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穩(wěn)定快速精確,在大電流電壓中測(cè)量的簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載
發(fā)布時(shí)間:2016-09-06 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】現(xiàn)實(shí)生活中負(fù)載的形式較為復(fù)雜,多為一些動(dòng)態(tài)負(fù)載,如:負(fù)載消耗的功率是時(shí)間的函數(shù);或者負(fù)載工作在恒定電流、恒定電阻;負(fù)載為瞬時(shí)短路負(fù)載;以及在儀表測(cè)試時(shí),如果想對(duì)其輸出特性進(jìn)行可靠、全面且比較簡(jiǎn)單、快捷的測(cè)試等。傳統(tǒng)負(fù)載不能模擬這些復(fù)雜的負(fù)載形式,關(guān)鍵在于不能完成自動(dòng)測(cè)試,因此,要實(shí)現(xiàn)這些功能離不開電子負(fù)載。
目前的電子直流負(fù)載由于電路設(shè)計(jì)和電器元件選擇的不完善,導(dǎo)致其不能在較大電流和較高電壓下穩(wěn)定、快速、精確的完成測(cè)量任務(wù)。本系統(tǒng)采用32位的ARM9TDMI為主控芯片,同時(shí)借助外部16位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADSlll5的輔助電路,能夠保存更多的采樣數(shù)據(jù),從而減小了采樣信號(hào)的失真度,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定快速的實(shí)時(shí)測(cè)量。對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì),采用OP07與IRF640構(gòu)成的線性恒流源,并采用CSM025A、VSM025A來(lái)轉(zhuǎn)換電子負(fù)載側(cè)的較高電壓和較大電流,減小了在較高電壓和較大電流下對(duì)電子負(fù)載的影響。
1、系統(tǒng)方案選擇
借助16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115將電壓電流回送至單片機(jī)。通過(guò)DA控制恒流源的電流,借助PID不斷修正電流至設(shè)定值,以保證電流的恒定且可調(diào),達(dá)到步進(jìn)10mA的要求,并有過(guò)壓保護(hù)功能。在12864液晶上顯示實(shí)時(shí)電壓電流值和設(shè)定電流值及負(fù)載調(diào)整率,電子負(fù)載具有優(yōu)良的精度、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng),并結(jié)合精確的軟件控制,實(shí)現(xiàn)了電源測(cè)量的快速和準(zhǔn)確。原理簡(jiǎn)單,可行性高,成本低。
2、理論分析與計(jì)算
2.1 電子負(fù)載及恒流電路的分析
通過(guò)16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADSlll5輸出電壓給恒流源電壓轉(zhuǎn)換恒定電流電路,由于運(yùn)算放大器OP07是精度高、低漂移運(yùn)算放大器,并且在10歐負(fù)載的情況下輸出電流能達(dá)到2 A。所以采用OP07和IRF640組成的一個(gè)Uin。電流串聯(lián)負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓到電流的轉(zhuǎn)換,具體電路如圖2所示。
原理圖中OP07與IRF640構(gòu)成負(fù)反饋,由運(yùn)放的“虛短、虛斷”理論,因此MOS管IRF640的S極電位與TLV 5616輸入的電壓值相等。負(fù)載電流為:
IL正比于TLV5616的輸出電壓,與負(fù)載電阻Rw無(wú)關(guān)。當(dāng)MOS管IRF640導(dǎo)通后,流過(guò)負(fù)載電阻Rw的電流Iw=IL。若要求電流能從100mA~1000mA變化,考慮留有一定余量,最大電流為1.5A,當(dāng)設(shè)定DA輸出最大電壓為1.5 V時(shí):
2.2電壓、電流的測(cè)量及精度分析
(1)A/D轉(zhuǎn)換器精度分析
為了能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)1 mV的高精度要求,采用16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115,能夠以高達(dá)每秒860個(gè)的速度采樣數(shù)據(jù),精度為1/2^n=1/2^16。
(2)D/A轉(zhuǎn)換器精度分析
為了能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)1mA的精度要求,采用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLV5616,精度可達(dá)到1/2^n=1/2^12。
2.3 電源負(fù)載調(diào)整率的測(cè)試原理
直流穩(wěn)壓電源負(fù)載調(diào)整率是指電源輸出電流從零至額定值變化時(shí)引起的輸出電壓變化率。負(fù)載調(diào)整率可以通過(guò)如下方式計(jì)算:當(dāng)電子負(fù)載電流為0時(shí),被測(cè)電壓輸入記為U1。在達(dá)到額定電流I2(1A)時(shí),被測(cè)電壓為U2,則電源負(fù)載調(diào)整率為:
3、電路與程序設(shè)計(jì)
3.1恒流源方案設(shè)計(jì)
