　２．４过压保护电路　当电源输出电压超过最大的限定电压时，电　源自动关闭，称为过电压保护．过压保护测试用来　验证电源在出现异常情况时，能否正确地作出反　应．本系统电压保护电路原理图如图５所示．　图５　过压保护原理图　过压保护原理：当电路中电压小于５　ｖ时，二　极管不导通从而使得三极管截止单极闭继电器不　工作电路正常工作，当电压大于５　Ｖ时二极管导通　使得三极管工作继而继电器工作切断电路起到保　护电路作用．（将１８　Ｖ转换为５　Ｖ作为基准）．　２．５数字控制的衰减器电路设计及实现原理［　＇７］　用一片ＤＡＣ（Ｏ８３２）和运算放大器（ＬＭ７４１）即　可组成数字控制的衰减器电路．　表１　ＤＡＣ０８３２输入与ＬＭ７４１输出的关系　数字输入（Ｄ　）　放大倍数　输入的数字信号经ＤＡ０８３２转变为以电流形　式输出的模拟信号，模拟信号再经ＬＭ７４１放大以　电压的形式输出，输出电压的表达式如下：　将　一　（６）　ＶＲＥＦ＝＝：Ｖ　（７）　代人　Ｊ。＝＝＝一　∑Ｄ　２　（８）　通过运算放大器将电流信号变换成电压信号输出　故：　Ｖ。　一一１０Ｒ　（９）　一　２　得步长：ＶＡ　一一Ｖ　ｅＥ　ｒ　（１１）　３软件流程设计　此电子负载除了要完成作为负载的功能以外，　还要实现ｉ／ｕ数据采集、测量与显示的任务．且显　示分辨力至少具有三位数，相对误差小于５　．软　件流程图如图６所示．　Ｉ　初始化　Ｉ　●　设置电流恒定值　ＤＡＣ０８３２转换输出　‘　设置过压保护转化　　ｌＬＥＤ显示　Ｉ　图６软件流程图　４结果测试　・　１４２　・　陕西科技大学学报　第３１卷　４．１　测试方案及测试条件　（１）测试仪器表　表２测试仪器表　（２）测试方案　开始供电后，数码管Ｉ　ＥＤ显示键盘输人的设　定值，之后模拟电路做一些可能需要的微调，比如　模拟开关等，开始测试后，ＬＣＤ将实时将电压、电　阻测得的实际数据显示出来，并保留最近的数据，　方便查看，并能看出数据的趋势和波动情形．我们　分别测试了恒流模块，不妨以恒流为例，设定好恒　流值后，在某个输入电压下，记录一些数值，然后改　变输入电压再进行记录．　４．２　测试结果完整性　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　＋０．０２　ＦＳ），若ＶＲＥＦ为５　Ｖ　时，分辨力为１．２２　ｍＶ，就无法达到发挥部分的要　求．若使分辨率达到１　ｍＶ，使　为４．０９６　Ｖ，　ＡＤＣ（ＴＬＣ２５４３）分辨力一４．０９６　ｖ／２　一９．９９７　６　×１０　≈１　ｍＶ．就基本满足设计要求测量并显示　流过电子负载的电流数据，把检测的电流信号转化　为电压信号，采集的模拟信号经ＡＤＣ（ＴＬＣ２５４３）　转换，送给单片机处理数字信号，并将处理的结果　通过ＬＣＤ１６０２液晶显示屏显示［８］．　４．３测试结果分析　调试检测实验数据分为恒流检测、负载电流检　测和负载电压检测，恒流检测结果如表３所示．　表３恒流数据　预置值Ｄ　１Ｏ　２０　３Ｏ　４Ｏ　５Ｏ　实测电流／ｍＡ　９９　１９３　２９８　３９８　５０７　端电压／ｍＶ　１　０１０　２　０２０　３　０２０　４　０３０　５０５０　由数据表明，实测电流的值都稳定在设定值左　右，经计算，相对误差小于２　．说明系统在恒流模　式下工作正常．　４．４　流过负载电流的测量　表４负载电流检测　预设值Ｄ　１Ｏ　３Ｏ　５Ｏ　６Ｏ　７Ｏ　实测电流／ｍＡ　显示电流／ｍＡ　４．