一種簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載，包括微處理器、模擬電壓輸出電路、功率MOSFET負(fù)載電路、電壓電流檢測(cè)電路、電源電路和人機(jī)接口電路；模擬電壓輸出電路的輸入端和輸出端分別接微處理器和功率MOSFET負(fù)載電路；功率MOSFET負(fù)載電路的輸入端和輸出端分別接模擬電壓輸出電路和被測(cè)對(duì)象；電壓電流檢測(cè)電路的輸入端和輸出端分別接被測(cè)對(duì)象和微處理器；電源電路的輸出端接微處理器；人機(jī)接口電路的輸入輸出端接微處理器。本實(shí)用新型運(yùn)行穩(wěn)定、控制速度快、精度高，能夠有效實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的數(shù)字化控制，與常用的軟件閉環(huán)方案相比，具有精度高、量程寬、負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載。

【背景技術(shù)】
[0002] 在開(kāi)關(guān)電源的調(diào)試檢測(cè)中，需要對(duì)被測(cè)電源在帶負(fù)載條件下的動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能進(jìn)行 測(cè)試，即動(dòng)態(tài)地改變負(fù)載使其處于定電流工作模式，這就要求必須為測(cè)試系統(tǒng)提供一種能 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地改變工作電流的直流電子負(fù)載。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0003] 本實(shí)用新型的目的是提供一種運(yùn)行穩(wěn)定、控制速度快、精度高的簡(jiǎn)易高精度直流 電子負(fù)載，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的數(shù)字化控制。
[0004] 實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案是：一種簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載，包括微處理 器、模擬電壓輸出電路、功率M0SFET負(fù)載電路、電壓電流檢測(cè)電路、電源電路和人機(jī)接口電 路；所述模擬電壓輸出電路的輸入端和輸出端分別接微處理器和功率M0SFET負(fù)載電路；所 述功率M0SFET負(fù)載電路的輸入端和輸出端分別接模擬電壓輸出電路和被測(cè)對(duì)象；所述電 壓電流檢測(cè)電路的輸入端和輸出端分別接被測(cè)對(duì)象和微處理器；所述電源電路的輸出端接 微處理器；所述人機(jī)接口電路的輸入輸出端接微處理器。
[0005] 所述微處理器采用MSP430F149芯片。
[0006] 所述功率M0SFET負(fù)載電路包括功率負(fù)載模塊和N溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)管 IRF730 ;所述功率負(fù)載模塊的輸出端接至N溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF730的柵極。
[0007] 所述功率M0SFET負(fù)載電路的功率負(fù)載模塊包括D/A轉(zhuǎn)換電路和電平變換與比 較電路；所述D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出端接至電平變換與比較電路的輸入端，電平變換與比較 電路的輸出端接N溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF730 ;所述D/A轉(zhuǎn)換電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC904 ;所述DAC904的外部基準(zhǔn)采用REF5025 ;所述D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電平為-1. 0? 1. 0V ;所述電平變換與比較電路包括依次連接的加法器和反相器；所述加法器和反相器將 D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電平提升至0?2V。
[0008] 所述電壓電流檢測(cè)電路包括A/D轉(zhuǎn)換電路、電流采樣電路和電壓采樣電路；所述 A/D轉(zhuǎn)換電路包括A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1112 ;所述A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1112的串行接口連接至 MSP430F149的外設(shè)SPI接口；所述電流采樣電路包括采樣電阻；所述采樣電阻得到的電壓 信號(hào)直接接入A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1112的通道0 ;所述電壓采樣電路包括分壓器；所述分壓器 得到的電壓信號(hào)接入A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1112的通道1。
[0009] 采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型具有以下的有益效果：（1)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，測(cè)試結(jié)果表明本實(shí)用新型運(yùn)行穩(wěn)定、控制速度快、精度高，能夠有效實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的數(shù) 字化控制，與常用的軟件閉環(huán)方案相比，具有精度高、量程寬、負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，性能穩(wěn)定、操 作簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
