直 流 电 子 负 载
摘要：关键字：
TC89C52单片机 , 12位 AD/DA ,
一、总体设计方案 二、
电源运算放大器
,
1、方案论证及比较 方案一：
基于手动调节的直流电子负载
基于手动调节的直流电子负载的原理图如下：
本方案由于电路设计的问题，对电子负载恒流恒压的控制是依靠对电阻手动调节来实现的。而单片机对电阻的调节的实现相对较为复杂，因此这里并没有采用单片机为控制核心，只是将其应用于显示模块当中。该方案采用了诸多的精密器件（如精密金属膜电阻）以获得足够高的精度，但却采用了手动调节的方式，显然是得不偿失。而且高精度的器件的价格昂贵、数量稀少、不易采购。开环的控制方式不利于精度的调节和操作的简化。电路中恒流恒压部分相对独立，技术含量较低且元器件的利用率较低。同时，系统的扩展性较差也是其弊端。 方案二：
基于单片机的恒压恒流电路分离的电子负载
基于单片机的恒压恒流电路分离的电子负载原理图如下：
本方案采用了单片机控制整个系统，操作变得简单明了。但是电路中的恒压恒流部分仍然相对独立，技术含量较低。两部分电路分别受单片机的控制。电路的输出有两个。这为测量带来了不变。同时电路元件的利用率底下且电路本身规模庞大也是其弊端。
二、单元电路设计 三、
1、 自制电源的设计
由于该系统采用了单片机，AD、DA芯片，运算放大器，所以需要正负5V、正负18V的直流电压，该部分由变压器、整流器、滤波器以及三段固定正、负稳压器组成。选用220V/18V的变压器。
为使单片机最小系统以及AD、DA正常、稳定地工作，采用稳定度高的78、79系列的三端固定式稳压器。该系列稳压器有过流保护、过热保护功能，以防止过载而损坏。由于要得到正负5V、正负18V的直流电压，因而选择了7818，7918，7805，7905四种型号的三端稳压器。
通过测试，自制电源产生的电压分别为+18.030V、-17.970V、+5.040V、-4.975V,而要求产生的电压分别是18V、5V，所以其误差分别为0.16%、0.16%、0.8%、0.5%。 可见自制电源精度很高，可满足电路对电压的要求。
2、 电子负载模块的设计 电子负载模块的电路图如下图所示：
470µF
电子负载模块是本设计的重要环节，通过该环节将实现恒压恒流模式下的数
据指标。因此，设计了具有特色的电子负载模块。
该模块包括恒流恒压两个部分，在实际的电路中，通过单片机控制继电器来进行对模式的选择，达到了完全的数控。而本图则采用单刀双置开关来加以说明，以使得识图更加容易。
3、 采样模块的设计 4、
采样的目的是为了获得实际端电压、端电流的数据，用于返回单片机处理后进行显示。因此，采样点的选取就成为了设计的重点。根据分析，选取了串联电阻R7,R8间（设为A点）作为输出端电压的采样点，选取了采样电阻的端电压（设为B点）作为输出端电流的采样点。因此，采样模块需要两片A/D芯片。本设计选用了 MCP3205 作为A/D。采样之后的数据需要进行处理之后才会得到所求得的数据。对于A点来讲，采样电压需要经过串联分压的运算才会得到实际端电压，而对于B点来讲，采样电压需要除以采样电阻才能得到实际端电流。 。
5、 频率切换模块 6、
根据题目要求，电压模式下能以1KHz、50%占空比，切换负载的接入和断开。由要求可知，选择由耗尽型场效应管IRF9540构成的电子开关来实现这一功能。1KHz、50%占空比通过程序控制、并有单片机引脚输出。开关J1用于控制频率切换模块的接入和断开。当开关闭合使得模块接入时，1KHz、50%占
空比的脉冲作用于IRF9540，使其沟道不断的导通截止，从而达到切换负载接入断开的目的。而当开关断开时，由于IRF9540属于耗尽型场效应管，此时沟道仍将存在，即在开关断开时，电子开关相当于导通，这也是选择耗尽型管的原因。此外，由于单片机提供峰值为5V的脉冲是不能满足要求的，需要对这个脉冲进行放大，因此放大倍数为三倍的运放U4由此而产生。在连接时，将场效应管的右端接入电源，左端为稳压模式的稳压点。
5、单片机控制模块及显示模块
单片机控制模块及显示模块电路图如附图一所示
单片机是数控电子负载的核心部件，它既协调整机工作，又是数据处理器。本系统采用STC89C52单片机为核心，以四个独立按键，NOKIA5110液晶显示屏构成友好界面。单片机通过A/D,D/A等器件对模拟信号进行信号的采集、处理和输出，从而对输出电流值进行控制校正，达到较高精度。同时，单片机的接口全部进行扩展，使系统应用更加灵活。
