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电子负载gfh
专业综合设计报告
院（系）自动化学院
专业自动化
设计（论文）题目程控电子负载的研制
学生姓名郭方洪学号08006236
指导教师符影杰
顾问教师
日期2010年3月12日
目录
一．背景介绍……………………………………………………………1
1.1负载的定义………………………………………………………1
1.2电子负载的定义…………………………………………………1
1.3直流电子负载的特点………………………………………………1
1.4直流电子负载的工作区域…………………………………………1
1.5直流电子负载的工作模式…………………………………………1
1.6电子负载的研究现状………………………………………………2
1.7本课题的研究内容………………………………………………4
二．电子负载系统硬件电路设计………………………………………5
2.1电子负载系统方案设计…………………………………………6
2.1.1主电路方案设计……………………………………………6
2.1.2驱动电路方案设计…………………………………………6
2.2采样电路方案设计…………………………………………6
三．电子负载系统分析…………………………………………………8
3.1电子负载系统软件方案设计………………………………………8
3.1.1键盘程序设计…………………………………………………9
3.1.2液晶程序设计………………………………………………10
3.1.3A/D采样程序设计…………………………………………11
3.1.4PWM程序设计…………………………………………………12
3.1.5制算法程序设计…………………………………………13
五．分析与总结…………………………………………………………16
一、背景介绍
1.1负载的定义
在电路中，负载是指用来吸收电源供应器输出的电能量的装置，它将电源供应器输出的电能量吸收并转化为其他形式的能量储存或消耗掉。
如电炉子将电能转化为热能；电灯将电能转化为光能；蓄电池将电能转化为化学能；电机将电能转化为动能。
这些都是负载的真实表现形式。
负载的种类繁多，但根据其在电路中表现的特性可分为阻性负载、容性负载、感性负载和混合性负载。
在实验室，我们通常采用电阻、电容、电感等或它们的串并联组合，作为负载模拟真实的负载情况进行电源设备的性能试验。
1.2电子负载的定义
电子负载是利用电子元件吸收电能并将其消耗的一种负载。
其中的电子元件一般为功率场效应管（powerMOS）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率半导体器件。
由于采用了功率半导体器件替代电阻等作为电能消耗的载体，使得负载的调节和控制易于实现，能达到很高的调节精度和稳定性。
同时通过灵活多样的调节和控制方法，不仅可以模拟实际的负载情况，还可以模拟一些特殊的负载波形曲线，测试电源设备的动态和瞬态特性。
这是电阻等负载形式所无法实现的。
电子负载就是用电子器件实现的“负载”功能的设备。
它通过改变内部功率器件的导通量控制其工作状态，从而调节功率器件消耗电能的状态，可以方便地实现可变负载的功能。
电子负载不仅可以模拟真实环境中的负载，还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、负载的阻性或容性、容性负载电流上升时间等。
电子负载已经成为设计研发、生产线及检测等方面的有力工具。
在国民生产的多个领域都要用到负载测试。
如通讯电源出厂试验、各种整流柜出厂试验、牵引动力试验、大功率充电电源试验、蓄电池放电试验、电机出厂试验、柴油机及汽油机出厂试验、汽车动力性能试验、电解电镀电源出厂试验等场合都需要负载测试。
当前，国内外对上述产品的试验一般都采用传统的静态负载（如电阻、电阻箱、滑线变阻器等）能耗放电的办法进行。
1.3直流电子负载的特点
相对大功率电阻负载，直流电子负载具有以下特点：
1.易于控制加载和去载，便于负载测试。
2.负载精度高。
3.负载稳定性好。
4.可实现特殊波形的动态负载和瞬态负载。
5.无机械触点负载调节，可靠性高。
6.良好的散热设计、寿命高。
7.一般具有较强的测量和分析控制功能。
1.4直流电子负载的工作区域
直流电子负载的工作区域为最大输入电压、最大输入电流、最大输入功率三条曲线所包围的区域。
不允许超出该工作区域使用，否则可能损坏电子负载。
1.5直流电子负载的工作模式
直流电子负载最基本的工作模式是定电流模式和定电阻模式。
一般的电子负载都具有这两种模式，主要应用于对电压源的测试和老化。
定电压模式主要应用于对电流源和电池充电器的测试。
定功率模式主要应用于电池容量的检测。
动态负载模式时，负载值并不是稳定不变的，而是随时间变化的。
