程控直流電子負(fù)載的研究與設(shè)計(jì)

許琴

摘 要：文章為解決在交直流電源的測試中，需要不斷的改變負(fù)載，傳統(tǒng)的滑動(dòng)電阻器使用不方便且效率較低。利用MSP430F449單片機(jī)為控制核心，功率三極管為電子負(fù)載控制對象，通過對DA、AD硬件控制與PID軟件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)程控直流電子負(fù)載和恒流源，提高交直流電源參數(shù)測試的效率。

關(guān)鍵詞：交直流電源；PID；程控直流電子負(fù)載；恒流源

中圖分類號：TN873 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）17-0003-02

直流電子負(fù)載是一種能以手控或程控方式吸收電能的儀器，起到可變電流吸收器、可變電源電阻器或分路電壓調(diào)節(jié)器的作用，當(dāng)它吸收可變電流時(shí)，將維持某一固定電壓。系統(tǒng)主要工作于恒壓、恒流和恒阻三種工作模式，可用于交直流電源的測試。

1 總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、電子負(fù)載模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊、采樣模塊、顯示模塊和電源模塊構(gòu)成。單片機(jī)采用MSP430，較之51系列具有I/O口多、內(nèi)部集成AD模塊、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。基本的工作原理是：通過鍵盤設(shè)置功率驅(qū)動(dòng)模塊使得電子負(fù)載工作在恒流狀態(tài)下，通過一個(gè)0.05 Ω的電阻與3DD15D串聯(lián)來對電流進(jìn)行采樣。將流過電阻的端電壓經(jīng)過INA282組成的電流采樣模塊后送到MSP430單片機(jī)。采用0.05 Ω的小電阻與3DD15D串聯(lián)使得電阻的分壓減小，從而將系統(tǒng)的誤差降到最小?；趩纹瑱C(jī)的恒流工作模式的直流電子負(fù)載原理框圖如圖1所示。

此方案采用單片機(jī)編程控制整個(gè)系統(tǒng)，電子負(fù)載模塊采用晶體三極管3DD15D與取樣電阻組成。由OPA2227組成的功率驅(qū)動(dòng)模塊通過單片機(jī)的控制使得3DD15D工作在一個(gè)設(shè)定的恒流條件下。通過一個(gè)0.05 Ω的電阻與3DD15D串聯(lián)。將電阻兩端的電壓經(jīng)過INA282放大后通過單片機(jī)采集，由單片機(jī)計(jì)算出流過電子負(fù)載的電流并經(jīng)LCD1602顯示。將功率器件的端電壓經(jīng)過由OPA2340與OPA2227組成的電壓衰減模塊后送入單片機(jī)進(jìn)行采集，由單片機(jī)計(jì)算出功率器件的端電壓并送入LCD1602顯示。

2 單元電路設(shè)計(jì)

單元電路設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分。

2.1 電流采樣模塊

采樣電流模塊的電路如圖2所示。

采樣電流模塊實(shí)現(xiàn)對功率器件3DD15D的端電流的采集，本模塊先利用TI公司的INA282芯片對采樣電阻R0兩端的電壓放大50倍，INA282具有精度高的優(yōu)點(diǎn)（偏移電壓±20 μV增益誤差為±1.4%，偏移漂移為0.3 μV/℃）。再將放大的電壓送入AD轉(zhuǎn)換將根據(jù)電阻值與流經(jīng)電阻的電壓值計(jì)算出采樣電流的大小并送入LCD1602顯示。

2.2 電壓采樣模塊

采樣電壓模塊的電路如圖3所示。采樣電壓模塊采用OPA2227與OPA2340芯片組成，OPA2227進(jìn)行兩路的輸入輸出，OPA2227是具有高精度低噪聲運(yùn)算的放大器，采樣電壓電路中采用的電阻都為精密電阻，使得電路的精度更高從而滿足要求的技術(shù)指標(biāo)。OPA2227通過雙電源±2.5 ～±18 V數(shù)據(jù)采集，增益寬帶為8 MHz，OPA2340為單電源雙路CMOS運(yùn)放，單電源2.7～5.5 V驅(qū)動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器，增益寬帶為5.5 MHz。電壓采集模塊首先通過OPA2340對功率器件3DD15D的端電壓進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的采集，然后對采集到的電壓進(jìn)行輸出。輸出的電壓送入到由OPA2227組成的高精度低噪聲運(yùn)放，通過R2與R4對輸出的電壓進(jìn)行1/2衰減，將衰減后的電壓送入OPA2227處理后送入單片機(jī)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理并送入LCD1602顯示。

