直流電子負(fù)載電路圖（一）

直流電子負(fù)載一般有三種工作模式，分別為恒壓模式、恒流模式、恒阻模式。這三種工作方式均可由00P7和運(yùn)放的連接來實(shí)現(xiàn)。以恒流模式為例，將00P7與MOS管以左圖方式連接，通過0P07控制MOS管的導(dǎo)通量，即可獲得穩(wěn)定的電流值。其恒流值通過恒流信號的電壓值與采樣電阻阻值之比決定。

在該圖中00P7采取巧v供電，當(dāng)有恒流信號到來時(shí)，如果采樣電阻上的電壓小于恒流信號，即00P7的反相輸人端電壓小于同相輸人端的電壓，則0P07的輸出加大，使得MOS管加大導(dǎo)通從而為采樣電阻補(bǔ)流。若采樣電阻上的電壓大于恒流信號，即00P7的同相輸人端電壓小于反相輸人端電壓，則0P07減小輸出，也就降低了采樣電阻上的電流。在電路工作時(shí)，當(dāng)檢測電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，恒流電源電路總能使電路維持恒定電流值上，從而實(shí)現(xiàn)恒流工作。其電流值由恒流信號與采樣電阻的阻值決定，例如，當(dāng)采樣電阻為10幾時(shí)，若想得到100mA的恒定電流值，只需恒流信號調(diào)整為10v即可。

在實(shí)際使用過程中，為了使可調(diào)的參數(shù)顯得直觀明了，可設(shè)定值更加方便，可以用單片機(jī)或其他程序芯片來實(shí)現(xiàn)輸人-顯示的任務(wù)。通過按鍵將設(shè)定的恒定值輸人給處理芯片，將數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通，一方面將數(shù)值通過現(xiàn)實(shí)設(shè)備顯示出來，另一方面通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，將信號值輸人給0P07，使整個(gè)系統(tǒng)工作。這樣就使直流電子負(fù)載的恒定值可調(diào)，與此同時(shí)，也可以將采樣電阻上的電流電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，同樣顯示出來，從而使整個(gè)系統(tǒng)顯得更加直觀。需要注意的是，為保證電路的安全工作，在實(shí)際使用過程中，應(yīng)該對測試信號進(jìn)行過壓保護(hù)，防止測試信號過大對電路造成損害。另外如果系統(tǒng)的電流值較高時(shí)，對采樣電阻的功率要求也要相對嚴(yán)格。

直流電子負(fù)載電路圖（二）

電路主要模塊包括四部分：控制電路，恒流電路，電壓電流檢測，輸入、顯示電路參數(shù)電路。

電路設(shè)計(jì)原理

指標(biāo)要求能數(shù)字設(shè)定并且能控制電流輸出，這就需要使用DAC轉(zhuǎn)換及與DAC輸出電壓具有良好線性關(guān)系的恒流電路。使用12位的TLV5618 完成DA轉(zhuǎn)換，若步進(jìn)為1mA，范圍按0~1000mA計(jì)算，要求DAC需要2000分度，必須選用1000分辨率以上的DAC才能滿足要求。DACTLV5618的分辨率充分滿足電流1mA 步進(jìn)的要求。DAC的輸出控制U5A 和Q3 將電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流值。同時(shí)輸出電流流經(jīng)R20得到采樣電壓經(jīng)U5B放大21倍后反饋給U5A，由此形成硬件閉環(huán)控制。該閉環(huán)控制最終導(dǎo)致TP3的電壓與TP2電壓相等，而TP3 的電壓值即為R20 兩端電壓值經(jīng)U5B 放大后的值。因而改變TP2電壓值即可改變R20兩端電壓，從而控制流經(jīng)RL 的電流值，故TP2 為電流設(shè)定值調(diào)整。圖中U5B的放大倍數(shù)=UTP3/UR20=（R26+R29）/R29=21，也就是說當(dāng)向DAC輸入最大值4095 時(shí)，調(diào)整R14 使VTP2=4.2V，就可使RL 輸出最大電流2000mA。在本電路中，采樣電阻選用0.1Ω/10W 的電阻。其目的是為了避免采樣電阻通過大電流時(shí)發(fā)熱引起阻值變化，從而影響輸出電流。本電路最終使用了4 個(gè)0.1Ω/10W的電阻兩兩并聯(lián)后再串聯(lián)接入電路，從而最大程度上減少溫度對電阻阻值的影響。由于前端DC/DC轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的是正電壓，因此選擇LM258單電源運(yùn)放。其供電電壓范圍0.3~32V，輸入失調(diào)電壓2~5mV，滿足設(shè)計(jì)要求。擴(kuò)流管使用VMOS 管IRFZ44N。