該恒流源輸出的電流與負(fù)載無(wú)關(guān),通過(guò)使用兩塊運(yùn)算放大器構(gòu)成比較放大環(huán)節(jié),功率管構(gòu)成調(diào)整環(huán)節(jié),利用晶體管平坦的輸出特性和深度的負(fù)反饋電路可以得到穩(wěn)定的恒流輸出和高輸出阻抗,實(shí)現(xiàn)了電壓一電流轉(zhuǎn)換。該線性恒流源穩(wěn)流效果較好。由于回路中會(huì)有大電流通過(guò),因此功率問(wèn)題也要考慮。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,本設(shè)計(jì)選用了耗散功率較大的場(chǎng)效應(yīng)管IRF640,能承受大電流的康銅絲,保證了器件的安全。
3.2電壓電流檢測(cè)方案
系統(tǒng)所要檢測(cè)的信號(hào)采用霍爾傳感器法檢測(cè),如被測(cè)電源設(shè)備向該簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載輸入的電壓,以及流進(jìn)負(fù)載的電流。電壓和電流檢測(cè)分別通過(guò)電壓霍爾、電流霍爾傳感器檢測(cè),并經(jīng)過(guò)必要的輸出轉(zhuǎn)換電路后轉(zhuǎn)換為檢測(cè)信號(hào)。為了提高系統(tǒng)的抗干擾性,檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器濾除噪聲,再送入單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換器中。其中電流霍爾的原理圖如3所示。
電壓采樣使用電壓霍爾傳感器VSM025A,其精度為0.7%。電流采樣使用電流霍爾傳感器CSM025A,其精度為0.5%。選定采樣電阻使電壓霍爾傳感器的輸入電壓在5~12 V變化時(shí),使送給ADC的電壓在1~2.4 V之間變化。選定采樣電阻使電流霍爾傳感器的輸入電流從0.3~3.5 A變化時(shí),送給ADC的電壓在0.2~2.4 V之間變化。
3.3 DC-DC轉(zhuǎn)換電路
輔助電源可用線性電源及開關(guān)電源芯片,考慮到效率、穩(wěn)定性、帶負(fù)載能力,選用穩(wěn)壓芯片如LM2596、TLV2543,MC34063分別將+15 V輸入電壓穩(wěn)到+12 V,+5 V,一12 V,+3.3 V以方便ARM9TDMI、CSM025A、VSM025A、ADSlll5、TLV 5616等芯片供電使用,原理圖如圖4所示。
3.4過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)
如圖5所示,通過(guò)三極管$8050和繼電器,蜂鳴器構(gòu)成簡(jiǎn)單的過(guò)壓保護(hù)電路。當(dāng)檢測(cè)到輸入電壓大于18 V時(shí),開關(guān)器件三極管導(dǎo)通,輸人斷開,同時(shí)聲光報(bào)警。為保證可靠斷開還采用了軟件保護(hù)法,使得當(dāng)輸入電壓大于18 V時(shí),單片機(jī)迫使UDAin。輸出為0。
3.5程序設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)中特別為電路的過(guò)壓保護(hù)編寫了相應(yīng)的程序,當(dāng)負(fù)載電壓過(guò)大時(shí)會(huì)通過(guò)蜂鳴器和發(fā)光二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警,同時(shí)也會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)繼電器,實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)功能。具體的流程圖如圖6所示。
4、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果
測(cè)試所需儀器:高精度電壓表,型號(hào)DP59(1)一PDV20;高精度電流表,型號(hào)DP59(1)-PAA5;可變電阻Rw以及被測(cè)電源。當(dāng)該設(shè)備正常工作時(shí),用高精度電壓表,電流分別測(cè)試該電子負(fù)載的電壓、電流。用電壓表直接并在被測(cè)電源兩端,記下相應(yīng)示數(shù)。將電流表串在被測(cè)電源和Rw之間,并記錄相應(yīng)電流值。將電壓電流值和顯示器顯示值進(jìn)行對(duì)比。改變Rw電阻值,計(jì)算相對(duì)應(yīng)的負(fù)載調(diào)整率。
4.2測(cè)試結(jié)果
測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。
5、結(jié)論
根據(jù)表1和表2的測(cè)試結(jié)果可知:負(fù)載的變化對(duì)電流的影響很小,說(shuō)明設(shè)計(jì)中恒流實(shí)現(xiàn)的很好。負(fù)載調(diào)整率SR不斷變化,但都達(dá)到≤4%的目標(biāo)。紋波電流為14mA,基本上達(dá)到輸出噪聲紋波電流≤15mA的目標(biāo)。而整機(jī)效率為86.7%,達(dá)到了整機(jī)效率≥80%的目標(biāo)。由此說(shuō)明該電子負(fù)載的設(shè)計(jì)方案是可行的,具有優(yōu)良的精度、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng),結(jié)合精確的軟件控制,快速和準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了電源測(cè)量。
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