简易直流电子负载

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1、简易直流电子负载张良毛伟周旭摘要：本设计是以场效应晶体管电压转换电流原理为核心，以硬件反馈实现恒流为基础，以单片机控制为中心的高精度作品。此次设计为恒流源法直流电子负载。本系统中电压和电流的测量都采用高精度运放对电压和电流分别采样处理，再利用12位高精度ICL7135输入口进行电压和电流检测和监控。硬件电路恒流部分的控制端采用多个精密运算放大器OP07接成闭环反馈控制形式。系统达到了恒流稳定性高的效果，实时显示电压电流，电流范围为100mA—1000mA，步进为10mA，且分辨率达到1mA（V）。直流负载热稳定

2、性高，工作过程中基本不会因发热而产生偏差，且可以持续很长时间。本设计具有过压保护功能，成本低廉，可靠性高。关键字：场效应管；采样；闭环反馈；过压保护-16-一、方案论证1、恒流控制方案方案一：从取样电阻取回的电压与DA输出电压作差分放大，放大后的电压经电阻转换为电流，电流经过达林顿复合管扩流后得到所需要的电流。方案二：从取样电阻取回的电压与DA输出电压作差分放大，放大后的电压经过场效应管直接变换为电流。方案选择：方案一虽能够达到所需电流要求，但复合管的基极的电流会流入负载，对电流的恒流造成误差；方案二中的场效应

3、管能够实现电流要求，且输入级没有电流，在放大区工作稳定，因此选择方案二。2、输出电流采集方案方案一：直接从功耗电阻上采集电压，从而得到电压和固定电阻得到电流采样。方案二：在功耗元件上端串联一个小功率电阻作为采样，采得电压除以固定电阻得到电流。方案选择：方案一中的采集电阻大，因而采集得到的电压变化很大，经过运放后对电流的精确度有影响，而方案二中的电阻为精确小电阻，得到电压精确运算后可以得到精确电流。3、功耗原件选择方案方案一：功耗元件为功率管，大部分功率都消耗在功率管上。方案二：功耗元件为多只功率电阻并联作为功耗

4、电阻，晶体管只为开关使用，开关上消耗功率低。方案选择：方案一中对功率管的热消耗巨大，对功率管的散热具有非常高的要求，且发热会对电流产生误差，方案二中的功率原件为多只功率电阻，因而电阻的发热比较小，对电流影响较小，因此选择方案二。4、输出电压采集方案方案一：对功耗元件上电压采集得到电源输出电压。方案二：对整个电流支流的电压进行采集,即对整个输出电压采集。方案选择：方案一是对功耗元件电压的准确测量，但在电流采样电阻和晶体管上也有分压，并不能代表输出电压（负载电压），方案二是对整体输出电压的采样，能准确测量电源输出电

5、压（负载电压），因此选择方案二。二、系统总体方案如图2-1所示：本设计采用高速单片机作为恒流源的控制、显示和输出电压电流检测核心，实现了100mA到1000mA数控可调直流电子负载。系统的显示部分采用128×64点阵式液晶显示屏实时显示输出电压-16-值和电流值；输出电流控制采用TI芯片DAC7611输出模拟量来控制OP07；电流测量采用基本没有温度漂移的康锰铜电阻丝作为精密取样电阻，利用单片机外扩的A/D输入口进行电流检测和监控。硬件电路恒流部分的控制端采用多个精密运算放大器OP07接成闭环反馈控制形式，受控

6、部分采用IRF540场效应功率管产生电流。电源部分运用LM7805和LM7905产生正、负12V电压供电，多级电容滤除纹波干扰；实时监测输出电压和电流，根据电压变化率得到负载调整率，当输出电压大于18V能够实现报警和软件关断功能。1、控制模块：采用高精密放大运放OP07对控制信号和反馈信号取差，差信号控制功率管。2、测量模块：采用12位AD转换芯片对电压电流实时监测。3、过压保护模块：采用软件保护，当监测输出电压达到18V时，送一高电平给I/O，单片机监测到高电平时DA停止工作。4、功耗模块：用四个30欧姆水泥

7、功率电阻做功耗原件。从而整体实现电子负载的功能。-16-1、电源模块：采用线性集成稳压器LM7805，,LM7905构成正负12V和正负5V供电电压。图3-1恒流原理一、理论分析与计算1、电子负载及恒流电路的分析电子负载为功率管和功率电阻组成的功耗负载，输出功率都消耗在功率管和功率电阻上，实现了电子负载的功能。恒流电路的实现：控制电路为DAC输出直流电平和从取样电阻得到的取样电压取差，差值放大控制晶体管的漏极，从而控制电流的稳定，具体流程如图3-1所示：当电流变化，采样电压改变，采取的电压和控制电压取差后控制晶

8、体管电流朝与之前变化相反的方向变化，直到稳定，从而实现恒流。2、电压、电流的测量及精度分析电压、电流的测量都是通过对电压、电流取样，得到的电压值经过精密运放OP07处理，得到0-2V信号，送给12位AD转化后由单片机处理并显示。12位的AD和DA可以得到1mA和1mV的分辨率，且OP07为高精度运放，控制好电路反馈系数可以达到题目所需精度。3、电源负载调整率的测试原理如图3-2所示：电