一種新型智能電子負(fù)載的設(shè)計(jì)

0 引言

電子負(fù)載具有體積小，調(diào)節(jié)方便，工作方式靈活，性能穩(wěn)定，精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電源類產(chǎn)品和各類電子元器件的實(shí)驗(yàn).測(cè)試.檢定和老化環(huán)節(jié).該方案基于51單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一種智能電子負(fù)載，與其他同類設(shè)計(jì)相比，具有直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率自動(dòng)測(cè)試功能.

1 系統(tǒng)原理整個(gè)智能電子負(fù)載系統(tǒng)由單片機(jī).恒流控制電路.功率負(fù)載器件.電壓電流檢測(cè)電路.過(guò)壓保護(hù).供電電源等構(gòu)成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示.

電子負(fù)載工作在定電流模式時(shí)，被測(cè)直流穩(wěn)壓電源輸出的電流不變(以被測(cè)電源能提供相應(yīng)電流為前提).測(cè)試直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率時(shí)，連接好測(cè)試電路，按鍵選定電源負(fù)載調(diào)整率測(cè)試功能，輸入被測(cè)電源的額定電流.電壓值，即可自動(dòng)測(cè)試被測(cè)電源的負(fù)載調(diào)整率.

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 恒流及電壓電流檢測(cè)電路

設(shè)計(jì)恒流電路使流過(guò)功率負(fù)載器件的電流值與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓成線性關(guān)系.單片機(jī)控制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出電壓，使恒流控制電路控制功率負(fù)載器件流過(guò)所需電流.電壓電流檢測(cè)電路把被測(cè)電源的輸出電壓和電流線性地轉(zhuǎn)化成適合模/數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)量的量程，單片機(jī)控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)量電壓電流檢測(cè)電路的輸出電壓，達(dá)到測(cè)量被測(cè)電源輸出電壓和電流的功能.恒流及電壓電流電測(cè)電路如圖2 所示，其中Q1 是功率負(fù)載器件，用于吸收被測(cè)電源輸出的功率.

圖2中數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出的電壓經(jīng)過(guò)電壓跟隨器U1B輸入運(yùn)算放大器U3 的同相輸入端，運(yùn)算放大器U3 通過(guò)采樣電阻R6 .差分放大器U4 等建立了深度負(fù)反饋.將運(yùn)算放大器看做理想的放大器，由“虛短”.“虛斷”可得：

式中：UDAC 是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出的電壓;I 是流過(guò)功率負(fù)載器件的電流;A 是由差分放大器U4 及R4 ,R5 等所組成電路的放大倍數(shù)，差分放大器U4 選用的型號(hào)為INA2134.從式(1)中可以看出，流過(guò)功率負(fù)載器件的電流與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出的電壓成線性關(guān)系，因此可以通過(guò)單片機(jī)控制功率負(fù)載器件的電流.通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器分別測(cè)量圖2中ADC1 ,ADC2 處的電壓，可以得到被測(cè)負(fù)載電源輸出的電壓和電流.

被測(cè)電源輸出電壓U 與ADC1 處的電壓UADC1 之間關(guān)系式為：

被測(cè)電源輸出電流I 與ADC2 處的電壓UADC2 之間關(guān)系式為：

2.2 模/數(shù).數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路

為了使系統(tǒng)達(dá)到一定的精度，且節(jié)省單片機(jī)I/O口資源，分別選用12位串行模/數(shù).數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，分辨率達(dá)212 = 4 096 .U1 ,U3 分別為模/數(shù).數(shù)/模轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定的參考電壓.模/數(shù)轉(zhuǎn)換器選用TCL2543,數(shù)/模轉(zhuǎn)換器選用TCL5618如圖3所示.

2.3 過(guò)壓保護(hù)電路

過(guò)壓保護(hù)電路用于在被測(cè)電源輸出的電壓大于一定值時(shí)，切斷被測(cè)電源與電子負(fù)載的連接，起到保護(hù)電子負(fù)載的作用，電路如圖4所示.

圖4中J1 與被測(cè)電源輸出端口相連，J2 連接到功率負(fù)載器件.電阻R2 .R5 分得的電壓輸入到電壓比較器U2 的同相輸入端，電壓比較器U2 的反向輸入端輸入一固定的電壓.當(dāng)同相輸入端電壓小于反向輸入端電壓(未過(guò)壓)時(shí)，電壓比較器U2 輸出低電平，三極管Q1 截止，繼電器K1 不動(dòng)作，J1 與J2 保持連通;當(dāng)同向輸入端電壓大于反向輸入端電壓(過(guò)壓)時(shí)，電壓比較器U2 輸出高電平，三極管Q1 導(dǎo)通，繼電器K1 動(dòng)作，J1 與J2 斷開(kāi)，即過(guò)壓保護(hù).

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序采用模塊編程.主程序調(diào)用各模塊的方式實(shí)現(xiàn).主要由定電流.被測(cè)電源輸出電壓檢測(cè).被測(cè)電源輸出電流檢測(cè).負(fù)載調(diào)整率自動(dòng)測(cè)試.按鍵檢測(cè).顯示驅(qū)動(dòng)等模塊組成.

整個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)工作模式：定電流工作模式.負(fù)載調(diào)整率自動(dòng)測(cè)試模式，定電流工作模式同時(shí)顯示被測(cè)電源輸出的電壓和電流.系統(tǒng)上電后單片機(jī)首先進(jìn)行各模塊的初始化，最后在主循環(huán)中不斷地檢測(cè)各個(gè)標(biāo)志位，以判斷工作模式，通過(guò)檢測(cè)按鍵來(lái)改變標(biāo)志位，系統(tǒng)程序流程如圖5所示.

直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率S 表達(dá)式為：

式中：U 表示直流穩(wěn)壓電源設(shè)定的額定電壓值;UO 表示空載輸出的電壓值;UM 表示滿載時(shí)的輸出電壓值.

直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率自動(dòng)測(cè)試功能在定電流的基礎(chǔ)上進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，負(fù)載調(diào)整率自動(dòng)測(cè)試流程圖如圖6所示.

4 結(jié)語(yǔ)

以51單片機(jī)為主控芯片設(shè)計(jì)了一種新型智能電子負(fù)載，使運(yùn)算放大器工作在深度負(fù)反饋條件下實(shí)現(xiàn)功率負(fù)載恒流，選用12 位串行的模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率自動(dòng)測(cè)試功能.實(shí)際設(shè)計(jì)與制作表明，該方案滿足設(shè)計(jì)要求.