５　负载两端电压的测量　表５负载电压检测　预设电压／ｍＶ　９　５００　９　５００　９　５００　９　５００　９　５００　实测电压／ｍＹ　１　０１０　２　０１０　３　０３０　４　０４０　５　０９０　显示电压／ｍＶ　１０　２２８　１０　２２８　１０　２０２　９　６２１　９　９７３　在某个设定电流值下，改变输入电压，记录电　压电流值．　分析数据发现，在设定电流为０．０５　Ａ时，改变　输入电压，电流基本稳定在０．０５１　５　Ａ左右，刚好　超过了５　的误差．这也是很好理解的，设定电流　过小，采样引起的误差被相对放大了．　而设定电流比该值大时，实测数据基本完全在　５　误差要求范围内，而且常常处在１　的误差范　围内Ｅ９，１ｏ］．　电流最大设定为ｌ　Ａ左右，且在这个电流值时　误差仍然非常小，约２　．　５　结论　设计的以两片ＡＴ８９Ｓ５２单片机为控制核心的　电子负载，能够直接检测被测电源的电流值、电压　值．负载参数可以设定，键盘输入的数据经单片机　从数码管显示并把数字信号经ＤＡＣ０８３２转化为　模拟信号，记得到某一特定的电压值，即为恒流源，　且各个数据均能直观的在ＬＣＤ１６０２上显示．　当然，在实验的过程中也出现了许多问题，如　对电阻功率的大小考虑欠妥会导致一开始测试的　数据偏差较大等．由于时间仓促以及实验条件与自　身能力所限，本设计还存在许多不足．负载参数的　设置与读出范围也有待扩大，同时可以加入功率显　示模块等以便更全面地测试电源性能．　参考文献　［１］阎石．数字电子技术基础［Ｍ］．高等教育出版社，２００３：　６，１５４—１５５．　［２］华成英，童诗白．模拟电子技术基础［Ｍ］．高等教育出版　社，２００６：５，７５　７９　［３］孙肖子，邓建国，陈南．电子设计指南［Ｍ］．等教育出版　社，２００６：１０，１８－２５　［４］．ＡＣ—ＤＣ电源的设计［ＤＢ／（）Ｉ　］．ｈｔｔｐ：／／ｐｏｗｅｒ．　２１ｉｃ．ｃｏｍ／ａｃ／ｔｅｃｈｎｉｃａｌ／２０１　２１１／２９３５６．ｈｔｍ１．２０１１—１１—０１／　２Ｏ１２一Ｏ７—０６．　（下转第１６４页）　・　１６４　・　陕西科技大学学报　第３１卷　ＭＳＥ　√　骞ｃｙ　一　，　参考文献　［１］惠军，武志辉，缪柏其．改进的函数系数自回归建模方法　从表６中可以看出，各模型的ＭＡＥ和ＭＳＥ　从小到大依次是：基于分数阶差分的ＦＡＲ模型、　基于小波的ＦＡＲ模型和单纯的ＦＡＲ模型．说明　对上海股市实证研究［Ｊ］．运筹与管理，２００７，１６（４）：１０７　１１０．　Ｅ２］田　玲，张岳．基于ＧＡＲＣＨ模型的我国保险公司经济　ＦＡＲ模型对经过分数阶差分后的国际黄金价格序　列具有更好的解释能力，模型预测精度较高．　４结论　资本度量［Ｊ］．保险研究，２ｏ１ｏ，３３（３）：３７—４１．　［３］朱艳科．基于ＥＧＡＲＣＨ模型的人名币汇率波动性研究　［Ｊ］．广西科学．２０１１，１８（１）：１０２—１０４．　［４］王博．基于ＡＲＭＡ—ＧＡＲＣＨ模型的上证指数研究［Ｊ］．　科学技术与工程，２０１２，１２（５）：１　２１　９－１　２２１．　本文对国际黄金价格月度数据建立了基于分　数阶差分的ＦＡＲ模型，并与基于小波的ＦＡＲ模　型和单纯的ＦＡＲ模型进行了比较分析．由于利用　分数阶差分处理后有效的去除了数据的长记忆性，　因此，基于分数阶差分的ＦＡＲ模型具有较高的预　测精度．　［５］范剑青，姚琦伟．非线性时间序列一一建模、预报及应用　［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００５：２４３—２４８．　［６］Ｈａｎｍａｎ　Ｅ．Ｊ．Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｘｅｄ　ａｕｔｏｇｒｅｓｓｉｖｅ—　ｍｏｖｉｎｇ［Ｊ］．Ｂｉｏｍｅｔｒｉｋａ，１９８２，６９（１）：８１—９４．　［７３胡申敏，许维胜，王中杰，等．基于分数差分和Ｆｕｚｚ￣Ａｒ的　网络流量建模和预测［Ｊ］．计算机工程与应用，２００６，４２　（１９）：１０４—１０７．　（上接第１４２页）　［８］何希才．新型集成电路及其应用实例［Ｍ］．北京：科学出版　社，２００３：１６１－１６９．　［５］Ｍａｔｃｈ．ＡＤ４０２Ｍ１８６ＲＢＢ－５［ＤＢ／ＯＩ　］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａ１ｌ　ｄａｔａｓｈｅｅｔ．ｃｏｍ／ｄａｔａｓｈｅｅｔ—ｐｄｆ／ｐｄｆ／８１１５５／ＥＴＣ／　ＡＤ４Ｏ２Ｍ１８６ＲＢＢ＿５．ｈｔｍ１．　［９］全国大学生电子设计竞赛训练教程［Ｍ］．北京航空航天大　学出版社，２００７．　［６］吴炳胜．８０Ｃ５１单片机原理及应用技术［Ｍ］．北京：冶金工　业出版社，２００６：１３０—１４３．　［１Ｏ］徐爱钧．智能化测量控制仪表原理与设计［Ｍ］．北京航空　航天大学出版社，２００６：２０５—２０８．　［７］张迎新．单片微型计算机原理应用及接口技术［Ｍ］．北京：　国防工业出版社，１９９３：４８—６５．　（上接第１４６页）　参考文献　［１］肖　峻，牛　炜，莫易敏．收发同体型超声测距系统设计　［６］李军，申俊泽．超声测距模块ＨＣ—ＳＲ０４的超声波测距仪　设计［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２０１１，１１（１Ｏ）：７８．　［７］金文俊，冯浩，华亮．基于超声波传感器的自主移动机　［Ｊ］．传感器技术，２００３，２２（８）：３２　３３．　［２］孙明明．超声导航移动机器人关键技术的研究［Ｄ］．杭州：　浙江大学，２００５．　器人的探测系统［Ｊ］．现代电子技术，２００８，３２（４）：１５８．　［８］钱志伟．护士助手机器人的超声波障碍物识别方法研究　［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨二亡程大学，２００８．．　［９］Ｓｅｉｊｉ　Ａｏｙａｇｉ，Ｋｉｙｏｓｈｉ　Ｔａｋｅｈａｔａ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎｏｂｊｅｃｔ　ｓｈａｐｅ　ｒｅｃ—　［３］张杨，于银涛．嵌入式ＩＡｎｕｘ设备驱动开发详解［Ｍ］．北　京：人民邮电出版社，２００８．　ｏｇｎｉｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ａｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎ—ｉｃ　ｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉ—　ｎｅｅｒｉｎｇ，２００１，１８（２）：１０５—１１７．　［４］孙琼．嵌入式Ｌｉｎｕｘ应用程序开发详解［Ｍ］．北京：人　民邮电出版社，２００６．　［１０］张举，钟　勇．脱水器油水界面超声监测仪［Ｊ］．黑龙　［５］韦东山．嵌入式Ｌｉｎｕｘ应用开发完全手册［Ｍ］．北京：人民　邮电出版社，２００８：２９—４３．　江：大庆石油学院学报，１９８８，１２（１）：８６．