恒流工作模式下的直流电子负载的设计与制作
恒流工作模式下的直流电子负载的设计与制作[20200131190154]
【摘要】
本文论述了直流电子负载的设计思路和过程。本电子负载采用模拟电路，可实现以下功能：电子负载有恒流模式。恒流方式时不论输入电压如何变化（在一定范围内），流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。恒流（CC）工作模式的电流设置范围为100mA～900mA ，设置分辨力为100mA。AD模块接受电路电压和电流模拟信号，转化为数字信号，经数码管显示电压和电流。包括加法电路、DAC数模转换、恒流控制数码管的显示电路等；能够检测被测电源的电流值、电压值；各个参数都能直观的在数码管上显示。设计特色：电路直观明了可机械调整。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:直流负载恒流D/AA/D
一、引言 4
二、系统方案选择及芯片介绍 5
（一）系统方案设计 5
1.系统方案论证、比较与选择 5
2.设计思路 5
（二）采用的集成芯片功能说明 7
1.Op07（精密、低噪声运算放大器） 7
2. OPA2227高精度,低噪声;运算放大器 7
3. LP2950-33LPRE3可调微功耗电压稳压器 8
4.DAC0832八位数模转换器 8
5. ICL7107—3位半双积分型A/D转换器 9
三、硬件电路设计 10
（一）预置显示电路的设计 10
1.设计流程 10
2.电路设计 10
（三）恒流源及采样部分的设计 11
1.恒流源的设计 11
2.电压采样电路的设计 12
3.电流采样电路的设计 13
（四）D/ A转换电路的设计 14
（五）显示部分—— 3位半AD转换器的设计 15
1.电路功能说明 15
2.A/D转换方式及原理 15
3.电路原理图 16
（六）选通电路的设计 16
（七）电源部分的设计 17
四、 硬件系统调试和结果分析 18
（一）硬件系统调试 18
1.测试仪器 18
2.通电前的检查 18
3.不接IC芯片通电检测 18
4.硬件综合测试 18
（二）调试结果分析 18
1.D/ A转换电路测试 18
2.采样电路的测试数据 19
（三）电路仿真图 19
五、总结 22
六、致谢 23
七、参考文献 24
八、附录 25
（一） 实物图 25
（二）电路总原理图 27
（三）元器件清单 28
一、引言
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实验。
输出电能或转换电能的设备或部件各式各样, 如何对其输出特性进行可靠、全面且比较简单、快捷的测试, 一直是仪表测试行业研究的问题。传统测试中, 常采用静态负载(作为消耗能量的器件广泛地称为负载) 。实际上负载的形式较为复杂, 常为一些动态负载, 如: 负载消耗的功率是时间的函数, 或者负载工作在恒定电流、恒定电阻、恒定电压方式以及不同的峰值因数、功率因数或负载为瞬时短路负载等, 传统负载模拟不了这些复杂的负载形式。本文研制的电子负载就是针对实际应用中负载比较复杂的情况而设计的测试设备。
二、系统方案选择及芯片介绍
（一）系统方案设计
1.系统方案论证、比较与选择
方案一：基于单片机的数控直流电子负载
此方案控制核心采用单片机。操作时只需通过程序就能实现恒流模式、恒流值的调节、端口电压的采集及显示、恒压模式下电子负载的接入与断开等核心功能。但此方案对编程有一定的要求。方案中所采用的51系列的I/O口较少对外围电路和编程提升了难度。
方案二：基于手动调节的直流电子负载
本方案由于电路设计的问题，对电子负载恒流恒压的控制是依靠计数器对电流调节来实现的。而单片机对电阻的调节的实现相对较为复杂，因此这里并没有采用单片机为控制核心。该方案采用了诸多的精密器件以获得足够高的精度，采用了手动调节的方式。而且高精度的器件可以获得足够的精度。电路中恒流部分相对独立，便于检测观察。同时，系统的立体感较强。
上述两种方案各有优劣，针对自身的实际情况本设计选择方案二。
2.设计思路
所谓直流电子负载就是V/I曲线可设定的程控负载，外界电源流入的电流通过模拟器件，但这些器件必须是非线性的，是可以通过模拟量来调整的。
通常可以通过分压电路来采样，然后经过相应计算来折算出所需要的相应信号的数值。其原理框图如图2-1所示。
图2-1 系统原理框图
