2012年15省赛区大学生电子设计ti杯竞赛。
简易直流电子负载（g题）
参赛队：324708】
2012年8月7日。
简易直流电子负载。
摘要。本体统由msp430单片机、d/a转换器、恒流源调整电路、电压取样放大电路、a/d转换器、液晶屏六大部分组成。在d/a电路中，我们采用了12位的tlv5618芯片，单片机通过它来控制恒流源部分。
恒流源部分中，我们采用了大功率场效应管irf640，采用场效应管，更易于实现电压线性控制电流，。在取样电路中，我们通过对取样电阻两端的电压进行放大之后送至a/d转换电路，在a/d电路中我们采用了12位的ads7816芯片，单片机通过它得到相应电压值，进而算得流过负载的电流。
关键字：数控恒流源、液晶显示。
一、引言。随着现代技术的发展，恒定电流源的应用将十分重要。恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源 ,因此恒流源的应用范围非常广泛 ,并且在许多情况下是必不可少的。
本题要求我们自制一个范围为100ma~1000ma数控恒流源，它可以通过按键进行100ma的步进，而且精度为±1%，要求本系统可以实时测量并显示负载两端的电压【精度为±（0.1%+0.1%fs）】和流过负载的电流【精度为±
0.2%+0.2%fs）】。
要求自制稳压源，且稳压电源的输出电压为5v±0.1v，额定输出电流大于1a，纹波与噪声电压（峰峰值）不大于20mv。并用数控恒流源来测量自制电源的负载调整率。
二、方案设计与论证。
2.1恒流源调整电路。
方案一：采用恒流二极管或者恒流三极管，精度比较高，但这种电路能实现的恒流范围很小，只能达到十几毫安，不能达到题目的要求。
方案二：采用四端可调恒流源，这种器件靠改变外围电阻元件参数，从而使电流达到可调的目的，这种器件能够达到1~2000毫安的输出电流。改变输出电流，通常有两种方法：
一是通过手动调节来改变输出电流，这种方法不能满足题目的数控调节要求；二是通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以达到数控的目的，但数字电位器的每一级步进电阻比较大，所以很难调节输出电流。
方案三：压控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。电压控制电路采用数控的方式，利用单片机送出数字量，经过d/a转换转变成模拟信号，再送到大功率场效应管进行放大。
单片机系统实时对输出电流进行监控，采用数字方式作为反馈调整环节，由程序控制调节功率管的输出电流恒定。当改变负载大小时，基本上不影响电流的输出，采用这样一个闭路环节使得系统一直在设定值维持电流恒定。
方案比较：方案一虽精度高，但是恒流范围小。方案二步进调节不便，且调节精度不高。方案三通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作，故选择方案三。
1.2电源电路。
方案一：采用开关稳压电源，其输出电流大，能满足输出1a电流的要求，其外围元器件较少，但是其纹波较大，不太好滤除。
方案二：采用三端线性稳压电源，其有结构简单、性能优良、调试方便、**便宜等显著优点，而且能提供的最大电流可达到1a，重要的是它的纹波较小，可以实现发挥部分纹波<20mv。
方案比较：根据上述比较，我们采用方案二。
二、系统总体设计。
2.1系统框图。
本系统由msp430单片机、d/a转换器、恒流源调整电路、电压取样放大电。
路、a/d转换器、液晶屏六大部分组成，系统框图如图1所示。
图1 数控直流恒流源系统框图。
2.2 硬件设计。
2.2.1 压控恒流源电路设计。
压控恒流源是系统的核心组成部分，它的功能是用电压来控制电流的变化，由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高，所以选好压控恒流源电路显得特别重要。
采用如下电路：
电路原理图如图2所示。该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管q1、采样电阻r3、负载电阻rl等组成。
图2 调整输出电路图。
电路中调整管采用大功率场效应管irf640。采用场效应管，更易于实现电压线性控制电流，既能满足输出电流最大达到2a的要求，也能较好地实现电压近似线性地控制电流。因为当场效应管工作于饱和区时，漏电流id近似为电压ugs控制的电流。
即当ud为常数时，满足：id=f（ugs）,只要ugs不变，id就不变。
在此电路中，r3为取样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小）,阻值为0.35欧。运放采用opa340作为电压跟随器，ui=up=un,场效应管id=is(栅极电流相对很小，可忽略不计) 所以io=is= un/r3= ui/r3。
正因为io=ui/r3,电路输入电压ui控制电流io,即io不随rl的变化而变化，从而实现压控恒流。
2.2.2 取样电路。
如图3所示，题目要求测量实际输出电流值，我们以在负载电路中串入采样电阻，通过测其两端电压间接测量电流的方式来实现测量。为减少对负载电路的影响，选取的采样电阻值应尽可能的小，实际中我们选用的阻值为0.1。
由于采样电阻很小，因而其两端的电压也很小，不能直接将其电压送入a/d芯片中，我们需要先进行放大。在放大部分，我们选用了ti公司的opa340，其为仪表放大器，可以对微小的信号进行精密放大，且具有很高的共模抑制比，能满足设计的要求。
图3 取样电路图。
2.2.3 d/a转换电路。
d/a转换电路如图4所示。
图4 d/a转换电路图。
2.2.4 a/d转换电路。
a/d转换电路如图5所示。
图5 a/d转换电路图。
2.3软件设计。
软件设计流程图如图6所示。
图6 软件流程图。
3、系统测试和数据分析。
3.1 测试方法。
1.指标测试：利用万用表的电流档与电压档对相应测量点的值进行测量记录。
2.功能测试：通过显示屏观察，检测各项测试控制功能是否实现。
3.测试仪器：vc9807a+ digtal multimeter万用表。
3.2 相关测试数据。
3.2.1 测试步进调节输出的电流。
接入电阻为2.2时，测试结果如表1所示。
表1 电流步进调节测试表。
3.2.2 测试电子负载两端电压。
测试表如表2所示。
表2 电子负载两端电压测量表。
3.2.3 测试电子负载上的电流。
电子负载电流测试表3所示。
表3 电子负载上电流测试表。
3.2.4 负载调整率的测量。
负载调整率测试表如表4所示。
表4 负载调整率测试表。
4、结论与系统改进措施。
结论：由上面的测试表可知，本系统达到了本题的基本部分与发挥部分要求。
问题：在测量过程中，测量电流值不停跳变，分析原因，使用的5v稳压电源不够稳定，导致其提供给a/d和d/a芯片的参考电压不稳定，进而导致测量的电流不稳定。
改进措施：使用电压基准源为a/d和d/a芯片提供参考电压。
六、参考文献。
1.模拟电子技术韦建英徐安静编华中科技大学出版社（2010.8）
单片机常用模块与综合系统实例精讲秦龙编电子工业出版社（2007.7）
3.全国大学生电子设计竞赛教程--基于ti器件设计方法黄根春周立青张望先编电子工业出版社（2011.4）
七、附录。附录一：整机电路图。
直流电子负载，a/d、d/a转换电路。
供电电源电路。
自制待测电源电路。
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