辽宁省电子设计大赛直流电子负载设计

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1、简易直流电子负载13摘要本作品基于压控恒流源设计，由电流控制模块、控制器、键盘及显示模块、负载保护模块、开路检测模块等组成，具有很稳定的恒流效果。将输入信号降压获得输出电压。电流控制模块由CMOS晶体管，通过对栅极电压的控制，得到不同的电流值。本设计利用硬件反馈调节的方法，大量减少了控制器的运算量和执行效率，恒流效果较高。软件调节利用C8051单片机进行编程，有效提高恒流效果。关键词：恒流源；C8051F020单片机；反馈;PID控制。13目录摘要21系统方案设计与比较41.1电流恒定控制部分41.2输出电流检测部分51.

2、3控制电路部分61.4过压保护电路部分61.5电流开路检测部分72理论分析与计算72.1电子负载及恒流电路分析72.2电压、电流的测量及精度分析72.3电源负载调整率测试原理83电路与程序设计83.1系统框图83.2电路设计83.3软件设计94测试方案与测试结果104.1测试仪器104.2测试方法104.3测试数据104.4测试结果分析115结论116参考文献11附录12131系统及方案设计1.1系统总体方案框图如图，系统输入在0—10v内变化，通过电源输出经过负载得到电流。电流的恒定控制是利用控制器C8051F020的键

3、盘输入值，实现数控功能。根据设定值，设定DAC输出电压值，通过驱动场效应管来实现恒流控制。C8051F020通过读取采样电阻返回的误差的偏差值，来校正输出电流。同时，还可以实现空载检测以及过压保护功能。图1系统总体方案图1.2硬件电路方案1.2.1电流恒定控制部分方案一：采用纯硬件方式控制设计电路，电压、电流预设置通过调节电位器实现，电流、电压取样反馈值送入比较电路，实现恒压、恒流和恒阻的功能，电路相对比较复杂，且可实现的功能有限，在短时间内制作会比较粗糙，工作量较大。13方案二：采用C8051F120单片机作为核心控制单

4、元，内部包含12位A/D、D/A转换功能，精确度高。通过软件编程可以实现对电压、电流和电阻预设置、A/D采样比较、D/A输出、LCD显示等功能。但调节较麻烦，波动大，且控制器工作量大，难控制。方案三：采用CMOS场效应管构成压控恒流源，但是反馈不只由控制器给出，还由硬件电路直接引出，系统框图及原理如下，方案极大的减少了控制器的运算量。而且相比以上两种方案，本方案输出电流更稳定，而且控制更方便，因而电路的可靠性更高。故选方案三。其中驱动运放采用op07芯片。图2电流恒定控制框图图3电流恒定控制电路原理图恒定控制电路原理图，由

5、于AD输出电压带负载能力较弱，所以电路第一级由LM358构成电压跟随器，R11，R12构成电阻分压电路。第二级场效应管和OP07构成源极跟随器，其作用相当于电压跟随器。总体作用是通过单片机输出电压控制输出电流，由2端反馈控制电流趋于恒定。1.2.2电流检测部分方案一：采用两运放仪表放大器，电路如下。两运放仪表放大器价格低廉，并且在直流处拥有优良的共模抑制比，但是由于输入引脚的信号路径不平衡（一个输入直接进入A2，一个进过A1后才进入A2），导致在频率稍高时CMRR急剧恶化。13图4仪表放大器电流检测电路（双运放）方案二：采

6、用仪表放大器AD620，将各种噪声干扰抵消，同时利用精密电阻RS与负载RL串联，将电阻RS两端电压进行差分放大，最后由控制器的ADC对其进行采样。AD620具有高精度（最大非线性度为40ppm）和高共模抑制比（高达100dB），并且电路组成简单，所以选用此方案。电流检测被测电源设备DAAD620采样电阻图5AD620电流检测框图图6AD620电流检测电路原理图13上图为AD620电流检测电路原理图，R13为采样电阻，其作用是把电流信号转换为电压信号，便于单片机采集。AD620为仪表放大器，它能使双端信号变为单端信号，单端输

7、出信号由AD采集进入单片机。芯片上端电容起到滤出电源干扰信号的作用，使输出电压稳定。1.2.3控制电路方案方案一：采用ATMEL公司的AT89S51单片机，在利用外围ADC以及DAC完成系统反馈功能。AT89S51开发简单，初学者容易上手，但是自带外围模块较少，需外接很多元器件。方案二：采用FPGA，FPGA资源丰富，可实现灵活的编程控制。但是FPGA功耗较大，不适于开发低功耗电源。方案三：采用C8051F020单片机，C8051F020单片机拥有功能全，内存大等特点，而且内部集成了ADC等众多外围器件，因此在性价比、速度

8、方面很有优势。故选用方案三。1.2.4过压电路保护本部分采用专用比较器LM311，对电源输出进行过压保护。通过比较器对继电器的控制来实现对电源输出的控制。发光二级管起到报警作用。发光二级管LM311比较器被测电源设备继电器图7过压保护电路框图13图8过压保护电路电路原理图上图为过压保护电路电路原理图，R