夏桂書

(中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川廣漢 618307)

0 引言

電源測試在電源的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)當(dāng)中起著重要的作用，在電工電子實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，常常需要對學(xué)生設(shè)計(jì)制作的各類電源進(jìn)行測試。傳統(tǒng)的測試方法是外接功率電阻，通過改變電阻的阻值來改變負(fù)載電流，完成對電源帶負(fù)載能力的測試［1］。但是這種測試方法具有很大的局限性，不能方便地和連續(xù)地改變負(fù)載電流，在對負(fù)載電流測試的時候需要外接電流表，使測試過程變得復(fù)雜化［2］。現(xiàn)在比較先進(jìn)的電源測試方法是通過專業(yè)電子負(fù)載進(jìn)行。但目前市面上的電子負(fù)載大多價(jià)格昂貴，體積龐大。限制了大范圍的推廣和使用。

本文針對傳統(tǒng)測試方法和成品電子負(fù)載的不足，設(shè)計(jì)了一種簡單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)性比較高的簡易直流恒流電子負(fù)載。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)以STC12C5616AD單片機(jī)為核心，通過按鍵設(shè)置放電電流和工作模式;通過A/D轉(zhuǎn)換電路檢測實(shí)際工作電流，和當(dāng)前被測電源電壓;單片機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓到恒流模塊，從而控制輸出電流，完成對輸出電流的設(shè)置和調(diào)節(jié);系統(tǒng)可通過液晶實(shí)時顯示當(dāng)前電流、電壓和工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)簡單化的電源測試［3-6］。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件組成

2.1 系統(tǒng)控制和顯示電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STC12C5616AD單片機(jī)作為系統(tǒng)控制部分，該單片機(jī)是51內(nèi)核的新一代單片機(jī)。作為傳統(tǒng)51單片機(jī)的增強(qiáng)型，STC12C5616AD單片機(jī)能夠工作在單時鐘周期，極大地增加系統(tǒng)的運(yùn)行速度。同時該單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)有復(fù)位電路，在低速設(shè)計(jì)中可免去外部復(fù)位電路，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。片上集成有16KB ROM和768B的RAM，充足的程序空間保證了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算的要求。并且STC作為國產(chǎn)單片機(jī)，其價(jià)格優(yōu)勢，在對經(jīng)濟(jì)性要求較高的系統(tǒng)中有較強(qiáng)的優(yōu)勢。

液晶顯示電路選用由PCD8544芯片驅(qū)動的LCD5110液晶。PCD8544是一種低功耗的CMOS液晶控制驅(qū)動器，設(shè)計(jì)為驅(qū)動48行84列的圖像顯示。由于其較高的集成度，所有的功能都集成在一塊芯片上，因此外部電路簡單，只需要很少的外部器件。同時LCD5110采用串行接口電路與單片機(jī)相連，簡化了電路設(shè)計(jì)，減少單片機(jī)I/O口的消耗。單片機(jī)和液晶顯示電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)和液晶顯示電路

2.2 功率控制電路

電子負(fù)載的功率控制部分采用運(yùn)算放大器和MOSFET構(gòu)成電流負(fù)反饋電路，電路如圖3所示。

圖3 功率控制電路

電路設(shè)計(jì)為了對較小的被測電壓也能達(dá)到較大的電流值，所以電流采樣電阻R8采用了阻值為0.01 Ω的無感電阻。因此當(dāng)電流較小時，采用電壓較小，需要對小信號進(jìn)行放大。由U2構(gòu)成的放大電路完成對R8上的采用電壓的放大。U2的放大倍數(shù)由電阻R4和R7決定，U2的輸出電壓與輸入有如下關(guān)系:

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的控制負(fù)載電流大小，DAC端口的電壓由D/A轉(zhuǎn)換輸出的電壓設(shè)定。輸出電流的準(zhǔn)確性主要由R4、R7、R8的質(zhì)量確定。元件選取時，因選用具有較低溫飄的精密電阻。同時運(yùn)放的穩(wěn)定性也對輸出有較大影響，特別是在小電流時，運(yùn)放的失調(diào)電壓會對電流造成較大影響。