2.3 功率驅(qū)動(dòng)部分

功率驅(qū)動(dòng)模塊由OPA2227芯片與三極管9014構(gòu)成。通過鍵盤按鍵設(shè)置一個(gè)恒定的電流（恒流工作模式的電流范圍為100～1 000 mA），通過控制三極管的導(dǎo)通情況控制流過電子負(fù)載部分的電流，單片機(jī)將這個(gè)信號傳輸給OPA2227，由OPA2227和三極管9014組成的功率驅(qū)動(dòng)電路將設(shè)定的電流值穩(wěn)定的出入給電子負(fù)載部分，從而使得電子負(fù)載部分工作在一個(gè)可以由人為設(shè)定的一個(gè)穩(wěn)定的電流狀態(tài)下。

2.4 電子負(fù)載及恒流電路部分

電子負(fù)載模塊電路如圖4所示。

電子負(fù)載模塊由晶體三極管3DD15D和采樣電阻R0串聯(lián)構(gòu)成。通過單片機(jī)控制由OPA2227和三極管9014組成的功率驅(qū)動(dòng)模塊從而調(diào)節(jié)流過電子負(fù)載的電流。通過控制三極管的導(dǎo)通情況控制流過電子負(fù)載部分的電流，3DD15D的參數(shù)為BVCEO=200 V，BVCBO=300 V，PCM=50 W，ICM=5 A，3DD15D的特性使得對電路中的電壓具有穩(wěn)壓功能。采樣電阻R1是采用0.05 Ω精密貼片電阻，0.05 Ω的電阻使其對電路的分壓能力減弱，從而減小了電路中的誤差，使得電子負(fù)載部分的功耗大大減低，以達(dá)到要求的技術(shù)指標(biāo)。

2.5 單片機(jī)控制模塊與顯示部分

單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心控制部件，它既協(xié)調(diào)整機(jī)工作，又是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與控制中心。本系統(tǒng)采用MSP430F449單片機(jī)為核心，4X4獨(dú)立矩陣鍵盤，LCD1602液晶顯示。單片機(jī)通過A/D，D/A等器件對信號進(jìn)行信號的采集、處理和輸出，從而對輸出電流值進(jìn)行控制校正，達(dá)到較高精度。MSP430系列單片機(jī)較之51系列單片機(jī)具有計(jì)算速度快、I/O端口多、低功耗等特點(diǎn)。

3 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

為了方便編寫和調(diào)試，我們采用了模塊化的編程方法，整個(gè)程序分為若干子程序。液晶顯示子程序：顯示當(dāng)前模式，設(shè)定輸出值及實(shí)際端電壓電流；鍵盤處理子程序：模式切換，輸出值的設(shè)定及步進(jìn)；數(shù)據(jù)處理子程序：根據(jù)設(shè)定值換算出調(diào)整值，寫入D/A的值，根據(jù)A/D采樣的數(shù)據(jù)換算出實(shí)際端電壓電流值；將調(diào)整值送入D/A；進(jìn)行A/D采樣。

3.2 主程序的流程圖

主程序流程圖5所示。

4 測試結(jié)果

4.1 高精度大電流穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)測試

+5 V輸出穩(wěn)壓電源測試數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2 電子負(fù)載電壓測試數(shù)據(jù)

電源電壓：萬用表測的電源電壓為5.087 V，控制系統(tǒng)測得的值為2.510 V。開路狀態(tài)下測得電流為0，恒流模式下電子負(fù)載電流測試數(shù)據(jù)如表2所示。

5 結(jié) 語

恒流工作狀態(tài)不論輸入電壓如何變化，流過該電子負(fù)載的電流值恒定且可設(shè)定。受實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與器材限制，存在一定的誤差。設(shè)計(jì)的以MSP430單片機(jī)為控制核心的電子負(fù)載，能夠直接檢測被測電源的電流值、電壓值。負(fù)載參數(shù)可以設(shè)定，且各個(gè)數(shù)據(jù)均能直觀的在LCD上顯示。

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