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引言 現實(shí)生活中負載的形式較為復雜，多為一些動(dòng)態(tài)負載，如：負載消耗的功率是時(shí)間的函數;或者負載工作在恒定電流、恒定電阻;負載為瞬時(shí)短路負載;以及在儀表測試時(shí)，如果想對其輸出特性進(jìn)行可靠、全面且比較簡(jiǎn)單、快捷的測試等。傳統負載不能模擬這些復雜的負載形式，關(guān)鍵在于不能完成自動(dòng)測試，因此，要實(shí)現這些功能離不開(kāi)電子負載。 目前的電子直流負載由于電路設計和電器元件選擇的不完善，導致其不能在較大電流和較高電壓下穩定、快速、精確的完成測量任務(wù)。本系統采用32位的ARM9TDMI為主控芯片，同時(shí)借助外部16位A/D轉換芯片ADSlll5的輔助電路，能夠保存更多的采樣數據，從而減小了采樣信號的失真度，實(shí)現了穩定快速的實(shí)時(shí)測量。對硬件電路的設計，采用OP07與IRF640構成的線(xiàn)性恒流源，并采用CSM025A、VSM025A來(lái)轉換電子負載側的較高電壓和較大電流，減小了在較高電壓和較大電流下對電子負載的影響。 1系統方案選擇 圖1為DA控制的電子負載結構框圖。 借助16位模數轉換器ADS1115將電壓電流回送至單片機。通過(guò)DA控制恒流源的電流，借助PID不斷修正電流至設定值，以保證電流的恒定且可調，達到步進(jìn)10mA的要求，并有過(guò)壓保護功能。在12864液晶上顯示實(shí)時(shí)電壓電流值和設定電流值及負載調整率，電子負載具有優(yōu)良的精度、穩定性和動(dòng)態(tài)響應，并結合精確的軟件控制，實(shí)現了電源測量的快速和準確。原理簡(jiǎn)單，可行性高，成本低。 2理論分析與計算 2.1 電子負載及恒流電路的分析 通過(guò)16位高精度模數轉換器ADSlll5輸出電壓給恒流源電壓轉換恒定電流電路，由于運算放大器OP07是精度高、低漂移運算放大器，并且在10歐負載的情況下輸出電流能達到2 A。所以采用OP07和IRF640組成的一個(gè)Uin。電流串聯(lián)負反饋來(lái)實(shí)現電壓到電流的轉換，具體電路如圖2所示。 原理圖中OP07與IRF640構成負反饋，由運放的“虛短、虛斷”理論，因此MOS管IRF640的S極電位與TLV 5616輸入的電壓值相等。負載電流為： IL正比于TLV5616的輸出電壓，與負載電阻Rw無(wú)關(guān)。當MOS管IRF640導通后，流過(guò)負載電阻Rw的電流Iw=IL。若要求電流能從100mA～1000mA變化，考慮留有一定余量，最大電流為1.5A，當設定DA輸出最大電壓為1.5 V時(shí)： 2.2電壓、電流的測量及精度分析 (1)A/D轉換器精度分析 為了能實(shí)現步進(jìn)1 mV的高精度要求，采用16位高精度模數轉換器ADS1115，能夠以高達每秒860個(gè)的速度采樣數據，精度為1/2^n=1/2^16。 (2)D/A轉換器精度分析 為了能實(shí)現步進(jìn)1mA的精度要求，采用12位模數轉換器TLV5616，精度可達到1/2^n=1/2^12。 2.3 電源負載調整率的測試原理 直流穩壓電源負載調整率是指電源輸出電流從零至額定值變化時(shí)引起的輸出電壓變化率。負載調整率可以通過(guò)如下方式計算：當電子負載電流為0時(shí)，被測電壓輸入記為U1。在達到額定電流I2(1A)時(shí)，被測電壓為U2，則電源負載調整率為： 3電路與程序設計 3.1恒流源方案設計 該恒流源輸出的電流與負載無(wú)關(guān)，通過(guò)使用兩塊運算放大器構成比較放大環(huán)節，功率管構成調整環(huán)節，利用晶體管平坦的輸出特性和深度的負反饋電路可以得到穩定的恒流輸出和高輸出阻抗，實(shí)現了電壓一電流轉換。