【天津功工业大学】简易电子负载 王昭

关键词：恒流cc 电子负载 过压保护

第一章 设计任务与要求****

简易电子负载

一、任务

设计和制作一台具有恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载。其原理示意图如图 1 所

二、要求

1. 基本要求

（1） 恒流（CC）工作模式的电流设置范围为 50mA～1500mA，设置分辨率为 10mA，设置精度为±1%。还要求 CC 工作模式具有开路设置，相当于设置的电流值为零（20 分）。

（2） 在恒流（CC）工作模式下，当电子负载两端电压变化 12V 时，要求输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的 1％（20 分）。

（3） 具有过压保护功能，过压阈值电压为 20V±0.1V（10 分）。

2. 发挥部分

（1）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%+0.02%FS ），分辨率为 1mV（5 分）。

（2）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±（0.1%+0.1%FS），分辨力为 1mA（5 分）。

（3）具有直流稳压电源负载调整率自动测量功能，测量范围为 0.1%～19.9%，测量精度为±1%。为方便，本题要求被测直流稳压电源的输出电压在 10V以内（10 分）。

（4）能够实现恒压、恒阻功能（20 分）。

（5）其他功能（10 分）

1.3题目评析****

根据设计要求，对题目评析如下：

一.实现恒流CC工作模式。

二.可控制电流调整。

三.数字显示测量电流和电压。

四.数字显示负载调整率。

第二章 方案论证****

2.1 论证比较****

2.1.1电子负载方案：****

方案一：新型反馈式智能电子负载，它是一种用于各种交直流电源间电气隔离可调节的装置，同时能够将直流电逆变为交流电并入电网，实现电能的再生利用。因为题目仅要求工作于直流状态，故此方案过于繁复。

方案二：传统型模拟负载—电子负载，此方案以单片机为核心，把电能转化为热能，通过三极管消耗电能。操作时只需程序控制，就能实现恒流、恒压、恒功率和恒阻等模式。恒流模式可通过设定电流值来调整DAC输出；恒压模式可利用软件闭环，通过比较电压采样值与设定值的大小不断调整DAC，以使输出电压值与设定电压值相等；恒功率模式可将设定功率除以电压采样值得到电流值来调整DAC输出；恒阻模式可将电压采样值除以设定电阻得到电流值来调整DAC输出。本设计采用此方案。

2.1.2恒流源电路方案

方案一：采用软件闭环控制方式。键盘预置电流值，DAC将其转换为电压信号从而控制输出电流。采样电路将实际输出的电流值转换为相应电压值经过ADC转换送回单片机，与预置电流值进行比较并通过适当的算法，调整输出电流值使其与设定电流值相等，从而构成软件闭环控制系统。当电压、电流测量精度很高时，可以达到精密控制，但其反应速度慢。

方案二：采用硬件闭环控制方式。典型电路如图1所示，根据集成运放的虚短概念，可得到：I

Vin/R1。式中I为负载电流，R1为取样电阻，V_in为运算放大器同相端输入信号。

若R₁固定，则I完全由V_in决定，此时无论Vcc或是R_L发生变化，利用反馈环的自动调节作用，都能使I迅速保持稳定。此方案电路简单、反应速度快，故本设计采用此方案。

图2 硬件闭环稳流电路

第三章 硬件单元电路设计****

3.1 主控模块STM32单片机****

主控模块选择STM32单片机而非51单片机，主要因为STM32具有以下优点，非常适合本次比赛项目。结构上具有以下特点：

1. STM32 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。

2. STM32 单片机功能强大，实现多个adc口采样

3. 抗干扰能力强，温度范围宽。

4. 可以多机控制。

图3 STM32单片机

图4电路图

3.2 恒流模块****

****                 图5恒流模块********

****恒流模块主要就是用两个大功率的****三极管来放大电流，加入正反馈以保证电流恒定不变。

3.3过压保护模块****

图6过压保护模块****

过压保护核心是一个LM358运放正端接一个可调电阻并采用TL431进行稳压处理，根据电阻和输入电压的变化而变化，负端是一个稳压管，稳定电压在2.5v左右，当负端大于正端，则输出一个低电平，三极管不工作电路关闭，当正端大于负端则输出一个高电平，三极管开始工作。

3.4**** ADC****采集模块****

本电路采用24位模数转换器AD，进一步提高了电压、电流的测量精度。由stm32中ADC采样。信号输入端接入截至电容0.1uF进行滤波，以减少噪声的干扰。AD采用其典型接法，基准电压由AD提供，电压采样信号与电流采样信号分别送入AD的两个通道。

2. 电源负载调整率的测试原理

   负载调整率的测量电路如图6，负载调整率是指直流稳压电源输出电流从零至额定值变化时引起电子负载两端电压的变化率，为测量方便，可以在被测电源的输出端串接一个电阻Rw，更换不同阻值的Rw，可以改变被测直流稳压电源的负载调整率。即当直流稳压输出电压不变，负载从零变化到额定值时，电子负载两端电压的变化，通常用百分比表示。

其中V1为电子负载两端电压的开路值，V2为1A时的电压，额定电压题目指定为10V.

图7  负载调整率测试示意图

第三章 系统调试

4.1 测试方案****

4.1.1仿真测试****

图8仿真图****

当改变电压源的电压时候经过R4的电阻不发生改变，实现了恒流功能，当电压源的电压超过20v时候，采样电阻两端的电压几乎变为0，实现了过压保护的功能。****

 4.1.2实物板测试****

基于****实物进行测试后发现有两个问题

1．测电压时电压过大，ADC采样的范围应该小于3.3v，针对这个问题我们串联了一个三极管，更换了一个采样点，减小了电压。

2.电子负载两端的电压变化过大，导致测试是不准确，ADC采样的数值一直在变化，针对这个问题我们采用了三个方案，一是加入滤波电容，让电阻两端的电压随着电源输入端的变化而不发生明显波动，二是为避免采样电阻通过大电流时发热引起阻值变化影响输出电流，本电路将大功率弹簧式采样电阻接入电路，三是为了减小三极管发热带来的震荡，采用多个三极管并联分流的方式增加散热，如此可提高电源输出电流稳定性。

具体测试如下****

4.1.3****pcb板测试

****第五章     软件程序设计

本系统软件的主要任务是利用ADS1256根据采集通道的不同换算成0mA～2000mA或0～30V显示，并且能根据用户操作使DAC12产生0～1.5V的电压，其中按键全部采用中断查询的方式。

软件流程如图8所示：

                               图9  程序流程图

**** 结束语：****经实际测试本系统全部完成了基本要求，扩大了电流范围，还增加了恒压、恒阻和恒功率等工作模式，并加入了掉电参数保持，软启动，电流扫描等功能。