三、单片机软件设计
1、 软件设计
为了方便编写和调试，我们采用了模块化的编程方法，整个程序分为若干子程序：
（1）液晶显示子程序:显示当前模式（恒压或恒流），设定输出值及实际端电压电流。
（2）键盘处理子程序：模式切换，输出值的设定及步进。
（3）数据处理子程序：根据设定值换算出调整值，写入D/A的值，根据A/D采样的数据换算出实际端电压电流值。 （4）将调整值送入D/A。 （5）进行A/D采样。 2、 主程序的流程图
主程序流程图如下：
四、 系统测试
1、重要模块的软件仿真
本方案采用了Multisim 11.0进行仿真，重要模块仿真如下： （1）电子负载模块的仿真 电压模式的仿真：
由上面的分析可知，恒压状态下电子负载的输入控制电压（D/A的输出模拟量）为0.4—3V，恒压范围为2—15V，且两者是一一对应的关系。经过实际模拟，已经达标，仅举此一例。当输入电子负载的电压为3V，电源电压为20V时，开关J1、J2下拨，即工作在恒压模式下，稳压值稳定在设想的15V，如附图二所示。
由仿真结果可以看出，电压值达到了完全稳定，同时，电流能力已经到达了发挥部分要求的5A,因此方案可行。
电流模式的仿真：
由上面的分析可知，恒流状态下电子负载的输入控制电压（D/A的输出模拟量）为0.1—2V，，恒流范围为0.1—2A，且两者是一一对应的关系。经过实际模拟，已经达标，仅举此一例。当输入电子负载的电压为2V，电源电压为20V时，开关J1、J2上拨，即工作在恒流模式下，恒流值稳定在设想的2A，具体仿真如附图三。
经过模拟，恒流电路的设计方案已经满足了题目发挥部分的要求，因此方案可行。
（2）频率切换模块的仿真
在应用频率切换模块时，只需将该模块串接在电子负载的输出端口和电源之间，并通过模块的开关来控制是否开启该模块。当开关断开时，该模块没有接入电路，此时耗散型场效应管沟道打开，相当于通路。而当开关闭合时，放大的脉冲作用于管子上，使沟道不断开启闭合，从而达到了切入负载接入和断开的效果。仿真时，设定外加电压为10V，则接入电子负载的输出端口的电压理论上应该为5V。仿真电路如附图四
由上图仿真可知，实际电压值与理论还是有一些偏差，这是由于场效应管的内阻所致。但是，由于电子负载的输出端口所加电压已经是脉动的电压，所以已经达到了“电压模式下能以1KHz、50%占空比，切换负载的接入和断开”的要求。电子负载的输出端口电压波形如附图五：
2、实际电路的测试
（1）测试仪器 （2）测试方法
在电路各个模块完整的制作完成后，首先要做的是再次检查硬件电路是否有错误，如虚焊，连线错误等。如果并无此方面的问题，则在不加测试电源的情况下，对各个模块的主要部件进行测试，如单片机对D/A的控制是否正常，运算放大器是否按照制定的放大倍数或要求进行工作，康铜丝的采样点电压接入运放后是否能够按照要求进行放大，采样模块的A/D是否能够正常的进行工作，显示模块是否能够正常显示等。当通过上面的测试后，则可以接入电源。但是在接入之前，切记要先用单片机设定好工作模式。当电源在初次接入时，其电压值应该设定的很小，可以从2V开始进行调节，与此同时，还要考虑到串联限流电阻，为了确保电路的安全，初次接入时应先选取2欧进行测试。在测试过程中，尽量保证电源电压与D/A输出模拟电压向接近，避免两者偏差过大。当测试过程中出现异常情况时，切记先关闭电源开关。
对电路恒压模式的检测：当检测恒流模式电路时，首先应该控制单片机使得恒定值为要求最低值，即0.1A。测试恒压的同时，要对数据进行记录。记录的规则是：从恒流要求的最低电流0.1A开始，每隔500mA取一个测试点，直到2A。之后在每个测试点进行扩展，如0.1A的扩展，0.11A、0.12A、0.13A，以此类推。每个取样值中，记录端口实际输出值和A/D采样返回并显示在液晶上面的显示值。
五、 测试结果分析
由实际测试结果分析，本系统较好的完成了基本部分和发挥部分。电流的输出范围为0.1A—2A，步进满足0.01A；电压输出范围为2—15V，步进满足0.01V。 因此本方案较好完成了题目的要求。
附图： 1、
2、
3、
4、
直 流 电 子 负 载
摘要：关键字：
