简易直流电子负载设计
黄冈职业技术学院 李 敏
【摘要】电子负载可以模拟真实环境中的负载（用电器），与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、体积小、重量轻、成本低、效率高等优点。本系统详细讨论了直流电子负载系统的硬件电路和软件实现，给出了较为合理的解决方案。为了便于控制和功能的实现，采用了TI公司的MSP430高性能控制模块，设计了AD控制电路和相关的检测电路、校正电路、键盘电路、显示和驱动电路等，通过软硬件的协调配合，完成了整个的设计，较好实现了题目所要求的各项功能，且各项指标均达到要求 。
【关键词】MSP430F149单片 机；A/D转 换；开关管
一、系统设计方案1.总体方案设计
电子负载系统采用MSP430F149单片机、LCD液晶显示、键盘操作、PWM移相控制、功率管电路、A/D转换结合的技术方案；集控制、检变、显示等功能于一体的设计方法。总方案设计框图如图1所示。
2.电流源方案比较
方案一：根据传统线性恒流源的原理，以集成纹样芯片（LM337）与数字电位器构成电源的主体部分，通过单片机改变数字电位器的阻值，以及实现对恒流源输出值的调整，并使用LCD12864显示其数值，其原理方框图如图2所示。由于流过的电流较大，需要并串多个数字电位器才能满足输出的电流要求，且系统的开环控制稳定性较差，精度较低。
方案二：根据开关电源的原理，经AC/DC变换过程来实现可调稳流的功能，主电路由整流滤波电路、斩波电路和恒流电路构成。其工作过程如下：市电经变压器降压后，通过整流桥，电容器滤波，变成平稳的直流电，该方案可靠性高，编程容易。电源设计框图如图3所示。比较两种方案，最终选择方案二。
3.采样方案
方案一：采用外置A/D转换器，如10位A/D转换器TLC1549系列对功率器件两端电压取样，并进行转换、控制、存储和显示。TLC1549采用CMOS工艺。内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且在设计时使在满刻度时总误差也不高，因此广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。
方案二：采用TI公司提供的高性能单片机内部的12位高速A/D转换器，最多能同时对8个模拟量采样，MPS430系列产品内部A/D转换器件性能优良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、电路简单，接口
[3]J.Imrek,Development of an FPGA-based Data Acquisition module for Small Animal PET[J].IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE,2010,57(1):2698-2703.
表1 测试使用的仪器设备
简便，实用价值高，与对应的MSP核心控制模块协同控制，分辨率较高，采样精确方便。
采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，从功率电路采集实际工作电压和电流，反馈到MSP430单片机，由单片机根据采样电压自动循环调节功率器件上的电流达到平衡点稳定下来，最后通过液晶屏显示出来。本设计需要测出电压值、电流值，对设定值的精确度要求更高，故选择方案二。
二、方案理论分析与计算1.电子负载及恒流电路分析
电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。电子负载的原理是控制内功率MOSFET或晶体管的导通量（占空比），靠功率管的耗散功率消耗电能的设备，它能够准确检测出负载电压，精确调整负载电流，同时可以实现模拟负载短路，模拟负载是感性阻性和容性，容性负载电流上升时间。它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻、恒功率这几种，本设计采用恒流工作方式。图4为简易直流电子负载原理示意图。
2.电压、电流测量及精度分析
系统要求输出电流为100mA-1000mA，设置分辨率为100mA，设置精度为±1%，我们采用单片机内部12位转换精度的A/D转换器，其量化精度能达到1/4096〈1/2000，完全能达到设计的精度要求。
3.直流稳压电源组成原理
市电经过变压器降压后，通过整流桥，电容滤波，变成平稳的直流电，完成AC/DC的变换，预设的电流值与采样的电流值进行比较后，调整PWM调制脉冲的占空比
[4]Jian Song,Qi An,A High-Resolution Time-to-Digital Converter Implemented in FPGA[J].IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE,2006,53(1):236-241.
