夏桂書

(中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川廣漢 618307)

0 引言

電源測試在電源的設(shè)計和檢驗當(dāng)中起著重要的作用，在電工電子實驗的教學(xué)中，常常需要對學(xué)生設(shè)計制作的各類電源進行測試。傳統(tǒng)的測試方法是外接功率電阻，通過改變電阻的阻值來改變負載電流，完成對電源帶負載能力的測試［1］。但是這種測試方法具有很大的局限性，不能方便地和連續(xù)地改變負載電流，在對負載電流測試的時候需要外接電流表，使測試過程變得復(fù)雜化［2］?，F(xiàn)在比較先進的電源測試方法是通過專業(yè)電子負載進行。但目前市面上的電子負載大多價格昂貴，體積龐大。限制了大范圍的推廣和使用。

本文針對傳統(tǒng)測試方法和成品電子負載的不足，設(shè)計了一種簡單、實用、經(jīng)濟性比較高的簡易直流恒流電子負載。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)以STC12C5616AD單片機為核心，通過按鍵設(shè)置放電電流和工作模式;通過A/D轉(zhuǎn)換電路檢測實際工作電流，和當(dāng)前被測電源電壓;單片機控制D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓到恒流模塊，從而控制輸出電流，完成對輸出電流的設(shè)置和調(diào)節(jié);系統(tǒng)可通過液晶實時顯示當(dāng)前電流、電壓和工作狀態(tài)，實現(xiàn)簡單化的電源測試［3-6］。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件組成

2.1 系統(tǒng)控制和顯示電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用STC12C5616AD單片機作為系統(tǒng)控制部分，該單片機是51內(nèi)核的新一代單片機。作為傳統(tǒng)51單片機的增強型，STC12C5616AD單片機能夠工作在單時鐘周期，極大地增加系統(tǒng)的運行速度。同時該單片機內(nèi)部已經(jīng)有復(fù)位電路，在低速設(shè)計中可免去外部復(fù)位電路，簡化系統(tǒng)設(shè)計。片上集成有16KB ROM和768B的RAM，充足的程序空間保證了實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和運算的要求。并且STC作為國產(chǎn)單片機，其價格優(yōu)勢，在對經(jīng)濟性要求較高的系統(tǒng)中有較強的優(yōu)勢。

液晶顯示電路選用由PCD8544芯片驅(qū)動的LCD5110液晶。PCD8544是一種低功耗的CMOS液晶控制驅(qū)動器，設(shè)計為驅(qū)動48行84列的圖像顯示。由于其較高的集成度，所有的功能都集成在一塊芯片上，因此外部電路簡單，只需要很少的外部器件。同時LCD5110采用串行接口電路與單片機相連，簡化了電路設(shè)計，減少單片機I/O口的消耗。單片機和液晶顯示電路如圖2所示。

圖2 單片機和液晶顯示電路

2.2 功率控制電路

電子負載的功率控制部分采用運算放大器和MOSFET構(gòu)成電流負反饋電路，電路如圖3所示。

圖3 功率控制電路

電路設(shè)計為了對較小的被測電壓也能達到較大的電流值，所以電流采樣電阻R8采用了阻值為0.01 Ω的無感電阻。因此當(dāng)電流較小時，采用電壓較小，需要對小信號進行放大。由U2構(gòu)成的放大電路完成對R8上的采用電壓的放大。U2的放大倍數(shù)由電阻R4和R7決定，U2的輸出電壓與輸入有如下關(guān)系:

為實現(xiàn)數(shù)字化的控制負載電流大小，DAC端口的電壓由D/A轉(zhuǎn)換輸出的電壓設(shè)定。輸出電流的準(zhǔn)確性主要由R4、R7、R8的質(zhì)量確定。元件選取時，因選用具有較低溫飄的精密電阻。同時運放的穩(wěn)定性也對輸出有較大影響，特別是在小電流時，運放的失調(diào)電壓會對電流造成較大影響。

2.3 電壓和電流檢測電路

系統(tǒng)在設(shè)計時加入電壓和電流檢測電路，實現(xiàn)了電壓電流的實時檢測和顯示。通過ADS1115模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將檢測到的電壓電流模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳送給單片機，完成實時的顯示和其它控制。

電流檢測通過圖3中檢流電阻R8對負載電流進行檢測，將電流信號轉(zhuǎn)換成更加易于檢測的電壓信號，再經(jīng)運放U2對檢測到的小信號放大。由式(3)可知，U2的輸出電壓與負載電流呈線性關(guān)系，因此可通過A/D轉(zhuǎn)換電路，檢測圖3中U2輸出端口的電壓，經(jīng)單片機計算即可得到實際的電流值。

電壓的檢測通過電阻分壓實現(xiàn)。由于被測電源的電壓Uin+范圍為0～30 V，高于A/D轉(zhuǎn)換電路的測量范圍0～4.096 V，因此需要對電壓進行分壓。根據(jù)輸入電壓范圍和A/D轉(zhuǎn)換電路的測量電壓范圍有:

可求得分壓電阻R9與R10的比值為

由于測量范圍應(yīng)略大于輸出范圍，因此比值應(yīng)大于6.3 倍，為了方便計算，R9取160 kΩ，R10取20 kΩ。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路用作對電流和電壓檢測電路輸出的模擬信號的采集。本系統(tǒng)采用 TI公司生產(chǎn)的ADS1115芯片作為A/D轉(zhuǎn)換電路的核心芯片。該芯片為具有四個單端輸入的16位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。由于該芯片具有16位的分辨率，因此可對電壓電流信號進行精確采樣。同時ADS1115具有內(nèi)部PGA模塊，可根據(jù)輸入信號的大小選擇不同的內(nèi)部參考電壓，實現(xiàn)小信號的精確測量［8-12］。