TC89C52单片机 , 12位 AD/DA ,
一、总体设计方案 二、
电源运算放大器
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1、方案论证及比较 方案一：
基于手动调节的直流电子负载
基于手动调节的直流电子负载的原理图如下：
本方案由于电路设计的问题，对电子负载恒流恒压的控制是依靠对电阻手动调节来实现的。而单片机对电阻的调节的实现相对较为复杂，因此这里并没有采用单片机为控制核心，只是将其应用于显示模块当中。该方案采用了诸多的精密器件（如精密金属膜电阻）以获得足够高的精度，但却采用了手动调节的方式，显然是得不偿失。而且高精度的器件的价格昂贵、数量稀少、不易采购。开环的控制方式不利于精度的调节和操作的简化。电路中恒流恒压部分相对独立，技术含量较低且元器件的利用率较低。同时，系统的扩展性较差也是其弊端。 方案二：
基于单片机的恒压恒流电路分离的电子负载
基于单片机的恒压恒流电路分离的电子负载原理图如下：
本方案采用了单片机控制整个系统，操作变得简单明了。但是电路中的恒压恒流部分仍然相对独立，技术含量较低。两部分电路分别受单片机的控制。电路的输出有两个。这为测量带来了不变。同时电路元件的利用率底下且电路本身规模庞大也是其弊端。
二、单元电路设计 三、
1、 自制电源的设计
由于该系统采用了单片机，AD、DA芯片，运算放大器，所以需要正负5V、正负18V的直流电压，该部分由变压器、整流器、滤波器以及三段固定正、负稳压器组成。选用220V/18V的变压器。
为使单片机最小系统以及AD、DA正常、稳定地工作，采用稳定度高的78、79系列的三端固定式稳压器。该系列稳压器有过流保护、过热保护功能，以防止过载而损坏。由于要得到正负5V、正负18V的直流电压，因而选择了7818，7918，7805，7905四种型号的三端稳压器。
通过测试，自制电源产生的电压分别为+18.030V、-17.970V、+5.040V、-4.975V,而要求产生的电压分别是18V、5V，所以其误差分别为0.16%、0.16%、0.8%、0.5%。 可见自制电源精度很高，可满足电路对电压的要求。
2、 电子负载模块的设计 电子负载模块的电路图如下图所示：
470µF
电子负载模块是本设计的重要环节，通过该环节将实现恒压恒流模式下的数
据指标。因此，设计了具有特色的电子负载模块。
该模块包括恒流恒压两个部分，在实际的电路中，通过单片机控制继电器来进行对模式的选择，达到了完全的数控。而本图则采用单刀双置开关来加以说明，以使得识图更加容易。
3、 采样模块的设计 4、
采样的目的是为了获得实际端电压、端电流的数据，用于返回单片机处理后进行显示。因此，采样点的选取就成为了设计的重点。根据分析，选取了串联电阻R7,R8间（设为A点）作为输出端电压的采样点，选取了采样电阻的端电压（设为B点）作为输出端电流的采样点。因此，采样模块需要两片A/D芯片。本设计选用了 MCP3205 作为A/D。采样之后的数据需要进行处理之后才会得到所求得的数据。对于A点来讲，采样电压需要经过串联分压的运算才会得到实际端电压，而对于B点来讲，采样电压需要除以采样电阻才能得到实际端电流。 。
5、 频率切换模块 6、
根据题目要求，电压模式下能以1KHz、50%占空比，切换负载的接入和断开。由要求可知，选择由耗尽型场效应管IRF9540构成的电子开关来实现这一功能。1KHz、50%占空比通过程序控制、并有单片机引脚输出。开关J1用于控制频率切换模块的接入和断开。当开关闭合使得模块接入时，1KHz、50%占
空比的脉冲作用于IRF9540，使其沟道不断的导通截止，从而达到切换负载接入断开的目的。而当开关断开时，由于IRF9540属于耗尽型场效应管，此时沟道仍将存在，即在开关断开时，电子开关相当于导通，这也是选择耗尽型管的原因。此外，由于单片机提供峰值为5V的脉冲是不能满足要求的，需要对这个脉冲进行放大，因此放大倍数为三倍的运放U4由此而产生。在连接时，将场效应管的右端接入电源，左端为稳压模式的稳压点。
5、单片机控制模块及显示模块
单片机控制模块及显示模块电路图如附图一所示
