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简易直流电子负载（G题）
摘要：
系统方案
方案选择
　　根据系统的设计要求，设计和制作一台恒流（CC）工作模式的简易直流电子负载。系统的总体设计框图1。
　　
　　
　　图1总体设计框图
　　按照设计要求，得出以下三种方案：
　　方案一：晶体管式电子模拟负载：晶体管是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。通过基极电流可以控制集电极电流，从而可以达到控制晶体管作为一个可变负载的目的。大功率晶体管构成的功率恒流源充当负载，通过吸收电源提供的大电流，从而模拟复杂的负载形式。即通过将恒压、恒流、恒阻误差信号经过放大，再送入逻辑或控制电路，用选中的误差信号来调整晶体管的内阻，以达到模拟变化负载的目的。由于晶体管属于电流控制性器件，在控制变化速度上较慢，因此适合模拟一些电流恒定或是变化缓慢的实际负载。其次，晶体管还存在温度系数为负的问题，所以在使用过程中还需要考虑温度补偿的问题。
　　
　　单片机是个电路的核心，通过D/A转换电路来控制功率恒流源的工作电流，模数转换部分检测功率恒流源上的电压和电流值，作为控制器进一步调节的依据。如图1-1所示，单片机DAC的输出经运放，采用三极管作为功率放大器件。
　　方案二：如图1-2所示，也采用了单片机作为核心控制器，设计了AD电压电流检测电路、键盘电路、液晶显示电路和驱动电路，采用 MOS管电路为电子负载主电路。单片机输出一定占空比的PWM控制信号，控制功率电路MOS管的导通和关断时间，来获得实际所需的工作电流、电压。电路中的检测电路为电压、电流负反馈回路，通过A/D采集到单片机，与预置值进行比较，作为单片机进一步调节PWM占空比的依据。
　　　
图1-1电子负载设计
　　　
图1-2 方案二系统设计模块
　　　方案三：为便于控制的实现和功能的扩展，如图1-3所示为新型电子负载设计系统模块框图。采用了STC12C52单片机作为核心控制器，设计了DA输出控制电路、AD电压电流检测电路、键盘电路、液晶显示电路和驱动电路，通过软、硬件的协调配合，实现了整个设计。通过运放、PI调节器及负反馈控制环路，是整个电路的核心实质，来控制MOSFET的栅极电压，从而达到其内阻变化。MOS管在这里既作为电流的控制器件同时也作为被测电源的负载，通过PI调节器控制MOS管的导通量，从而达到流过该电子负载的电流恒定，实现恒流工作模式。
　　　
　　　图1-3 方案三系统模块框图（画成框图）
描述
　　经过比较，方案一设计采用三极管构成恒流模式，由于要求可调，且稳定性好，功率较大，三极管并不具备我们想要的精度。方案二通过单片机输出一定占具备空比的PWM控制信号，控制MOS管的导通和关断时间，来获得实际所需的工作电流、电压。这对于占空比的细调节不易控制，误差较大。方案三采用通过软、硬件的协调配合，实现了整个设计。通过运放、PI调节器及负反馈控制环路，能够较精确的控制MOS管的导通量，实现无静差的调节。故整个设计采用方案三。
理论分析与计算
电子负载及恒流电路分析

该系统采用Mosfet，高精度运算放大器、采样电阻组成。根据MOSFET的恒流特性，再加上电流的反馈电路，使得该电路精度很高。DA转换器输出控制电压加在运放的正输入端，控制负载中流过的电流。采样电阻选用康铜丝，以减少因温度变化而引起的采样电阻值的变化。AD、DA的参考电压2.5V。电路中流过的电流要求最大1A，本电路设计中可达4A。当DA转换采用数字输入加1时，模拟量增加 。令其电流增加XXX，取样电阻为。
电压、电流测量及精度分析

直流稳压电源的组成原理
电源负载调整率的测试原理

电路与程序设计
电路设计
1）核心处理器的设计
　　　核心处理器负责控制与协调其他各个模块工作，并进行简单的数字信号处理。在整个电子负载系统中，主控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统效率的高低以及系统运行的稳定性。设计过程中用单片机作为主控制器。
　　　单片机采用STC12C52兼容传统的8051单片机，速度快8~12倍。内部集成专用复位电路、2路PWM，高速AD并且可以和Keil直连。