用于对电源供应器及功率电子元器件的动态和瞬态特性测试。
由于动态负载需要实时地调整负载变化，一般较高档的电子负载才具有此功能。
1、定电流模式（CCmode）
在定电流工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的电流值保持恒定，与输入电压大小无关，即负载电流保持设定值不变。
2、定电阻模式（CRmode）
在定电阻工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定负载电阻和输入电压的大小而定，此时负载电流与输入电压成正比例，比值即是所设定的负载电阻，即负载电阻保持设定值不变。
3、定电压模式（CVmode）
在定电压工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的负载电压而定，此时负载电流将会增加直到负载电压等于设定值为止，即负载电压保持设定值不变。
4、定功率模式（CPmode）
在定功率工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的功率大小而定，此时负载电流与输入电压的乘积等于负载功率设定值，即负载功率保持设定值不变。
1.6电子负载研究的现状
电子负载的原理是控制内功率MOSFET或晶体管的导通量（占空比大小），靠功率管的耗散功率消耗电能的设备。
从电源类型来看，电子负载可分为直流电子负载和交流电子负载两种。
直流电子负载比起交流电子负载，应用的历史较长，范围更广。
最初在实验室，利用电力电子器件的特性，通过分析等值电路，用电力电子元件搭建电子电路来模拟负载，可以实现定电阻、定电压等特性。
随后又有工作人员将单片机技术应用到电子负载中，逐步可实现电流模式和课编程斜率模式。
单片机技术与变换器电路的密切结合还使得电子负载可以工作在其它多种模式下：
定功率模式、动态电阻模式、短路模式等。
随着功率场效应晶体管（ＭＯＳＦＥＴ），绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）和场效应晶闸管（ＭＣＴ，ＭＧＴ，ＭＥＴ）等主要开关器件的出现以及电力电子变换器拓扑的发展，由于变换器能更好的将一种电能变为另一种或多种形式的电能，交流电子负载也得到了实现。
交流电子负载是可以模拟传统真实阻抗负载的电力电子装置，它能模拟一个固定或变化的负载，甚至将试验的电能反馈回电网，其设计初衷是交流电源的出厂试验。
交流电源出厂试验通常采用电阻箱耗能的办法，它存在调节不便、自动化程度低、耗电量大等缺点，而采用交流电子负载进行试验可以有效地克服这些缺点，它可使试验更加简单、灵活，而且大大降低试验成本。
文献【1、2】所提的电子负载是专用于不间断电源（UPS）老化放电试验的，它们都能实现试验能量的回馈，但均存在一些缺点。
文献【1】提出的电子负载以UPS中的AC/DC变换器作为负载，因此只能对UPS进行试验，同时输出功率的大小也与AC/DC变换器的结构和工作方式有关，不具备通用性；文献【2】提出的电子负载可以使UPS输出电流谐波畸变率较小，但UPS输出电压必须与电网电压同频。
文献【3】研制的电子负载适用于各种交流电源试验，电源的频率可以不同于电网的频率。
它在输入侧具有与真实阻抗负载相同的特性，因而可取得更加“真实”的试验效果，同时还能将试验能量回馈到电网，从而大大降低试验成本。
下面我们简单了解一下耗能电子器件的分类。
从电子器件来分，可分为晶体管式电子模拟负载、场效应管式电子模拟负载和绝缘栅双极型晶体管式电子模拟负载。
晶体管式模拟负载：
晶体管式通过一定的工艺，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。
文献【4】中利用大功率晶体管作为一个电子负载，晶体管作为负载连接电池和光电装置，
是加在晶体管基极和集电极的电压，
是光电装置上的压降。
通过触发单元来调节
，从而达到调节
，使得
的变化接近短路和开路两种工作状态。
如式（1.1）
（1.1）
在文献【5】中，由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型的器件，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。
场效应管式电子模拟负载：
场效应晶体管（MOSFET）工作在不饱和时，漏极与源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅-源电压控制的可变电阻。
用MOSFET作可变电阻具有工作速度快、可靠性好和控制灵敏等优点，而且既无机械触点，也无运动部件，噪声低，寿命长。
但是MOSFET得通态电阻较大，且负载电流较小。
所以MOSFET适合模拟一些变化速度较快，但电流不大的实际负载。