2.3 電壓和電流檢測電路

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時加入電壓和電流檢測電路，實(shí)現(xiàn)了電壓電流的實(shí)時檢測和顯示。通過ADS1115模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將檢測到的電壓電流模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳送給單片機(jī)，完成實(shí)時的顯示和其它控制。

電流檢測通過圖3中檢流電阻R8對負(fù)載電流進(jìn)行檢測，將電流信號轉(zhuǎn)換成更加易于檢測的電壓信號，再經(jīng)運(yùn)放U2對檢測到的小信號放大。由式(3)可知，U2的輸出電壓與負(fù)載電流呈線性關(guān)系，因此可通過A/D轉(zhuǎn)換電路，檢測圖3中U2輸出端口的電壓，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算即可得到實(shí)際的電流值。

電壓的檢測通過電阻分壓實(shí)現(xiàn)。由于被測電源的電壓Uin+范圍為0～30 V，高于A/D轉(zhuǎn)換電路的測量范圍0～4.096 V，因此需要對電壓進(jìn)行分壓。根據(jù)輸入電壓范圍和A/D轉(zhuǎn)換電路的測量電壓范圍有:

可求得分壓電阻R9與R10的比值為

由于測量范圍應(yīng)略大于輸出范圍，因此比值應(yīng)大于6.3 倍，為了方便計(jì)算，R9取160 kΩ，R10取20 kΩ。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路用作對電流和電壓檢測電路輸出的模擬信號的采集。本系統(tǒng)采用 TI公司生產(chǎn)的ADS1115芯片作為A/D轉(zhuǎn)換電路的核心芯片。該芯片為具有四個單端輸入的16位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。由于該芯片具有16位的分辨率，因此可對電壓電流信號進(jìn)行精確采樣。同時ADS1115具有內(nèi)部PGA模塊，可根據(jù)輸入信號的大小選擇不同的內(nèi)部參考電壓，實(shí)現(xiàn)小信號的精確測量［8-12］。

在設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路時，為實(shí)現(xiàn)電流電壓檢測互不干擾，采用了四線測量方法。如圖4所示，電流檢測與電壓檢測通過不同的導(dǎo)線與被測電源連接。

圖4 四線測量示意圖

由于導(dǎo)線線電阻的存在，傳統(tǒng)兩線方法，測量電流時，A、B導(dǎo)線上的等效電阻RL會產(chǎn)生壓降，當(dāng)電流越大時，影響越明顯。當(dāng)引入兩條單獨(dú)的電壓測量線時，由于電壓測量線上的電流非常小，因此可以準(zhǔn)確測得被測電源的電壓。

2.5 D/A轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求負(fù)載電流步進(jìn)精度不低于10 mA，設(shè)置要求較高，因此選用TI公司生產(chǎn)的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 TLV5616［13-14］。

D/A轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。TLV5616具有四線SPI接口，與單片機(jī)通訊簡單，具有較高的轉(zhuǎn)換速率，和較高的準(zhǔn)確度。TLV5616的供電電壓是2.7～5.5 V。并且有兩倍增益的輸出緩沖器，可以擴(kuò)大輸出電壓范圍。

TLV5616需要外接參考電壓，本系統(tǒng)采用KA431作為TLV5616的參考電壓源。KA431是一種高精度的串聯(lián)電壓基準(zhǔn)。它的外部電路簡單，當(dāng)按圖5所示電路連接時，輸出電壓為其典型電壓值2.495V。由于其工作電流大于1 mA時才能達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，因此電阻R的取值有如下關(guān)系:

得R＜2 505 Ω，所以R取1 kΩ能保證參考電壓的穩(wěn)定。

圖5 D/A轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，系統(tǒng)軟件包括各模塊的驅(qū)動程序，輸入檢測和輸出控制功能的實(shí)現(xiàn)［15］。

