一種新型智能電子負載的設計

0 引言

電子負載具有體積小，調(diào)節(jié)方便，工作方式靈活，性能穩(wěn)定，精度高等優(yōu)點，被廣泛應用于電源類產(chǎn)品和各類電子元器件的實驗.測試.檢定和老化環(huán)節(jié).該方案基于51單片機，設計了一種智能電子負載，與其他同類設計相比，具有直流穩(wěn)壓電源負載調(diào)整率自動測試功能.

1 系統(tǒng)原理整個智能電子負載系統(tǒng)由單片機.恒流控制電路.功率負載器件.電壓電流檢測電路.過壓保護.供電電源等構成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示.

電子負載工作在定電流模式時，被測直流穩(wěn)壓電源輸出的電流不變(以被測電源能提供相應電流為前提).測試直流穩(wěn)壓電源負載調(diào)整率時，連接好測試電路，按鍵選定電源負載調(diào)整率測試功能，輸入被測電源的額定電流.電壓值，即可自動測試被測電源的負載調(diào)整率.

2 硬件電路設計

2.1 恒流及電壓電流檢測電路

設計恒流電路使流過功率負載器件的電流值與數(shù)/模轉換器的輸出電壓成線性關系.單片機控制數(shù)/模轉換器輸出電壓，使恒流控制電路控制功率負載器件流過所需電流.電壓電流檢測電路把被測電源的輸出電壓和電流線性地轉化成適合模/數(shù)轉換器測量的量程，單片機控制模/數(shù)轉換器測量電壓電流檢測電路的輸出電壓，達到測量被測電源輸出電壓和電流的功能.恒流及電壓電流電測電路如圖2 所示，其中Q1 是功率負載器件，用于吸收被測電源輸出的功率.

圖2中數(shù)/模轉換器輸出的電壓經(jīng)過電壓跟隨器U1B輸入運算放大器U3 的同相輸入端，運算放大器U3 通過采樣電阻R6 .差分放大器U4 等建立了深度負反饋.將運算放大器看做理想的放大器，由“虛短”.“虛斷”可得：

式中：UDAC 是數(shù)/模轉換器輸出的電壓;I 是流過功率負載器件的電流;A 是由差分放大器U4 及R4 ,R5 等所組成電路的放大倍數(shù)，差分放大器U4 選用的型號為INA2134.從式(1)中可以看出，流過功率負載器件的電流與數(shù)/模轉換器輸出的電壓成線性關系，因此可以通過單片機控制功率負載器件的電流.通過模/數(shù)轉換器分別測量圖2中ADC1 ,ADC2 處的電壓，可以得到被測負載電源輸出的電壓和電流.

被測電源輸出電壓U 與ADC1 處的電壓UADC1 之間關系式為：

被測電源輸出電流I 與ADC2 處的電壓UADC2 之間關系式為：

2.2 模/數(shù).數(shù)/模轉換電路

為了使系統(tǒng)達到一定的精度，且節(jié)省單片機I/O口資源，分別選用12位串行模/數(shù).數(shù)/模轉換器，分辨率達212 = 4 096 .U1 ,U3 分別為模/數(shù).數(shù)/模轉換器提供穩(wěn)定的參考電壓.模/數(shù)轉換器選用TCL2543,數(shù)/模轉換器選用TCL5618如圖3所示.

2.3 過壓保護電路

過壓保護電路用于在被測電源輸出的電壓大于一定值時，切斷被測電源與電子負載的連接，起到保護電子負載的作用，電路如圖4所示.

圖4中J1 與被測電源輸出端口相連，J2 連接到功率負載器件.電阻R2 .R5 分得的電壓輸入到電壓比較器U2 的同相輸入端，電壓比較器U2 的反向輸入端輸入一固定的電壓.當同相輸入端電壓小于反向輸入端電壓(未過壓)時，電壓比較器U2 輸出低電平，三極管Q1 截止，繼電器K1 不動作，J1 與J2 保持連通;當同向輸入端電壓大于反向輸入端電壓(過壓)時，電壓比較器U2 輸出高電平，三極管Q1 導通，繼電器K1 動作，J1 與J2 斷開，即過壓保護.

3 系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)程序采用模塊編程.主程序調(diào)用各模塊的方式實現(xiàn).主要由定電流.被測電源輸出電壓檢測.被測電源輸出電流檢測.負載調(diào)整率自動測試.按鍵檢測.顯示驅動等模塊組成.

整個系統(tǒng)有兩個工作模式：定電流工作模式.負載調(diào)整率自動測試模式，定電流工作模式同時顯示被測電源輸出的電壓和電流.系統(tǒng)上電后單片機首先進行各模塊的初始化，最后在主循環(huán)中不斷地檢測各個標志位，以判斷工作模式，通過檢測按鍵來改變標志位，系統(tǒng)程序流程如圖5所示.

直流穩(wěn)壓電源負載調(diào)整率S 表達式為：

式中：U 表示直流穩(wěn)壓電源設定的額定電壓值;UO 表示空載輸出的電壓值;UM 表示滿載時的輸出電壓值.

直流穩(wěn)壓電源負載調(diào)整率自動測試功能在定電流的基礎上進行編程實現(xiàn)，負載調(diào)整率自動測試流程圖如圖6所示.

4 結語

以51單片機為主控芯片設計了一種新型智能電子負載，使運算放大器工作在深度負反饋條件下實現(xiàn)功率負載恒流，選用12 位串行的模/數(shù)和數(shù)/模轉換器，設計過壓過流保護電路，通過軟件編程實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源負載調(diào)整率自動測試功能.實際設計與制作表明，該方案滿足設計要求.