電壓采樣如設(shè)定精度為1mV，范圍按0~18.000V計(jì)算，要求ADC需要精度需要18000分度必須選用32768分辨率以上的ADC才能滿足系統(tǒng)要求。所以選用TI公司提供的16bitADC ADS1115.而AD采樣則由TI公司生產(chǎn)的ADS1115芯片完成，通過與電子負(fù)載并聯(lián)采樣大電阻，將電壓值進(jìn)行一定比例的衰減。然后通過電壓跟隨器交給AD采樣。

B 功率器件：

由于恒流源將輸出較大電壓，本作品將使用水泥電阻與MOS管共同承受功率。當(dāng)電子負(fù)載兩端電壓值較小時(shí)，將利用并聯(lián)的4個(gè)MOS管通過熱效應(yīng)消耗功率。由于MOS管導(dǎo)通電阻很小，可以很好的實(shí)現(xiàn)大電流輸出。而當(dāng)電壓值大于10V時(shí)，單片機(jī)將輸出高電平，使繼電器斷開，水泥電阻接入電路，從而減輕MOS管的負(fù)擔(dān)。

C 保護(hù)電路：

過壓保護(hù)電路在單片機(jī)采樣到直流穩(wěn)壓電源輸出18V時(shí)動作，輸出高電平驅(qū)動蜂鳴器和LED燈進(jìn)過行報(bào)警，然后使DA的輸出值為零。通過軟件在電壓恢復(fù)到18V以下時(shí)將繼續(xù)保持電流大小為輸入值。

D 電源負(fù)載調(diào)整率的測試原理

電源負(fù)載的變化會引起電源輸出的變化，負(fù)載增加，輸出降低，相反負(fù)載減少，輸出升高。好的電源負(fù)載變化引起的輸出變化減到最低，通常指標(biāo)為3%~5%。本題方便負(fù)載調(diào)整率的測量，可以在被測直流穩(wěn)壓電源的輸出端串接一個(gè)電阻RW，更換不同阻值的RW，即相當(dāng)于改變被測電源的內(nèi)阻。所串電阻越大，其負(fù)載調(diào)整率也會最大，反之會減小?？梢愿淖儽粶y電源的負(fù)載調(diào)整率。

直流電子負(fù)載電路圖（三）

本文提出了一種基于STC12C5A60S 的直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)方案。主要以高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾STC12C5A60S 單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)直流電子負(fù)載。包括控制電路（MCU）、主電路、采樣電路、顯示電路等，能夠檢測被測電路的電流值、電壓值等各個(gè)參數(shù)，并能直觀的在液晶上顯示。本系統(tǒng)由自鎖開關(guān)控制電路的工作狀態(tài)，通過手動調(diào)節(jié)開關(guān)切換在恒壓、恒流、恒阻電路之間的工作狀態(tài)，由LED 燈指示相應(yīng)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)的穩(wěn)壓范圍為1V-30V，穩(wěn)流范圍為100mA-3.5A，誤差0-5%在題目要求范圍內(nèi)，達(dá)到題目要求并擴(kuò)展了恒壓、恒流的范圍。由單片機(jī)控制，通過按鍵達(dá)到對恒壓值或恒流值在一定范圍內(nèi)的控制，設(shè)置了過載保護(hù)，通過亮燈顯示過載。

方案通過兩個(gè)自鎖開關(guān)來控制電路的工作狀態(tài)，在恒壓、橫流、恒阻之間進(jìn)行切換，通過stc12c5a60s 單片機(jī)通過D/A 芯片控制恒壓、恒流等的值，stc12c5a60s 是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8-12倍，8路高速10位A/D 轉(zhuǎn)換。采用大功率NMOS 管IRF540，該管導(dǎo)通電阻足夠小，源漏抗擊穿能力足夠強(qiáng)。軟硬件結(jié)的方式，方便簡潔實(shí)現(xiàn)了不同模塊之間的轉(zhuǎn)換，很好的完成了恒壓、恒流等基本功能，并完成了恒阻等附加功能。