系统电路主要由：预置电路、DAC数模转换电路、恒流控制直流电子负载电路、显示电路等四部分电路组成。
预置电路主要对恒流（CC）工作模式的电流范围100mA～900mA进行设置。
DAC数模转换主要完成对预置的数字量进行转换，即将数字量转换为模拟电信号，由DAC0832数模转换芯片为核心来实现。
恒流控制直流电子负载电路就是被测试电源信号变化的情况下，保持电流不变，通过电子负载来测得相应数据的电路，主要由运放电路来实现的。
显示电路由三位半A/D转换电路来实现，并由手动开关对电压、电流的测试进行选通，把检测到的电压、电流量显示出来。
（二）采用的集成芯片功能说明
1.Op07（精密、低噪声运算放大器）
图2-2 OP07芯片管脚
Op07芯片引脚如图2-2所示，功能说明：
芯片管脚如图2-2所示：1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚，6为输出，7为接电源+
2. OPA2227高精度,低噪声;运算放大器
特点：
低噪音：3nV/√Hz
高带宽：OPA227: 8MHz, 2.3V/μs
低失调电压：75μV max
宽电源电压范围：±2.5V到±18V
OPA227替换OP-27, LT1007, MAX427
描述：
OPA227是单位增益稳定,具有高转换率(2.3V/μs)和广泛的带宽(8MHz)或更大的OPA228闭环增益优化,并提供更高的速度与10V/μs摆率和带宽33MHz。芯片管脚如图2-3所示。
图2-3 OPA2227芯片管脚
工作情况：
OPA227系列OP amps从操作±2.5V至±18V供应与优异的性能。适用于在±5至±15V电源电压范围工作。
3. LP2950-33LPRE3可调微功耗电压稳压器
特点:
宽输入到30 V 、100 mA额定输出电流。芯片管脚如图2-4所示。
图2-4 LP2950芯片管脚
描述：
LP2950设备是双极性,低压降稳压器,可容纳的宽输入电源电压范围可达30 V。
LP2950具有仅在(0.5%输出宽容25°C),一个非常低的输出电压温度系数(20 ppm典型）,非常好的线路和负载调节(0.3%和0.4%典型）,遥感能力的部分,可以作为任何低功耗电压基准使用。
4.DAC0832八位数模转换器
【摘要】
本文论述了直流电子负载的设计思路和过程。本电子负载采用模拟电路，可实现以下功能：电子负载有恒流模式。恒流方式时不论输入电压如何变化（在一定范围内），流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。恒流（CC）工作模式的电流设置范围为100mA～900mA ，设置分辨力为100mA。AD模块接受电路电压和电流模拟信号，转化为数字信号，经数码管显示电压和电流。包括加法电路、DAC数模转换、恒流控制数码管的显示电路等；能够检测被测电源的电流值、电压值；各个参数都能直观的在数码管上显示。设计特色：电路直观明了可机械调整。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:直流负载恒流D/AA/D
一、引言 4
二、系统方案选择及芯片介绍 5
（一）系统方案设计 5
1.系统方案论证、比较与选择 5
2.设计思路 5
（二）采用的集成芯片功能说明 7
1.Op07（精密、低噪声运算放大器） 7
2. OPA2227高精度,低噪声;运算放大器 7
3. LP2950-33LPRE3可调微功耗电压稳压器 8
4.DAC0832八位数模转换器 8
5. ICL7107—3位半双积分型A/D转换器 9
三、硬件电路设计 10
（一）预置显示电路的设计 10
1.设计流程 10
2.电路设计 10
（三）恒流源及采样部分的设计 11
1.恒流源的设计 11
2.电压采样电路的设计 12
3.电流采样电路的设计 13
（四）D/ A转换电路的设计 14
（五）显示部分—— 3位半AD转换器的设计 15
1.电路功能说明 15
2.A/D转换方式及原理 15
3.电路原理图 16
（六）选通电路的设计 16
（七）电源部分的设计 17
四、 硬件系统调试和结果分析 18
（一）硬件系统调试 18
1.测试仪器 18
2.通电前的检查 18
3.不接IC芯片通电检测 18
4.硬件综合测试 18
（二）调试结果分析 18
1.D/ A转换电路测试 18
2.采样电路的测试数据 19
（三）电路仿真图 19
五、总结 22
六、致谢 23
七、参考文献 24
