辽宁省电子设计大赛直流电子负载设计.docx
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辽宁省电子设计大赛直流电子负载设计
简易直流电子负载
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。
目录
摘要2
1系统方案设计与比较4
1.1电流恒定控制部分4
1.2输出电流检测部分5
1.3控制电路部分6
1.4过压保护电路部分6
1.5电流开路检测部分7
2理论分析与计算7
2.1电子负载及恒流电路分析7
2.2电压、电流的测量及精度分析7
2.3电源负载调整率测试原理8
3电路与程序设计8
3.1系统框图8
3.2电路设计8
3.3软件设计9
4测试方案与测试结果10
4.1测试仪器10
4.2测试方法10
4.3测试数据10
4.4测试结果分析11
5结论11
6参考文献11
附录12
1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。
方案二:
采用C8051F120单片机作为核心控制单元,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。
图4仪表放大器电流检测电路(双运放)
方案二:
采用仪表放大器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。
图5AD620电流检测框图
图6AD620电流检测电路原理图
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。
图7过压保护电路框图
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,R5与R9为分压电路,通过电源分压为比
较器提供参考电压(9V)。
D2为报警灯。
R6,Q1构成继电器驱动,为继电器提供足够大电流。
D1起到保护继电器的作用。
当电源输出小于18V时,比较器LM311输出高电平,电源供电,电路正常工作,D2反向截止不工作;当电源输出超过极限值,比较器LM311输出低电平,电源与电路断开,电路停止工作,D2正向导通发光报警,从而实现了过压保护功能。
1.3软件方案
本部分采用纯软件控制,软件部分设置两个工作模式:
开路模式和工作模式。
通过按键完成开路模式的切换,使输出电流为零。
开路设置,显示模块,负载调整率自动测量,电流控制模块
2理论分析与计算
2.1电子负载及恒流电路分析
如图10所示,单片机通过DA输出设置电流参数,经过电压跟随器和源极跟随器进入场效应管。
其中,场效应管IRF640与运放OP07构成反馈。
根据场效应管电压控制电流的特性,可以控制源极电流。
源极电流通过采样电阻产生电压,经过AD620仪表放大器双端变单端输出,通过AD被单片机接收。
通过计算设置电流和采回的电流值(采样电压换算成电流)的差值进行逐步逼近的方法使输出电流趋于恒定。
2.2电压、电流的测量及精度分析
本设计所用单片机C8051F020内置12位AD,通过AD即可采集电路电压(由于测试电压较大,故采用电阻分压法衰减电压值,再经过单片机内部换算还原。
测量电流时,通过测量采样电阻两端电压值,再经过单片机内部换算成相应电流值。
根据C8051F020数据手册,测试精度约为0.6mV。
2.3电源负载调整率的测试原理
电源负载调整率是指电源输出电流从零至额定值(本题额定电流为1A)变化时引起的输出电压变化率,即SR=ΔU/U。
其中U为输入电压参数,ΔU为输出电流从零到额定变化时,输出电压的最大变化量。
3电路与程序设计
3.1系统框图
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9系统框图
3.2电路设计
控制模块由控制器,电流检测,电压检测,过压保护电路,负载调整率自动测量和显示等部分构成。
控制器采用C8051F020单片机,电流检测由专用仪表放大器AD620构成,其中恒流驱动采用精密运放OP07,过压保护采用专用比较器LM311。
其中控制器是电路核心,控制器与电流检测部分构成软件部分的反馈,源极跟随器与放大器构成电路反馈,从而实现恒流输出。
图10硬件电路
3.3软件设计
系统的程序控制部分由单片机C8051F020完成,主要用来控制对电流的设定控制和对电流误差的校准,以及显示功能和开路设置。
详细程序见附录
4测试方案与测试结果
4.1测试仪器
(1)稳压电源,输出电流5A,0~30V;
(2)多段位数字电压表。
(3)大功率小电阻若干.
4.2测试方法
(1)改变负载电阻,电流由0变化至1A过程中通过单片机测量输出电压的最大值。
同时,由键盘输入电压参数,从而在单片机内部经过计算得到负载调整率并由12864显示。
(2)步进=10mA,由单片机测输出电流,并比较输出电流与给定值。
4.3测试数据
表一负载调整率
RL
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
SR
表二步进=10mA,输出电流与给定值的相对误差
Ioset
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
Ioreal
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
Ioset
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
Ioreal
200
211
220
230
240
250
260
270
280
290
Ioset
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
Ioreal
299
310
320
330
340
350
360
370
380
390
Ioset
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
Ioreal
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
Ioset
500
510
520
530
540
550
560
570
580
590
Ioreal
501
510
521
530
540
550
561
571
580
591
Ioset
600
610
620
630
640
650
660
670
680
690
Ioreal
600
610
619
630
640
649
659
670
680
690
Ioset
700
710
720
730
740
750
760
770
780
790
Ioreal
700
710
720
731
740
750
760
770
780
791
Ioset
800
810
820
830
840
850
860
870
880
890
Ioreal
801
810
821
830
840
851
860
871
880
891
Ioset
900
910
920
930
940
950
960
970
980
990
Ioreal
901
910
921
931
940
950
960
970
980
990
Ioset
1000
Ioreal
1000
4.4测试结果分析
由表一可知,负载的变化,对电流的影响很小,说明设计中恒流实现的很好。
从表中可看出,负载调整率SR不断变化,但都达到SR≤1%的目标。
由表二可得出,电流实际值与设置值吻合度很高,误差率远小于1%。
很好的实现了对电流的恒定控制。
5结论
根据测试结果,系统能够实现数控恒流源的各项技术指标,满足题目的基本要以及部分发挥部分的要求。
在本系统的设计过程中,还充分考虑到系统的低功耗可靠性、低成本等问题。
相对于市面上的恒流电源产品,该设计具有一定的优势。
另外,经过此次比赛也遇到许多技术问题:
硬件部分:
(1)芯片供电源端和共地端不接电容,易出现波动。
在调试过程中总是出现数值“不稳“现象。
经过排查,确定为电源噪声影响。
于是在芯片接电源端和接地端连接容值为0.01uf的电容并接地。
这样可以滤去电源噪声,使输出稳定。
另外,芯片有悬空脚也容易出现类似情况。
软件部分:
(2)设置变量容易出现“溢出“现象,即数据失真。
所以设置变量前应考虑变量长度,防止溢出。
6参考文献
[1]张国雄编.测控电路.机械工业出版社.2008
[2]王华奎等译.电子电路设计.电子工业出版社.2004
[3](美)赛尔吉欧•弗朗哥编著刘树棠等译.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计.西安交通大学出版社.2004
[4]谢自美.电子线路设计•实验•测试(第二版).华中科技大学出版社.2000
附录
完整电路图
程序源代码
实物图
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 辽宁省 电子设计 大赛 直流 电子负载 设计