該線(xiàn)性恒流源穩流效果較好。由于回路中會(huì )有大電流通過(guò)，因此功率問(wèn)題也要考慮。針對這個(gè)問(wèn)題，本設計選用了耗散功率較大的場(chǎng)效應管IRF640，能承受大電流的康銅絲，保證了器件的安全。 3.2電壓電流檢測方案 系統所要檢測的信號采用霍爾傳感器法檢測，如被測電源設備向該簡(jiǎn)易直流電子負載輸入的電壓，以及流進(jìn)負載的電流。電壓和電流檢測分別通過(guò)電壓霍爾、電流霍爾傳感器檢測，并經(jīng)過(guò)必要的輸出轉換電路后轉換為檢測信號。為了提高系統的抗干擾性，檢測信號經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器濾除噪聲，再送入單片機的AD轉換器中。其中電流霍爾的原理圖如3所示。 電壓采樣使用電壓霍爾傳感器VSM025A，其精度為0.7%。電流采樣使用電流霍爾傳感器CSM025A，其精度為0.5%。選定采樣電阻使電壓霍爾傳感器的輸入電壓在5～12 V變化時(shí)，使送給ADC的電壓在1～2.4 V之間變化。選定采樣電阻使電流霍爾傳感器的輸入電流從0.3～3.5 A變化時(shí)，送給ADC的電壓在0.2～2.4 V之間變化。 3.3 DC-DC轉換電路 輔助電源可用線(xiàn)性電源及開(kāi)關(guān)電源芯片，考慮到效率、穩定性、帶負載能力，選用穩壓芯片如LM2596、TLV2543，MC34063分別將+15 V輸入電壓穩到+12 V，+5 V，一12 V，+3.3 V以方便ARM9TDMI、CSM025A、VSM025A、ADSlll5、TLV 5616等芯片供電使用，原理圖如圖4所示。 3.4過(guò)壓保護電路設計 如圖5所示，通過(guò)三極管$8050和繼電器，蜂鳴器構成簡(jiǎn)單的過(guò)壓保護電路。當檢測到輸入電壓大于18 V時(shí)，開(kāi)關(guān)器件三極管導通，輸人斷開(kāi)，同時(shí)聲光報警。為保證可靠斷開(kāi)還采用了軟件保護法，使得當輸入電壓大于18 V時(shí)，單片機迫使UDAin。輸出為0。 3.5程序設計 軟件設計中特別為電路的過(guò)壓保護編寫(xiě)了相應的程序，當負載電壓過(guò)大時(shí)會(huì )通過(guò)蜂鳴器和發(fā)光二極管來(lái)實(shí)現報警，同時(shí)也會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)繼電器，實(shí)現過(guò)壓保護功能。具體的流程圖如圖6所示。 4測試方案與測試結果 測試所需儀器：高精度電壓表，型號DP59(1)一PDV20;高精度電流表，型號DP59(1)-PAA5;可變電阻Rw以及被測電源。當該設備正常工作時(shí)，用高精度電壓表，電流分別測試該電子負載的電壓、電流。用電壓表直接并在被測電源兩端，記下相應示數。將電流表串在被測電源和Rw之間，并記錄相應電流值。將電壓電流值和顯示器顯示值進(jìn)行對比。改變Rw電阻值，計算相對應的負載調整率。 4.2測試結果 測試結果如表1、表2所示。 5 結論 根據表1和表2的測試結果可知：負載的變化對電流的影響很小，說(shuō)明設計中恒流實(shí)現的很好。負載調整率SR不斷變化，但都達到≤4%的目標。紋波電流為14mA，基本上達到輸出噪聲紋波電流≤15mA 的目標。而整機效率為86.7%，達到了整機效率≥80%的目標。由此說(shuō)明該電子負載的設計方案是可行的，具有優(yōu)良的精度、穩定性和動(dòng)態(tài)響應，結合精確的軟件控制，快速和準確地實(shí)現了電源測量。 |