改变开关管的导通时间以达到预设电流值的目的。
4.电源负载调整率测试原理
直流稳压电源负载调整率是指电源输出电流从零至额定值变化时引起的输出电压变化率。稳压电源及负载调整率测试示意图如图5所示。
三、硬件电路设计1.显示模块
本设计中要测量实际的电压电流值，采用LCD12864液晶可以显示电压、电流等汉字，一目了然，而且液晶的功耗低、无辐射危害，与单片机连线较简单。MSP430F149单片机与LCD12864的接线如图6所示。
2.按键模块
在系统中需要通过键盘输入设定值，电流单位是mA，通过控制系统采样处理后输出实际值，所以需要有0-9的数字键、确认、清除、增加、减少键；按键较多，所以选择矩阵按键。4*4矩阵按键电路图如图7所示。
3.AD采样模块
在采样点采集的电流和电压经过控制器的处理显示在液晶上，P6.1采集电流，P6.2采集负载电压，MSP430F149单片机内部10位/12位的硬件AD转换器能达到采集的要求，为了节约成本所以选择单片机内部的AD转换器。采样电路如图8所示。
4.放大模块
系统中MSP430F149单片机输出的PWM信号的最高电压才3.3V，驱动电压过小，为了达到驱动电压，需要将电压放大2倍，我们采用TI公司的UA741进行放大。放大器电路如图9所示。
作者简介：李国仁（1987—），男，山西大同人，硕士研究生，主要从事核技术的相关研究。
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图1 总体方案设计框图
图2 方案一电源设计框图
图3 方案二电源设计框图
图4 简易直流电子负载示意图
图8 采样点电路
图5 稳压电源及负载调整率测试示意图
图9 放大电路
图6 单片机与LCD12864的接线
图10 软件主程序流程图
际的电流电压值。如表1所示。
2.测试结果
表2 当被测电压为8V时对比表
实测电流（mA）[***********]709表3 被测电压为12V时对比表
表4 输入电压为5V时的调整率时对比表
参考文献
[1]谢自美.电子线路设计・实验・测试(第三版)[M].武汉:华中科技大学出版社,2006.[2]张虹.模拟电子技术原理与应用[M].北京:北京大学出版社,2009.
[3]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计(第2版)[M].北京:航空航天大学出版社,2011.
7989101010图7 4*4矩阵按键电路图
四、软件设计
主程序软件流程如图10所示，在图5中软件首先进行DA、AD、LCD液晶显示、控制变量初始化，再调用键盘扫描处理程序，在没有按下自动调节启动停止按键时，默认为功能设置，此时单片机只预置数据输入、按键查询、预置数据LCD显示等功能；而当按下该按键1次后，单片机将转为执行负载调节、A/D采集、实际数据LCD显示等功能。
五、测试方案与测试结果1.测试的方案及测试条件
先给定系统一个被测电压，通过键盘输入多个预制电流，测量实际的电压电流值，再通过更改不同的被测电压，测量实
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简易直流电子负载设计
黄冈职业技术学院 李 敏
【摘要】电子负载可以模拟真实环境中的负载（用电器），与传统的模拟电阻性负载相比具有节能、体积小、重量轻、成本低、效率高等优点。本系统详细讨论了直流电子负载系统的硬件电路和软件实现，给出了较为合理的解决方案。为了便于控制和功能的实现，采用了TI公司的MSP430高性能控制模块，设计了AD控制电路和相关的检测电路、校正电路、键盘电路、显示和驱动电路等，通过软硬件的协调配合，完成了整个的设计，较好实现了题目所要求的各项功能，且各项指标均达到要求 。
【关键词】MSP430F149单片 机；A/D转 换；开关管
一、系统设计方案1.总体方案设计
电子负载系统采用MSP430F149单片机、LCD液晶显示、键盘操作、PWM移相控制、功率管电路、A/D转换结合的技术方案；集控制、检变、显示等功能于一体的设计方法。总方案设计框图如图1所示。
2.电流源方案比较
方案一：根据传统线性恒流源的原理，以集成纹样芯片（LM337）与数字电位器构成电源的主体部分，通过单片机改变数字电位器的阻值，以及实现对恒流源输出值的调整，并使用LCD12864显示其数值，其原理方框图如图2所示。由于流过的电流较大，需要并串多个数字电位器才能满足输出的电流要求，且系统的开环控制稳定性较差，精度较低。
方案二：根据开关电源的原理，经AC/DC变换过程来实现可调稳流的功能，主电路由整流滤波电路、斩波电路和恒流电路构成。其工作过程如下：市电经变压器降压后，通过整流桥，电容器滤波，变成平稳的直流电，该方案可靠性高，编程容易。电源设计框图如图3所示。比较两种方案，最终选择方案二。
3.采样方案
方案一：采用外置A/D转换器，如10位A/D转换器TLC1549系列对功率器件两端电压取样，并进行转换、控制、存储和显示。TLC1549采用CMOS工艺。内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且在设计时使在满刻度时总误差也不高，因此广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。
方案二：采用TI公司提供的高性能单片机内部的12位高速A/D转换器，最多能同时对8个模拟量采样，MPS430系列产品内部A/D转换器件性能优良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、电路简单，接口
[3]J.Imrek,Development of an FPGA-based Data Acquisition module for Small Animal PET[J].IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE,2010,57(1):2698-2703.