3.1 系統(tǒng)主程序

主程序流程圖如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)工作后，程序首先完成液晶、D/A轉(zhuǎn)換芯片和A/D轉(zhuǎn)換芯片的初始化，設(shè)定芯片的工作狀態(tài)和初始輸出值;然后等待用戶的按鍵輸入，系統(tǒng)根據(jù)輸入設(shè)定的工作模式的不同，進(jìn)入相應(yīng)的工作模式設(shè)定中;在不同的工作模式下，設(shè)置工作電流，電壓;當(dāng)設(shè)置完成后，按下輸入鍵后，系統(tǒng)開始按設(shè)定工作模式工作，D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)需要輸出電壓控制恒流電路的電流值大小;A/D轉(zhuǎn)換電路將電路工作狀態(tài)實(shí)時傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)這些信息控制液晶的顯示和其他操作。

圖6 主程序流程圖

3.2 系統(tǒng)的工作模式

通過程序設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載的多種工作模式，根據(jù)需要選擇相應(yīng)的工作模式。

在模式1下，直接設(shè)定放電電流和放電截止電壓。設(shè)置完成后，按下開始工作按鈕，系統(tǒng)按設(shè)定電流開始放電，放電電流恒定。當(dāng)系統(tǒng)檢測到電壓低于截止電壓時，放電完成，負(fù)載電流變?yōu)?，等待用戶操作。在這種模式下，可以對電源進(jìn)行長時間的帶負(fù)載能力測試，并且能夠監(jiān)視被測電源電壓，當(dāng)被測電源電壓低于設(shè)定時，能夠保護(hù)被測電源。

同時這個工作模式也可作為蓄電池的放電器，它能夠保證蓄電池完成一次完整的放電過程，且不會造成蓄電池過放損壞蓄電池。

在模式2工作情況下，比模式1增加了放電時間設(shè)定。通過設(shè)置放電時間，定時停止測試，方便不同用戶的需求。

模式3是為測量電源的最大負(fù)載電流設(shè)定的。通過設(shè)定最大負(fù)載電流和放電截止電壓。系統(tǒng)可從最小的負(fù)載電流開始，以10 mA為步進(jìn)，每0.5 s增加一次負(fù)載電流，直到到達(dá)設(shè)定的最大負(fù)載電流，或是被測電源電壓小于設(shè)置的截止電壓時，終止放電。這種工作模式可以測得電源的最大負(fù)載能力和負(fù)載調(diào)節(jié)能力。對于電源性能測試十分重要。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試采用實(shí)驗(yàn)電源作為被測電源，將直流穩(wěn)壓電源接到電子負(fù)載的被測端，首先測試系統(tǒng)工作電流的準(zhǔn)確性。調(diào)節(jié)負(fù)載設(shè)定不同工作電流，與實(shí)測電流和顯示電流進(jìn)行比較。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電流準(zhǔn)確性測試

由表1可見，系統(tǒng)負(fù)載電流的準(zhǔn)確性較高，并且在電流較大時，相對誤差會更小。

完成電流準(zhǔn)確性測試后，接下來測試負(fù)載電流隨負(fù)載電壓變化的穩(wěn)定性。首先設(shè)定負(fù)載電流，將輸入電壓調(diào)節(jié)到不同電壓值，觀察電流變化，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可看出，當(dāng)電流設(shè)定之后，輸入電壓的改變對負(fù)載電流影響十分微弱，可以完全忽略其影響，因此該電子負(fù)載的恒流效果良好。

表2 恒流效果測試

5 結(jié)語

本電子負(fù)載達(dá)到了預(yù)定設(shè)計(jì)要求，測試精度高，穩(wěn)定性好，同時具有使用簡單，經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。滿足各類基礎(chǔ)電類實(shí)驗(yàn)室的使用需求，具有很強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值和良好的市場前景。

［1］劉 磊.基于MSP430單片機(jī)的直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2013，26(2):25-27.

LIU Lei.Design ofDC ElectronicLoad Based on Msp430 Microcontroller［J］.Electronic Sci＆ Tech，2013，26(2):25-27.