文献【6】中，给出了传统的以MOSFET作为电阻负载的原理图，见图一。
由图可以看出，通过运放及反馈来控制MOSFET的栅极电压，从而达到其内阻变化的目的。
图一电子负载模拟图
绝缘栅双极型晶体管式模拟负载：
绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT，当IGBT工作在不饱和时，射极与集电极之间的伏安特性可以看作是一个受栅极电压控制的可变电阻。
与晶体管相比，它的响应速度快；与MOSFET相比，它的负载电流大。
通态阻值变化范围从0.01-2欧姆。
文献【7】中采用IGBT来模拟动态电弧，如图二所示。
将事先已测得的电弧阻值变化通过单片机编程，来控制IGBT栅极电压的变化，从而达到IGBT作为可变负载时的阻值变化。
这种电子模拟负载是用来完成对弧焊电源动态特性的测试。
图二电子模拟负载结构框图
1.7本课题的研究内容
本课题要求设计制作一台程控直流电子负载的原理性实验样机。
它以MOSFET和MCS-51单片机为核心器件，通过设计MCS-51单片机测控电路和应用程序，控制MOSFET的工作状态，模拟一个电阻值可变的单极性直流负载。
在可变电压源供电条件下，要求该程控直流电子负载能够模拟恒流（CC）负载特性，即当MOSFET输出端电压变化时，其输出电流保持一个预先设定的固定值。
在此基础上，通过进一步应用编程，使该电子负载能够模拟一个参数可变的RC串联负载的特性，即当即当MOSFET输出端电压加上阶跃电压后，其输出电流的时间变化符合一个预先设定R、C参数的串联负载的电流特性（即输出电流为C的充电电流变化过程）。
二、电子负载系统硬件电路设计
2．1．1电子负载系统方案设计
电子负载的功率电路主要包括场效应管（MOSFET）、功率耗散电阻和滤波电容。
场效应管是一种单极型晶体管，它只有一个P-N结，在零偏压的状态下，它是导通的，如果在其栅极（G）和源极（S）之间加上一个反向偏压（称栅极偏压），在反向电场作用下，P-N变厚（称耗尽区），沟道变窄，漏极电流变小。
当反向偏压达到一定时，耗尽区将完全沟道“夹断"，此时，场效应管进入截止状态。
绝缘栅型场效应管分为增强型和耗尽型两种，我们称在正常情况下导通的为耗尽型场效应管，在正常情况下断开的为增强型场效应管。
增强型场效应管特点：
当UDS=O且UGs>0时，栅极电流为零。
当UGs增大时，形成一个N型薄层，称为反型层，这个反型层就构成了漏—源之间的导电沟道。
使沟道刚刚形成的栅—源电压称为开启电压UGS。
场效应管属于为电压型控制元件，具有正的温度系数，开关频率高，易于并联使用。
但由于场效应管的通态电阻大，负载电流小，因此需要串入功率耗散电阻。
工作在不饱和区时，漏极与源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅源电压控制的可变电阻。
电子负载系统设计要求的电流工作范围是：
0-1A；电压工作范围是：
10-30V。
根据系统的设计参数，取一定裕量，并考虑实验过程中的不定因素，选择N沟道增强型MOS管IRF540，最大耐压100V，最大电流30A。
对于其通态电阻较大，且负载电流较小的缺陷，通过串入功率耗散电阻来解决。
其特性曲线如下：
图三MOSFET特性曲线图
它有三个工作区域：
可变电阻区、恒流区及夹断区，如图中所标注。
2.1.1主电路方案设计
主电路共用四个MOS管，两个并联为一路，两路并联。
电路如下图所示。
图四主电路原理图
其工作原理如下：
Vout为电压采样电路的输入端，由于电子负载电压输入范围比较宽，电压较高，在采样前用两个电阻进行了分压设计。
然后再检测其中的电压，大大降低了电压采样电路所需要的芯片要求。
为了实现电子负载的可调性，设计中用PWM波形的占空比来调节Q1~Q4管的导通和关断时间。
通过pwm占空比的控制来调节电流的大小，通过cout1和cout2端来检测电流的大小进而再控制占空比的大小来调节电流，知道得到预定的电流值为止。
2.1.2开关管驱动电路方案设计
为了阻止电源的噪声干扰影响驱动电路的输出，致使MOS管非正常开通或关断发生事故，所以在驱动电路输出与MOS管电路之间使用光耦TLP250芯片隔离，有效地解决了模拟信号与单片机应用系统电气隔离问题。
原理图如下：
图五开关管驱动电路原理图
其工作原理说明如下：
因为主电路电压均为大电压、大电流情况，而控制单元为弱电电路，所以它们之间必须采取光电隔离措施，以提高系统抗干扰措施，可采用带光电隔离的MOSFET驱动芯片TLP250。
光耦TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达1.5A。
选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路特别简单。