表1 测试使用的仪器设备
简便，实用价值高，与对应的MSP核心控制模块协同控制，分辨率较高，采样精确方便。
采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，从功率电路采集实际工作电压和电流，反馈到MSP430单片机，由单片机根据采样电压自动循环调节功率器件上的电流达到平衡点稳定下来，最后通过液晶屏显示出来。本设计需要测出电压值、电流值，对设定值的精确度要求更高，故选择方案二。
二、方案理论分析与计算1.电子负载及恒流电路分析
电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。电子负载的原理是控制内功率MOSFET或晶体管的导通量（占空比），靠功率管的耗散功率消耗电能的设备，它能够准确检测出负载电压，精确调整负载电流，同时可以实现模拟负载短路，模拟负载是感性阻性和容性，容性负载电流上升时间。它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻、恒功率这几种，本设计采用恒流工作方式。图4为简易直流电子负载原理示意图。
2.电压、电流测量及精度分析
系统要求输出电流为100mA-1000mA，设置分辨率为100mA，设置精度为±1%，我们采用单片机内部12位转换精度的A/D转换器，其量化精度能达到1/4096〈1/2000，完全能达到设计的精度要求。
3.直流稳压电源组成原理
市电经过变压器降压后，通过整流桥，电容滤波，变成平稳的直流电，完成AC/DC的变换，预设的电流值与采样的电流值进行比较后，调整PWM调制脉冲的占空比
[4]Jian Song,Qi An,A High-Resolution Time-to-Digital Converter Implemented in FPGA[J].IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE,2006,53(1):236-241.
改变开关管的导通时间以达到预设电流值的目的。
4.电源负载调整率测试原理
直流稳压电源负载调整率是指电源输出电流从零至额定值变化时引起的输出电压变化率。稳压电源及负载调整率测试示意图如图5所示。
三、硬件电路设计1.显示模块
本设计中要测量实际的电压电流值，采用LCD12864液晶可以显示电压、电流等汉字，一目了然，而且液晶的功耗低、无辐射危害，与单片机连线较简单。MSP430F149单片机与LCD12864的接线如图6所示。
2.按键模块
在系统中需要通过键盘输入设定值，电流单位是mA，通过控制系统采样处理后输出实际值，所以需要有0-9的数字键、确认、清除、增加、减少键；按键较多，所以选择矩阵按键。4*4矩阵按键电路图如图7所示。
3.AD采样模块
在采样点采集的电流和电压经过控制器的处理显示在液晶上，P6.1采集电流，P6.2采集负载电压，MSP430F149单片机内部10位/12位的硬件AD转换器能达到采集的要求，为了节约成本所以选择单片机内部的AD转换器。采样电路如图8所示。
4.放大模块
系统中MSP430F149单片机输出的PWM信号的最高电压才3.3V，驱动电压过小，为了达到驱动电压，需要将电压放大2倍，我们采用TI公司的UA741进行放大。放大器电路如图9所示。
作者简介：李国仁（1987—），男，山西大同人，硕士研究生，主要从事核技术的相关研究。
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图1 总体方案设计框图
图2 方案一电源设计框图
图3 方案二电源设计框图
图4 简易直流电子负载示意图
图8 采样点电路
图5 稳压电源及负载调整率测试示意图
图9 放大电路
图6 单片机与LCD12864的接线
图10 软件主程序流程图
际的电流电压值。如表1所示。
2.测试结果
表2 当被测电压为8V时对比表
实测电流（mA）[***********]709表3 被测电压为12V时对比表
表4 输入电压为5V时的调整率时对比表
参考文献
[1]谢自美.电子线路设计・实验・测试(第三版)[M].武汉:华中科技大学出版社,2006.[2]张虹.模拟电子技术原理与应用[M].北京:北京大学出版社,2009.
[3]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计(第2版)[M].北京:航空航天大学出版社,2011.
7989101010图7 4*4矩阵按键电路图
四、软件设计
主程序软件流程如图10所示，在图5中软件首先进行DA、AD、LCD液晶显示、控制变量初始化，再调用键盘扫描处理程序，在没有按下自动调节启动停止按键时，默认为功能设置，此时单片机只预置数据输入、按键查询、预置数据LCD显示等功能；而当按下该按键1次后，单片机将转为执行负载调节、A/D采集、实际数据LCD显示等功能。
五、测试方案与测试结果1.测试的方案及测试条件
先给定系统一个被测电压，通过键盘输入多个预制电流，测量实际的电压电流值，再通过更改不同的被测电压，测量实
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