八、附录 25
（一） 实物图 25
（二）电路总原理图 27
（三）元器件清单 28
一、引言
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实验。
输出电能或转换电能的设备或部件各式各样, 如何对其输出特性进行可靠、全面且比较简单、快捷的测试, 一直是仪表测试行业研究的问题。传统测试中, 常采用静态负载(作为消耗能量的器件广泛地称为负载) 。实际上负载的形式较为复杂, 常为一些动态负载, 如: 负载消耗的功率是时间的函数, 或者负载工作在恒定电流、恒定电阻、恒定电压方式以及不同的峰值因数、功率因数或负载为瞬时短路负载等, 传统负载模拟不了这些复杂的负载形式。本文研制的电子负载就是针对实际应用中负载比较复杂的情况而设计的测试设备。
二、系统方案选择及芯片介绍
（一）系统方案设计
1.系统方案论证、比较与选择
方案一：基于单片机的数控直流电子负载
此方案控制核心采用单片机。操作时只需通过程序就能实现恒流模式、恒流值的调节、端口电压的采集及显示、恒压模式下电子负载的接入与断开等核心功能。但此方案对编程有一定的要求。方案中所采用的51系列的I/O口较少对外围电路和编程提升了难度。
方案二：基于手动调节的直流电子负载
本方案由于电路设计的问题，对电子负载恒流恒压的控制是依靠计数器对电流调节来实现的。而单片机对电阻的调节的实现相对较为复杂，因此这里并没有采用单片机为控制核心。该方案采用了诸多的精密器件以获得足够高的精度，采用了手动调节的方式。而且高精度的器件可以获得足够的精度。电路中恒流部分相对独立，便于检测观察。同时，系统的立体感较强。
上述两种方案各有优劣，针对自身的实际情况本设计选择方案二。
2.设计思路
所谓直流电子负载就是V/I曲线可设定的程控负载，外界电源流入的电流通过模拟器件，但这些器件必须是非线性的，是可以通过模拟量来调整的。
通常可以通过分压电路来采样，然后经过相应计算来折算出所需要的相应信号的数值。其原理框图如图2-1所示。
图2-1 系统原理框图
系统电路主要由：预置电路、DAC数模转换电路、恒流控制直流电子负载电路、显示电路等四部分电路组成。
预置电路主要对恒流（CC）工作模式的电流范围100mA～900mA进行设置。
DAC数模转换主要完成对预置的数字量进行转换，即将数字量转换为模拟电信号，由DAC0832数模转换芯片为核心来实现。
恒流控制直流电子负载电路就是被测试电源信号变化的情况下，保持电流不变，通过电子负载来测得相应数据的电路，主要由运放电路来实现的。
显示电路由三位半A/D转换电路来实现，并由手动开关对电压、电流的测试进行选通，把检测到的电压、电流量显示出来。
（二）采用的集成芯片功能说明
1.Op07（精密、低噪声运算放大器）
图2-2 OP07芯片管脚
Op07芯片引脚如图2-2所示，功能说明：
芯片管脚如图2-2所示：1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚，6为输出，7为接电源+
2. OPA2227高精度,低噪声;运算放大器
特点：
低噪音：3nV/√Hz
高带宽：OPA227: 8MHz, 2.3V/μs
低失调电压：75μV max
宽电源电压范围：±2.5V到±18V
OPA227替换OP-27, LT1007, MAX427
描述：
OPA227是单位增益稳定,具有高转换率(2.3V/μs)和广泛的带宽(8MHz)或更大的OPA228闭环增益优化,并提供更高的速度与10V/μs摆率和带宽33MHz。芯片管脚如图2-3所示。
图2-3 OPA2227芯片管脚
工作情况：
OPA227系列OP amps从操作±2.5V至±18V供应与优异的性能。适用于在±5至±15V电源电压范围工作。
3. LP2950-33LPRE3可调微功耗电压稳压器
特点:
宽输入到30 V 、100 mA额定输出电流。芯片管脚如图2-4所示。
图2-4 LP2950芯片管脚
描述：
LP2950设备是双极性,低压降稳压器,可容纳的宽输入电源电压范围可达30 V。
LP2950具有仅在(0.5%输出宽容25°C),一个非常低的输出电压温度系数(20 ppm典型）,非常好的线路和负载调节(0.3%和0.4%典型）,遥感能力的部分,可以作为任何低功耗电压基准使用。
4.DAC0832八位数模转换器
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