恒壓電路

TEXT 和GND 的為測試點(diǎn)。電路整體是個(gè)負(fù)反饋：當(dāng)TEXT 高于設(shè)定值時(shí)，運(yùn)放輸出高電壓，Q1 導(dǎo)通度增加，負(fù)載阻抗變小，和電源內(nèi)阻分壓，TEXT 減小，直至V+=V-;當(dāng)TEXT 低于設(shè)定值時(shí)，運(yùn)放輸出低電壓，Q1到通度減小，負(fù)載和電源內(nèi)阻分壓變大，TEXT 增大，直至V+=V-。

恒流電路圖

TEXT 和GND 為測試點(diǎn)，OP07中V+=V-。當(dāng)V+》V-時(shí)，運(yùn)放輸出高電壓，Q1導(dǎo)通度增加，電流增大，V-升高，達(dá)到V+=V-。當(dāng)V+《V-時(shí)，運(yùn)放輸出低電壓，Q1到通度減小，負(fù)載和電源內(nèi)阻分壓變大，電流降低，直至V+=V-。所穩(wěn)定的電流=V-除以阻值。

恒阻電路圖

當(dāng)滑動變阻器打到5 0 % 時(shí)電阻分壓V+=1/2Vin=V-， 電流I=Vin/4，R=Vin/I=4歐，電源電壓與電流成正比例變化?？梢杂脝纹瑱C(jī)實(shí)現(xiàn)，R=VText/I，由恒流原理實(shí)現(xiàn)。（如需長時(shí)間測試，MOSS 管最好接大散熱片）。

提出一種基于STC12C5A60S 的直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)方案。本方案中設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載主要以高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾STC12C5A60S 單片機(jī)為控制核心，由自鎖開關(guān)控制電路的工作狀態(tài)，通過手動調(diào)節(jié)開關(guān)切換在恒壓、恒流、恒阻電路之間的工作狀態(tài)。系統(tǒng)的穩(wěn)壓范圍為1V-30V，穩(wěn)流范圍為100mA-3.5A，誤差0-5%在題目要求范圍內(nèi)，達(dá)到對恒壓值或恒流值在一定范圍內(nèi)的控制， 設(shè)置了過載保護(hù)，通過亮燈顯示過載，經(jīng)驗(yàn)證，本方案具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

直流電子負(fù)載電路圖（四）

本系統(tǒng)采用32位的ARM9TDMI為主控芯片，同時(shí)借助外部16位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADSlll5的輔助電路，能夠保存更多的采樣數(shù)據(jù)，從而減小了采樣信號的失真度，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定快速的實(shí)時(shí)測量。對硬件電路的設(shè)計(jì)，采用OP07與IRF640構(gòu)成的線性恒流源，并采用CSM025A、VSM025A來轉(zhuǎn)換電子負(fù)載側(cè)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(fù)載的影響。

圖1為DA控制的電子負(fù)載結(jié)構(gòu)框圖。

借助16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115將電壓電流回送至單片機(jī)。通過DA控制恒流源的電流，借助PID不斷修正電流至設(shè)定值，以保證電流的恒定且可調(diào)，達(dá)到步進(jìn)10mA的要求，并有過壓保護(hù)功能。在12864液晶上顯示實(shí)時(shí)電壓電流值和設(shè)定電流值及負(fù)載調(diào)整率，電子負(fù)載具有優(yōu)良的精度、穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)，并結(jié)合精確的軟件控制，實(shí)現(xiàn)了電源測量的快速和準(zhǔn)確。原理簡單，可行性高，成本低。

電子負(fù)載及恒流電路的分析

通過16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADSlll5輸出電壓給恒流源電壓轉(zhuǎn)換恒定電流電路，由于運(yùn)算放大器OP07是精度高、低漂移運(yùn)算放大器，并且在10歐負(fù)載的情況下輸出電流能達(dá)到2 A。所以采用OP07和IRF640組成的一個(gè)Uin。電流串聯(lián)負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)電壓到電流的轉(zhuǎn)換，具體電路如圖2所示。

原理圖中OP07與IRF640構(gòu)成負(fù)反饋，由運(yùn)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。