单片机是数控电子负载的核心部件，它既协调整机工作，又是数据处理器。本系统采用STC89C52单片机为核心，以四个独立按键，NOKIA5110液晶显示屏构成友好界面。单片机通过A/D,D/A等器件对模拟信号进行信号的采集、处理和输出，从而对输出电流值进行控制校正，达到较高精度。同时，单片机的接口全部进行扩展，使系统应用更加灵活。
三、单片机软件设计
1、 软件设计
为了方便编写和调试，我们采用了模块化的编程方法，整个程序分为若干子程序：
（1）液晶显示子程序:显示当前模式（恒压或恒流），设定输出值及实际端电压电流。
（2）键盘处理子程序：模式切换，输出值的设定及步进。
（3）数据处理子程序：根据设定值换算出调整值，写入D/A的值，根据A/D采样的数据换算出实际端电压电流值。 （4）将调整值送入D/A。 （5）进行A/D采样。 2、 主程序的流程图
主程序流程图如下：
四、 系统测试
1、重要模块的软件仿真
本方案采用了Multisim 11.0进行仿真，重要模块仿真如下： （1）电子负载模块的仿真 电压模式的仿真：
由上面的分析可知，恒压状态下电子负载的输入控制电压（D/A的输出模拟量）为0.4—3V，恒压范围为2—15V，且两者是一一对应的关系。经过实际模拟，已经达标，仅举此一例。当输入电子负载的电压为3V，电源电压为20V时，开关J1、J2下拨，即工作在恒压模式下，稳压值稳定在设想的15V，如附图二所示。
由仿真结果可以看出，电压值达到了完全稳定，同时，电流能力已经到达了发挥部分要求的5A,因此方案可行。
电流模式的仿真：
由上面的分析可知，恒流状态下电子负载的输入控制电压（D/A的输出模拟量）为0.1—2V，，恒流范围为0.1—2A，且两者是一一对应的关系。经过实际模拟，已经达标，仅举此一例。当输入电子负载的电压为2V，电源电压为20V时，开关J1、J2上拨，即工作在恒流模式下，恒流值稳定在设想的2A，具体仿真如附图三。
经过模拟，恒流电路的设计方案已经满足了题目发挥部分的要求，因此方案可行。
（2）频率切换模块的仿真
在应用频率切换模块时，只需将该模块串接在电子负载的输出端口和电源之间，并通过模块的开关来控制是否开启该模块。当开关断开时，该模块没有接入电路，此时耗散型场效应管沟道打开，相当于通路。而当开关闭合时，放大的脉冲作用于管子上，使沟道不断开启闭合，从而达到了切入负载接入和断开的效果。仿真时，设定外加电压为10V，则接入电子负载的输出端口的电压理论上应该为5V。仿真电路如附图四
由上图仿真可知，实际电压值与理论还是有一些偏差，这是由于场效应管的内阻所致。但是，由于电子负载的输出端口所加电压已经是脉动的电压，所以已经达到了“电压模式下能以1KHz、50%占空比，切换负载的接入和断开”的要求。电子负载的输出端口电压波形如附图五：
2、实际电路的测试
（1）测试仪器 （2）测试方法
在电路各个模块完整的制作完成后，首先要做的是再次检查硬件电路是否有错误，如虚焊，连线错误等。如果并无此方面的问题，则在不加测试电源的情况下，对各个模块的主要部件进行测试，如单片机对D/A的控制是否正常，运算放大器是否按照制定的放大倍数或要求进行工作，康铜丝的采样点电压接入运放后是否能够按照要求进行放大，采样模块的A/D是否能够正常的进行工作，显示模块是否能够正常显示等。当通过上面的测试后，则可以接入电源。但是在接入之前，切记要先用单片机设定好工作模式。当电源在初次接入时，其电压值应该设定的很小，可以从2V开始进行调节，与此同时，还要考虑到串联限流电阻，为了确保电路的安全，初次接入时应先选取2欧进行测试。在测试过程中，尽量保证电源电压与D/A输出模拟电压向接近，避免两者偏差过大。当测试过程中出现异常情况时，切记先关闭电源开关。
对电路恒压模式的检测：当检测恒流模式电路时，首先应该控制单片机使得恒定值为要求最低值，即0.1A。测试恒压的同时，要对数据进行记录。记录的规则是：从恒流要求的最低电流0.1A开始，每隔500mA取一个测试点，直到2A。之后在每个测试点进行扩展，如0.1A的扩展，0.11A、0.12A、0.13A，以此类推。每个取样值中，记录端口实际输出值和A/D采样返回并显示在液晶上面的显示值。
五、 测试结果分析
由实际测试结果分析，本系统较好的完成了基本部分和发挥部分。电流的输出范围为0.1A—2A，步进满足0.01A；电压输出范围为2—15V，步进满足0.01V。 因此本方案较好完成了题目的要求。
附图： 1、
2、
3、
4、