如图可见强电和弱电的分离是通过TLP250来实现的，其PWM控制信号经过TLP250光耦，放大、整形之后驱动功率MOSFET（IRF540）。
输入电枢绕组的直流电压经过PWM斩波调制之后，形成所需的控制直流电压。
正是通过TLP250来驱动功率器件的通断，将设计者的控制思想通过功率器件的通断来加以实现。
2.2采样电路方案设计
A/D是监测和测量环节的重要技术手段，为了让负载准确工作在不同方式下，设计中对被测电源的输出电压和MOS管的电流进行实时采样。
采样A/D选用的AD公司的16位精度的A/D芯片AD7705,。
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，反馈到单机片，实现自动调节。
电压采样电路中，由于电子负载的输入电压范围比较宽，电压较高，采样前首先进行了分压设计。
为了避免电源噪声、电磁干扰的影响，避免强电流功率电路对控制电路的损害，电压采样电路中选用了隔离放大器HCPL-7840对主电路和控制电路进行了隔离。
图所示为电压采样电路原理图。
图六：
电压采样电路原理图
图中，被试电源两端的电压U与隔离放大器输入电压即采样点电压Ui关系为
电流采样电路中，首先借助采样电阻将电流信号转换为电压信号，再对电路进行隔离，选择带短路和过载检测功能的隔离运放芯片HCPL-788J。
该芯片不仅具有隔离功能，而且具有内部比较器，能在电流发生突变后5向单片机发出中断信号，可以避免功率电路出现故障时由于保护不及时损毁MOSFET。
HCPL-788J的输入范围是：
-250mV~+250mV，对应的输出是0~4V.图七为电流采样电路原理图
图七电流采样电路原理图
图中，负载电流I与隔离放大器HCPL-488J的输入电压U1,U2关系为
三、电子负载系统分析
3.1电子负载系统软件方案设计
电子负载系统采用“MCS-51单片机+串口通讯+LCD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、检测、变换、显示等功能于一体的设计方法。
设计出最大功率为100W，电流0-10A，电压2-60V的直流电子负载，实现恒压、恒流、恒阻、恒功率等工作模式。
图六软件流程图
软件首先进行A/D、LCD、串口、PWM、数组、控制变量的初始化工作。
然后执行子任务1或子任务2.子任务1主要完成负载的设置；任务2主要是完成负载的闭环调节。
由于LCD显示、A/D采样、数据处理、键盘扫描都要占用较长的处理器时间，影响系统的调节速度，因此在软件实现时，把系统设置和自动调节分为两个独立的子任务分开来完成。
两个子任务的界定和完成靠启动/停止按键实现。
没有按下该键时，默认为功能设置，此时单片机只执行工作方式设定、预置数据输入、按键查询、预置数据LCD显示等功能；而当按下该键1次后，单片机将转为执行组在调节、A/D采样、实际数据LCD显示等功能。
在设置时，系统不进入调节；在调节时，系统不进入设置。
3．1．2按键程序设计
键盘处理程序采用查询方法来实现按键的识别。
每次主循环，都要调用按键查询程序。
图八键盘子程序流程图
（1）判断是否有键按下
由于按键被按下时，相应单片机输入线的电平被拉低。
因此，为判断是否有键按下，可先由单片机读入端口的值，若端口为低电平，则表明有键按下；否则表明无键按下。
（2）确定按下的是哪个键
对单片机的端口进行译码，就可以得到当前按键的键值。
（3）等待按键释放
确定完按键的编码以后，还需要判断按键的释放。
按键被释放以后就可以根据键盘扫描程序返回的按键编码调用相应的子程序进行处理。
（4）返回键值
键盘扫描程序将按键的键值返回到主程序，以便主程序执行相应的键盘处理程序。
（5）按键的消抖处理
由于按键式机械触点，因此用手按动一个键时，在按键的断开和闭合瞬间回出现电压抖动。
为了保证按键识别的正确，在电压抖动的时候不能进行状态的输入。
为此，程序中增设了消抖处理，使单片机获得按键被按下的信息后，并不立即确定按键被按下，而是延时1ms后再次检测相应的端口，如果按键仍为按下状态，则说明按键确实被按下；同样，在单片机检测到按键释放后，程序同样也延时1ms，进行后沿的消抖处理，然后再处理键值。
3.1.2液晶显示程序设计
LCD显示部分采用了128×64点阵的液晶模块，该液晶模块选用的是小型化的封装形式，尺寸有54mm×50mm。
内置KS0108B及其兼容控制驱动器（例如HD61202）作为列驱动器，同时使用KS0107B及其兼容驱动器（例如HD61203）作为行驱动器。
由于液晶模块有专用的控制器，设计时通过将I/O口引出与液晶模块直接连接的方式进行控制。
与单片机的接口如图3-14所示，数据线（D0-D7）接主控制器的GPIO（P0.3～P0.9），LDI为数据/指令信号，LRW为读/写信号，LE为使能信号。
LCD液晶模块的管脚定义如表3-2所示。
图九LCD接口电路