在設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換電路時，為實現(xiàn)電流電壓檢測互不干擾，采用了四線測量方法。如圖4所示，電流檢測與電壓檢測通過不同的導(dǎo)線與被測電源連接。

圖4 四線測量示意圖

由于導(dǎo)線線電阻的存在，傳統(tǒng)兩線方法，測量電流時，A、B導(dǎo)線上的等效電阻RL會產(chǎn)生壓降，當(dāng)電流越大時，影響越明顯。當(dāng)引入兩條單獨的電壓測量線時，由于電壓測量線上的電流非常小，因此可以準(zhǔn)確測得被測電源的電壓。

2.5 D/A轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)設(shè)計要求負載電流步進精度不低于10 mA，設(shè)置要求較高，因此選用TI公司生產(chǎn)的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 TLV5616［13-14］。

D/A轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。TLV5616具有四線SPI接口，與單片機通訊簡單，具有較高的轉(zhuǎn)換速率，和較高的準(zhǔn)確度。TLV5616的供電電壓是2.7～5.5 V。并且有兩倍增益的輸出緩沖器，可以擴大輸出電壓范圍。

TLV5616需要外接參考電壓，本系統(tǒng)采用KA431作為TLV5616的參考電壓源。KA431是一種高精度的串聯(lián)電壓基準(zhǔn)。它的外部電路簡單，當(dāng)按圖5所示電路連接時，輸出電壓為其典型電壓值2.495V。由于其工作電流大于1 mA時才能達到穩(wěn)定工作狀態(tài)，因此電阻R的取值有如下關(guān)系:

得R＜2 505 Ω，所以R取1 kΩ能保證參考電壓的穩(wěn)定。

圖5 D/A轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，系統(tǒng)軟件包括各模塊的驅(qū)動程序，輸入檢測和輸出控制功能的實現(xiàn)［15］。

3.1 系統(tǒng)主程序

主程序流程圖如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)工作后，程序首先完成液晶、D/A轉(zhuǎn)換芯片和A/D轉(zhuǎn)換芯片的初始化，設(shè)定芯片的工作狀態(tài)和初始輸出值;然后等待用戶的按鍵輸入，系統(tǒng)根據(jù)輸入設(shè)定的工作模式的不同，進入相應(yīng)的工作模式設(shè)定中;在不同的工作模式下，設(shè)置工作電流，電壓;當(dāng)設(shè)置完成后，按下輸入鍵后，系統(tǒng)開始按設(shè)定工作模式工作，D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)需要輸出電壓控制恒流電路的電流值大小;A/D轉(zhuǎn)換電路將電路工作狀態(tài)實時傳輸給單片機，單片機根據(jù)這些信息控制液晶的顯示和其他操作。

圖6 主程序流程圖

3.2 系統(tǒng)的工作模式

通過程序設(shè)計，可實現(xiàn)電子負載的多種工作模式，根據(jù)需要選擇相應(yīng)的工作模式。

在模式1下，直接設(shè)定放電電流和放電截止電壓。設(shè)置完成后，按下開始工作按鈕，系統(tǒng)按設(shè)定電流開始放電，放電電流恒定。當(dāng)系統(tǒng)檢測到電壓低于截止電壓時，放電完成，負載電流變?yōu)?，等待用戶操作。在這種模式下，可以對電源進行長時間的帶負載能力測試，并且能夠監(jiān)視被測電源電壓，當(dāng)被測電源電壓低于設(shè)定時，能夠保護被測電源。

同時這個工作模式也可作為蓄電池的放電器，它能夠保證蓄電池完成一次完整的放電過程，且不會造成蓄電池過放損壞蓄電池。

在模式2工作情況下，比模式1增加了放電時間設(shè)定。通過設(shè)置放電時間，定時停止測試，方便不同用戶的需求。

模式3是為測量電源的最大負載電流設(shè)定的。通過設(shè)定最大負載電流和放電截止電壓。系統(tǒng)可從最小的負載電流開始，以10 mA為步進，每0.5 s增加一次負載電流，直到到達設(shè)定的最大負載電流，或是被測電源電壓小于設(shè)置的截止電壓時，終止放電。這種工作模式可以測得電源的最大負載能力和負載調(diào)節(jié)能力。對于電源性能測試十分重要。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試采用實驗電源作為被測電源，將直流穩(wěn)壓電源接到電子負載的被測端，首先測試系統(tǒng)工作電流的準(zhǔn)確性。調(diào)節(jié)負載設(shè)定不同工作電流，與實測電流和顯示電流進行比較。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電流準(zhǔn)確性測試

由表1可見，系統(tǒng)負載電流的準(zhǔn)確性較高，并且在電流較大時，相對誤差會更小。

完成電流準(zhǔn)確性測試后，接下來測試負載電流隨負載電壓變化的穩(wěn)定性。首先設(shè)定負載電流，將輸入電壓調(diào)節(jié)到不同電壓值，觀察電流變化，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可看出，當(dāng)電流設(shè)定之后，輸入電壓的改變對負載電流影響十分微弱，可以完全忽略其影響，因此該電子負載的恒流效果良好。

表2 恒流效果測試

5 結(jié)語

本電子負載達到了預(yù)定設(shè)計要求，測試精度高，穩(wěn)定性好，同時具有使用簡單，經(jīng)濟性好的特點。滿足各類基礎(chǔ)電類實驗室的使用需求，具有很強的應(yīng)用推廣價值和良好的市場前景。

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