C题：简易直流电子负载

1TI杯大学生电子设计竞赛题目：简易电子直流负载年级：学校：组长：组员：组员：2012年8月7日2简易直流电子负载摘要：本系统以MSP430单片机系统为平台，设计和制作一台恒流工作模式的简易直流电子负载。采用了具有高共模抑制比电流分流监控器INA282实现对采样电阻两端电压的提取，同时由单片机输出指令电压，通过反馈回路输出电压控制三功率极管的电流，使电路自动调节，进而实现要求的高精度恒流负载制作；采用高精度A/D采样，同时加入过压检测保护，以及休眠模式，最终达到题目的指标要求。关键词：MSP430电流分流监控器高精度恒流源3一、方案论证与比较根据系统设计要求分析，本系统主要包括电流监控模块，恒流控制反馈环模块，AD采样及显示模块，方案论证主要围绕恒流源电路模块展开。1.1恒流源方案一：通过单片机产生PWM控制3525产生不同幅度的电压进而控制MOS管导通与关断，从而产生恒流源。方案二：通过单片机控制三极管的基极电压大小，进而控制其IC，从而实现恒流源的制作。方案一中，3525可能存在输出偏差，且MOS管线性区比较窄，使MOS管无法在题目要求的范围内产生稳定的恒流源，对于三极管来说，其线性区比较宽，可以用单片机控制外加反馈回路，从而产生恒流源，因此选择方案二。1.2电流监视模块方案一：采用微功耗仪表放大器INA122,对采样电阻两端电压进行提取，该放大器可通过调节外接电阻控制输出电压增益，增益可由5调节至10k。方案二：使用高精度电流分流监控器INA282，当两个参考端都接地时，可实现稳定50倍电压增益。方案一中仪表放大器存在共模输入电压必须远小于电源电压的问题，致使输入电压不能过大，不能够满足本题要求，相比于方案一，方案二可输入电源轨电压，且精度更高，因此选用方案二。1.3反馈环路方案一：将采样电压及基准电压同时输入运放LM358，通过PI环反馈回路调节输出电压，从而实现对电流的调节。方案二：通过比较器LM393对单片机输出的基准电压及采样电阻的两端电压图1方案一框图图2方案二框图4进行比较，通过输出电压控制三极管IC，从而实现电路的反馈调节。方案二中，LM393电路测试中，当输入电压过大时，输出波形变化幅度过大，易使功率三极管工作开关状态，不能使三极管达到题目要求的恒流源输出，故选择方案一中输出电压平稳的LM358，且LM358可线性工作。2系统框图控制器恒流电路电压电流检测键盘与显示被测电源设备−+功率器件直流电子负载二、理论分析与计算2.1恒流源电路被测电源负载回路中，通过电流检测器INA282采集电流并放大，通过反馈形式输入LM358反相端，由R5、R6、C构成比例积分电路（PI环），在LM358同相端输入基准电压，使反馈环路的中的监测对象IC输出线性变化,达到恒流负载的控制目的。电路中Q1选取TIP132，达林顿三极管，达林顿管就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管，使电路简单化，同时TIP123的ß值远大于100，满足设计要求，取样电阻R1选取高精度低值采样电阻，精确采集电流，R1，且阻值为50m，并防止INA282放大后超出A/D采集范围。图3系统整体框图图4恒流源电路52.2A/D、D/A模块根据题目要求，输出电流设置范围100～1000mA,设置分辨率为10mA。精度为1%，则最低的分辨率为100mA*1%=1mA。而12位的D/A分辨率为122-1=4095，则步进为1mA，满足要求的10mA步进，D/A芯片TLV5616（16位D/A芯片）能满足要求，其中TLV5616芯片采用REF5020基准电压芯片，作为基准电压，可提供2.048V的稳定电压，使D/A输出相比片内A/D更精准。扩展部分要求电压测量精度为±（0.02%+0.02%FS），分辨率1mV，电流测量精度为±（0.1%+0.1%FS），分辨率1mA，因此选用TI提供16位A/D转换芯片ADS1115，其分辨率为-1=65534，即测量最小精度为0.125mV，可以满足本设计的需求。ADDR1RDY2GND3AIN04AIN15AIN26AIN37VDD8SDA9SCL10U3ADS1115P1P2P3P3P3R1210KR1310K12JP2HEADER212C114.7uFC120.1uF12JP13HEADER212JP14HEADER2DNCVinTEMPGNDTRIMVoutNCDNCREF1REF5020DINSCLKCSFSAGNDREFINOUTVDDD1TLV5616C14.7uFC2104C34.7uFVCCVCCGNDGNDC422uFGNDDINSCLKCSFSOUTGND2.3DC/DC升压模块根据题目要求，被测直流稳压电源输出为10V以内，当电压低于3V时，系统芯片不能正常工作，于是我们可能需要外接电源，所以选用输出电流较大的DC/DC升压芯片TPS61087，可提供7.5V以上电压，为系统外部供电。其电路如下：图5A/D转换模块图6D/A转换模块62.4系统控制模块系统控制模块中，MCU由TI公司的超低功耗单片机MPS430F169最小系统构成，包括A/D、D/A转换电路、显示屏，以及按键构成。控制系统软件流程图见图7三、系统测试3.1测试仪器直流稳压电源:YB1732A、数字万用表：REGOLDM3051。3.2测试方法与测试结果+直流稳压电源-电流表直流电子负载电压表图8软件系统构架图9测试方案框图7由于AD芯片在输出4V之内是比较稳定的，当输入电流为1A时，采样电阻两端电压经过INA282的50倍放大，且题上要求分辨率为1mA，经过推算，取采样电阻80m左右，我们取50m，以便当输入电流为100mA时可得到1mA电压，提高测量精度。3.2.1步进电流的测试表一步进电流测试表序号起始电流/mA步进次数测量电流/mA误差/%1100.21110.60.4%2110.61120.10.5%3120.11130.70.5%4130.71140.00.5%5140.01150.80.6%6150.81160.00.5%7160.01170.90.6%注：误差=测量电压/(起始电压+步进次数*10)3.2.2负载电压的测试表二负载电压测试表序号标准电压/V测量电压/V误差/%17.5127.5130.013%28.0128.0130.012%38.5078.5060.012%49.0329.0310.011%59.5329.5310.010%610.01910.0180.010%注：误差=（测量电压-标准电压）/标准电压3.2.3负载电流的测试表三负载电流测试序号标准电流/mA测量电流/mA误差/%1100.1100.20.10%2250.2250.30.04%3500.6500.80.04%4750.3749.70.08%51000.1999.80.03%注：误差=（测量电流-标准电流）/标准电流83.2.4负载调整率测试当电流为0mA时，记录电压为Uo，当电流为1A时，记录电压为Un，则负载调整率取电阻为2时，电压调整率测试结果为：0.201四、总结与系统改进：设计作品，已基本完成题目要求指标，并做了发挥部分，测试结果较好，包括采样精度，显示，分辨率等指标。作品在测试时，可能由于布局不太合理，导致A/D采样时，呈非线性变化，但幅度在误差允许范围内变化。缩短测量回路的铺线长度，可能会减小误差。五、参考文献【1】童诗白，华成英.模拟电子技术基础,4版.北京：高等教育出版社,2006【2】阎石,数字电子技术基础,4版.北京：高等教育出版社，1998【3】海纳电子资讯网，DDS短波信号发生器【4】钟炎平，电力电子电路设计，华中科技大学出版社