直流电子负载的设计

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【摘要】系统主要以STC89C52单片机为控制核心：设计恒流、恒压和恒阻方式由手动切换的电子负载，实现电源的可靠检测和带载能力。包括控制电路、主电路、采样电路、显示电路等;能够检测被检测电源的电流值、电压值、电阻值，并且实现过载保护，在液晶上显示各个参数的功能。

【关键词】单片机;恒流;恒阻;采样

1.系统总体设计方案

直流电子负载，有恒流、恒压和恒阻三种模式，可手动切换。设计中切换部分采用程控键盘切换，而三种模式都是采用运算放大器结合反馈网络组成的电路实现，根据设计要求，此电路中的反馈网络以场效应管为核心。控制部分采用单片机来完成，显示采用液晶模块。恒压模式、恒阻模式与恒流模式硬件实现方法基本相同，软件实现方法类似。

系统包括主控器、键盘、显示电路和信号处理模块四个部分，信号处理模块包括信号检测和AD/DA转换电路。

2.模块设计方案比较

2.1 恒压电路

简易的恒压电路，用一个稳压二极管实现，电压只能稳定在一个定值，若所接稳压管为10V，则电路的输入电压被限制在10V不可调，受这一局限，我们采用了由运算放大器OP07和MOS管组成的恒压电子负载电路，实现电路可调直流。

图1 恒压电路

图中MOS管上的电压经R4与R5分压后送入运放IN+与给定值进行比较，使MOS管上得到一个电压;并且为防止电流过大烧坏元件多接了一个R2。

2.2 恒流电路

在串联电路中，各点电流相同，电路要恒流工作，只要在串联回路里控制流过一个元件的电流就可以达到我们所控制的恒流输出，比如在电路中接一个限流电阻。但是这种电路只能在一些功率较小及要求不高的场合里应用，且这种电路调节输出电流也不方便。我们用DAC芯片由MCU控制输入实现数控恒流电子负载，DA输入一个电压值，经过OP07反馈给采样电阻，实现恒流，该电路更容易获得稳定及精确的电流值。

图2 恒流电路

R1为取样电阻，V1是给定信号，电路工作原理是：当给定一个信号时V1，如果R1上的电压小于V1，也就是OP07的-IN小于+IN，OP07加输出大，使MOS加大导通使R1的电流加大。如果R1上的电压大于V1时，-IN大于+IN，OP07减小输出，也就降了R1上的电流，这样电路最终维持在恒定的给定值上，也就实现了恒流工作。如给定V1为10mV，R1为0.01欧时电路恒流为1A。

2.3 恒阻电路

我们可以在恒流电路的基础上通过 MCU 检测到的输入电压来计算电流，达到恒阻功能的目的，但是这种方法响应较慢，只适用于输入变化较慢，且要求不高的场效应管，所以我们设计专用电路。如图3所示，由硬件实现专业的恒阻电子负载。

图3 恒阻电路

3.总体电路设计

单片机是数控电流源控制核心的部分，它既协调整机的工作，又是数据处理的中心，我们用的STC89C52，以五个键盘，12864 LCD为显示接口，通过AD、DA等元器件模拟信号的采集、处理、输出，从而对电流、电压控制的校正，达到所要的精度。整体电路如图4所示。

图4 系统电路

4.系统功能测试

通过外接可调电源分别调节恒流源和恒压源两种模式，并观察两种模式下液晶显示的电压电流情况，并对显示的电压电流进行比较。实验结果表明：

（1）只要设定端给定了一个稳定电压值，无论输入电压如何变化，负载端电压总是恒等于给定的稳压值，流入电子负载的电流随被测直流电源的电压（输入电压）变化而变化。

（2）只要设定端给定了一个恒定电流值，无论输入电压如何变化，负载端电流总是恒等于给定的恒流值，流入电子负载的电压随被测直流电源的电压（输入电压）变化而变化。

参考文献

[1]曾庆波，何一楠，辛春红，等.单片机应用技术[M].哈尔滨工业大学出版社，2010.

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[3]于歆杰，朱桂萍，陆文娟.电路原理[M].清华大学出版社，2007.

[4]陈永真，闫晓金，李光琳，等.2011版全国大学生电子设计竞赛试题精选[M].电子工业出版社，2011.