图2-1 STC12C52单片机与液晶显示模块连接电路

表3-1 单片机I/O口分配修改
I/O口        应用        I/O口        应用
P0.0--P0.7        4×4矩阵键盘输入        P2.2—P2.7        A/D采样输入
P1.0—P1.3        D/A转换输出        XTAL1--XTAL2        时钟输入
P1.0—P1.4        液晶显示模块        RESET        单片机复位信号
　　单片机总控制电路如图2-1所示：单片机在系统中主要实现以下功能:设定值通过D/A转换输出基准电压；实际工作电压、电流A/D采样；LCD显示；键盘输入等。表3-1为电子负载系统中I/O口分配连接情况。
2）  显示模块的设计
　　本次设计中要测量实际的电压电流值，采用的是XXXX液晶显示模块可以显示出电压电流等汉字，一面了然、外观比较好看。而且液晶显示功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害，与单片机连接较简单。
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图3-2 单片机与LCD通信电路图
　如图3-1所示为STC89C52单片机与液晶显示模块连接电路。如图2-2所示为单片机与LCD通信过程。
　　液晶的主要工作原理
　（1）SPI接口时序写数据/命令
　　Nokia5110(PCD8544)的通信协议是一个没有MISO只有MOSI的SPI协议：
　　　　　　　　　　图2-3 串行总线协议―――传送1个字节
　（2）Nokia5110的初始化
　　接通电源后，内部寄存器和RAM的内容是不确定的，这需要一个RES低电平脉冲复位一下。
　　
　　　　　　　　　　　　　　图2-4 Nokia 5110复位时
　（3）显示英文字符
　　　英文字符占用6*8个点阵，通过建立一个ASCII的数组font6x8[][6]来寻址。
　（4）显示汉字
　　显示汉字可以采用两种点阵方式，一种是12*12点阵，一种是16*16点阵。
3）  键盘模块
　　矩阵式键盘则适合于输入命令或者数据较多、功能复杂的系统。采用矩阵式键盘结构可以最大限度地使用单片机的引脚资源，矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合, 由行线和列线组成, 按键位于行列的交叉点上，节省I/O 口，因此其应用十分广泛。
　　在系统设计中需要通过键盘中输入设定值，通过D/A转化输出实际值。所以需要有0-9的数字键、小数点等等按键。
　　
　　　　　　　　　　　　　　图3-5  4×4矩阵键盘电路图
　　如图3-5所示：本系统通过矩阵电路进行按键输入，采用的是4x4矩阵键盘，
电子负载系统中按键需要实现的功能有:
　(l) 0-9数字键：本设计中采用专用的数字输入按键，每次按下数字键一次，送往单片机，按位输入的数据提取出来，转换为十进制数据。
　(2) 小数点键：本设计中精度要求较高，输入的设定值会有需要带小数点。在第一位按键扫描后，每次按下小数点键，在按下确认键后与数字键一样通过液晶显示显示出来。
　(3)自动调节启动停止按键:该按键把电子负载功能划分为设置和调节两部分，没有按下该按键时，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。
　(4)预置数据确定按键:按下该按键后，将取消其他键的功能，并把按输入的数据送往提取出来，送往单片机，之后转换为十进制数据，通过液晶显示显示出来。
　(5)复位清零键:当输入有误时，按下该键可以清除显示屏。
　　按键采用逐行扫描法进行识别，单片机逐行扫描各键，先让每行输出低电平，检测各列是否有低电平产生，如果检测到列有低电平输出，说明有键按下，接着让每行分别依次输出低电平，其余行行输出高电平，在检测每一列的低电平情况，两次低电平的交叉处便是键按下的地方。
4）  D/A转换模块的选择
　　TLC5615 D/A采用的是串行数模转换器。TLC5615是一个串行1O位DAC芯片，性能比早期电流型输出的要好。只需要通过3根串行总线就可以完成1O位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器(单片机)接口，适用于电池供电的测试仪表，是具有串行接口的数模转换器。
　　　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。所以采用1O位DAC芯片，分辨率较高。同时模拟数字转换器TLC5615采用接口简单的，使得硬件电路大为简化，线路板面积缩小，成本降低，故选择TLC5615。
　　如图3-6所示为D/A转换输出电路原理图。D/A变换输出采用TLC5615与单片机连接设定值通过键盘输入送往单片机，再通过DA输出电路产生基准电压送往PI控制器与实际电压相比较。
　　

　　图3-6 D/A转换输出电路原理图
　　
　　在电路设计中VREF = 2Vrefin×N／1024；其中，Verfin为 TLC5615的参考电压，取2.5V,N为输入设定值的二进制数。VREF为到PI调节器与实际值相比较的基准电压。其基准源采用AD680，AD680是一款带隙基准电压源，可以利用4.5 V至36 V的输入提供2.5 V输出。它采用的架构使之能以极低的静态电流工作，同时实现出 {MOD}的直流特性和噪声性能。通过对高度稳定的薄膜电阻调整，可获得出 {MOD}的初始精度和温度系数，从而在整个温度范围内实现低误差。该器件具有精密直流特性，非常适合用作要求外部精密基准电压源的数模转换器(DAC)的基准电压源。同时也非常适合模数转换器(ADC)使用，而且其性能通常优于标准片内基准电压源。连接图3-6，其变换关系见（3-1）为D/A变换输出通过一个反相器送到PI调节器的基准电压与输入给定电压的关系。
　VREF = 5N／1024                    （3-1）
（N为输入设定值的二进制数）
　　如图3-7 TLC5615的时序图可以看出，当片选CS为低电平时，输入数据DIN由时钟SCLK同步输入或输出，而且最高有效位在前，低有效位在后。输入时SCLK的上升沿把串行输入数据DIN移入内部的16位移位寄存器，SCLK的下降沿输出串行数据DOUT，片选CS的上升沿把数据传送至DAC寄存器。
  
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　                  图3-7 TLC5615时序图
2.5  采样电路模块
　　采用12位A/D转换器TLC2543系列具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口。
　　TLC2543与外围电路的连线简单，三个控制输入端为CS(片选)、输入/输出时钟(I/O CLOCK)以及串行数据输入端(DATA INPUT)。片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试电压中的一个，采样－保持是自动的，转换结束，EOC输出变高。
　　TLC2543的主要特性如下：　　●11个模拟输入通道；　　●66ksps的采样速率；　　●最大转换时间为10μs；　　●SPI串行接口；　　●线性度误差最大为±1LSB；　　●低供电电流(1mA典型值)；　　●掉电模式电流为4μA。