［2］李群芳，張士軍.單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)［M］.3版.北京:電子工業(yè)出版社，2008.24.

［3］田俊杰.基于場效應(yīng)管的恒流源設(shè)計(jì)［J］.中國測試，2009，35(1):118-121.

TIAN Jun-jie.Design of Constant Current Power Based on FET［J］.China Measurement＆ Test，2009，35(1):118-121.

［4］丁銳霞，馬秀坤.基于ATmega16的智能電子負(fù)載設(shè)計(jì)［J］.山西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，22(2):24-27.

DING Rui-xia，MA Xiu-kun.Design of Intelligent Electronic Load Base on ATmega16［J］.Journal of Shanxi Normal University Natural Science Edition，2008，22(2):24-27.

［5］王明明，戴陶珍.智能直流電子負(fù)載的研制［J］.電子質(zhì)量，2012，32(12):9-11.

WANG Ming-ming，DAI Tao-zhen.Development of Intelligent DC Electronic Load［J］.Electronics Quality，2012，32(12):9-11.

［6］高 佳.直流電子負(fù)載的校準(zhǔn)和不確定度分析［J］.計(jì)量與測試技術(shù)，2010，37(8):72-73.

GAO Jia.Calibration and Uncertainty Analysis of the DC Electronic Loads［J］.Metrology ＆ Measurement Technique，2010，37(8):72-73.

［7］季浚濤，姚小翔，施 敏.基于LM3S8962的簡易恒流電子負(fù)載［J］.南通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，11(4):13-17.

JI Jun-tao，YAO Xiao-xiang，SHI Min.Electronic Load of a Simple Constant-Current Mode Based on LM3S8962 ［J］.Journal of Nantong University Natural Science Edition，2012，11(4):13-17.

［8］李 潔，劉 沖.直流電子負(fù)載校準(zhǔn)技術(shù)研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2012，28(10):235-237.

LI Jie，LIU Chong.Research on Calibrating Method of DC Electronic Load［J］.Microcomputer Information，2012，28(10):235-237.

［9］王 超，劉志剛，深茂盛.模塊化電子模擬功率負(fù)載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子運(yùn)用，2005，24(9):54-57.

WANG Chao，LIU Zhi-gang，SHEN Mao-sheng.System Design of Modularized Electronic Power Load ［J］. Electrotechnical Application，2005，24(9):54-57.

［10］沈 宏，呂 強(qiáng).淺談直流電子負(fù)載［J］.企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，2008，27(9):16-17.

SHEN Hong，LV Qiang.Brief probe into DC Electronic Load ［J］.Brand＆ Standardization，2008，27(9):16-17.

［11］張?jiān)劳?太陽能電池板綜合測試系統(tǒng)的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

［12］李玉偉.基于模糊控制的高精度數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)［J］.科技信息，2013(29):141-143.

LI Yu-wei.The Design of Constant Current Source with High Precision Digital Control Based on Fuzzy Control［J］.Science ＆Technology Information，2013(29):141-143.

［13］張洪川，滕召勝.低功耗單電源壓控精密恒流源設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29(12):2678-2682.

ZHANG Hong-chuan，TENG Zhao-sheng. Design ofPrecision Voltage-Controlled ConstantCurrentSource with Low Power Dissipation Single-Supply［J］.Chinese JournalofScientific Instrument，2008，29(12):2678-2682.

［14］李富華，趙 敏.航空發(fā)電機(jī)測試用交流電子負(fù)載的研究［J］.電氣自動化，2009，31(4):57-59.

LI Fuhua，ZHOU Min.Research on AC Electronic Load for Aviation Generator Testing［J］.Measurement＆ Detecting Technics，2009，31(4):57-59.

［15］龍厚濤，侯振義.非線性電子負(fù)載特性研究［J］.電源世界，2011，14(6):25-28.

LONG Hou-tao，HOU Zhen-yi.Research on the Characteristic of the Nonlinear Electronic Load［J］.The World of Power Supply，2011，14(6):25-28.