管脚号
管脚名称
方向
管脚功能描述
1
VSS
-
电源地
2
VCC
-
电源正
3
V0
I
对比度（亮度）调整，应用时接10K电位器可调端
4
RS（CS）
I
RS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据
RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据
5
R/W（SID）
I
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0
R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR
6
E（SCLK）
I
使能信号，高电平有效，下降沿锁定数据
7-14
DB0-DB7
I/O
数据输入输出引脚
15
LS1
I
片选择信号，高电平时选择左半屏
16
LS2
I
片选择信号，高电平时选择右半屏
17
/RESET
I
复位信号，低电平有效
18
VEE
O
LCD驱动，负电压输出
19
LEDA
-
背光源正端（+5V）
20
LEDK
-
背光源负端（0V）
表一LCD液晶模块管脚定义
3.1.3A/D采样程序设计
1.AD7705的简介
AD7705是ADI公司新推出的16位∑-△模数转换器，器件包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路、∑-△调制器、可编程数据滤波器等器件，能直接将测量到的多路信号进行A/D转换，该器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪音性能以及低电压低功耗等特点，非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。
它采用了三线串行接口，有两个差分输入通道，能达到0.003%非线性16位无误码输出，其增益和输出更新率都可以编程设定，还可选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式，工作电压3V或5V。
AD7705是完整的16位A/D转换器，外接晶体振荡器、精密基准源和少量的去耦电容，即可连续的进行A/D转换。
它是采用了成本较低但能获得极高分辨率的∑-△转换技术。
该器件的主要部分及特性是
（1）.增益可编程放大器
AD7705包括两个全差分模拟输入通道。
片内的增益可编程放大器PGA可选择1、2、48、16、32、64、128等八种增益。
能将不同摆幅范围的各类输入信号放大到接近A/D转换器的满标度电压再进行A/D转换，由于系统前端有调理电路，因此本系统采用的增益是1。
（2）.数字和模拟滤波
AD7705包括一个片内低通数字滤波器，用它处理器件的∑-△调制器的输出信号，所以AD7705不仅提供模数转换功能，而且具备一定的滤波功能。
数字滤波发生在模数转换之后，它能够消除模数转换工程中产生的噪音，同时依靠数字滤波器大设计，用户可以编程截止频率和输出更新频率。
（3）.校准和自校准
为了提高A/D转换质量，AD7705提供自校准和系统校准两种功能。
每当环境温度或工作电压发生变化时，必须要进行一次校准。
对于自校准方式，校准过程发生在器件内部一次采样完成之后。
AD7705内部设置AIN（+）端和AIN（-）端为相同的偏置电压，以校准零标度；满标度是在一内部产生的VREF电压和选定的增益条件下进行的。
系统校准是对整个系统增益误差和偏移误差，包括器件内部误差进行校准的。
在选定的增益下，先后在外部给AIN（+）端施加零标度电压和满标度电压，先校准零标度点，然后校准满标度点。
根据零标度和满标度的校准数据，片内的微控制器计算出转换器的输出率，对误差进行补偿。
（4）.数字接口
AD7705的串行数据接口包括5个接口信号，其中片选输入CS、串行时钟输入SCLK、数据输入DIN、转换输出DOUT用于传输数据，状态信号输出口DRDY用于指示什么时候数据寄存器的数据准备就绪，当DRDY为低电平时，转换数据可用，当为高电平时，输出寄存器正在更新数据，不能读出数据。
（5）.片内寄存器
AD7705包括8个寄存器，均可以通过器件的串行口访问。
对芯片的所有操作都必须先从写通信寄存器开始。
当上电或复位后，芯片的等待指令数据即被写入通信寄存器。
下面介绍几个常用寄存器。
●通信寄存器
通信寄存器是可以读、写的8位寄存器，其具体的格式如下：
格式中括号内的数字为上电复位的缺省值，左边为最高位，右边是最低位。
现说明如下：
/DRDY:
写操作时，必须把“0”写到此位，以保证对通信寄存器写操作的顺利完成。
若将“1”写到此位，则后续的各
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