[0010] (2)本實(shí)用新型的微處理器采用MSP430F149芯片，MSP430F149芯片是美國(guó)TI公 司推出的超低功耗微處理器，執(zhí)行速度快，供電電壓低，工作電壓范圍寬，具有靈活的時(shí)鐘 系統(tǒng)、強(qiáng)大的中斷功能、良好的通用性和可擴(kuò)展性，適合于工業(yè)環(huán)境。
[0011] (3)本實(shí)用新型的功率M0SFET負(fù)載電路中使用的是N溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)管 IRF730,最大可耐壓400V，常溫下最大工作電流為5. 5A。
[0012] (4)本實(shí)用新型的D/A轉(zhuǎn)換電路中選用14位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC904,其具有轉(zhuǎn)換精 度高和速度快的優(yōu)點(diǎn)。
[0013] (5)本實(shí)用新型的A/D轉(zhuǎn)換電路中使用的是專(zhuān)門(mén)的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1112,其是一 種多量程、低功耗16位的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，精度較高，轉(zhuǎn)換速率較快，可靠性高。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 為了使本實(shí)用新型的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附 圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，其中
[0015] 圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
[0016] 圖2為本實(shí)用新型的功率M0SFET負(fù)載電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC904的電路圖。
[0017] 圖3為本實(shí)用新型的功率M0SFET負(fù)載電路中的電平變換與比較電路的電路圖。
[0018] 圖4為本實(shí)用新型的電壓電流檢測(cè)電路的電路圖。
[0019] 圖5為本實(shí)用新型測(cè)量時(shí)的83. 6?322. 9mA段采樣值-電流曲擬和曲線。
[0020] 附圖中的標(biāo)號(hào)為：
[0021] 微處理器1、模擬電壓輸出電路2、功率M0SFET負(fù)載電路3、電壓電流檢測(cè)電路4、 電源電路5、人機(jī)接口電路6、被測(cè)對(duì)象7。

【具體實(shí)施方式】
[0022] (實(shí)施例1)
[0023] 見(jiàn)圖1，本實(shí)施例的簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載，包括微處理器1、模擬電壓輸出電 路2、功率M0SFET負(fù)載電路3、電壓電流檢測(cè)電路4、電源電路5和人機(jī)接口電路6。
[0024] 模擬電壓輸出電路2的輸入端和輸出端分別接微處理器1和功率M0SFET負(fù)載電 路3。功率M0SFET負(fù)載電路3的輸入端和輸出端分別接模擬電壓輸出電路2和被測(cè)對(duì)象7。 電壓電流檢測(cè)電路4的輸入端和輸出端分別接被測(cè)對(duì)象7和微處理器1。電源電路5的輸出 端接微處理器1。人機(jī)接口電路6的輸入輸出端接微處理器1。微處理器1采用MSP430F149 心/T 〇
[0025] 功率M0SFET負(fù)載電路3包括功率負(fù)載模塊和N溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF730。 功率負(fù)載模塊的輸出端接至N溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF730的柵極。功率M0SFET負(fù)載 電路3的功率負(fù)載模塊包括D/A轉(zhuǎn)換電路和電平變換與比較電路。D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出端 接至電平變換與比較電路的輸入端，電平變換與比較電路的輸出端接N溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng) 效應(yīng)管IRF730。D/A轉(zhuǎn)換電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC904。數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC904的電路圖如圖 2所示。DAC904的外部基準(zhǔn)采用REF5025。D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電平為-1.0?1.0V。電平 變換與比較電路的電路圖如圖3所示。電平變換與比較電路包括依次連接的加法器和反相 器。加法器和反相器將D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電平提升至0?2V。
[0026] 電壓電流檢測(cè)電路4的電路圖如圖4所示，電壓電流檢測(cè)電路4包括A/D轉(zhuǎn)換電 路、電流采樣電路和電壓采樣電路。A/D轉(zhuǎn)換電路包括A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1112。A/D轉(zhuǎn)換芯 片ADS1112的串行接口連接至MSP430F149的外設(shè)SPI接口。電流采樣電路包括采樣電阻。 采樣電阻得到的電壓信號(hào)直接接入A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1112的通道0。電壓采樣電路包括分 壓器。分壓器得到的電壓信號(hào)接入A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1112的通道1。
[0027] 本實(shí)施例的簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載擬合采樣值-電流曲線的方法是：
[0028] 用MSP430F149驅(qū)動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換電路控制功率負(fù)載在設(shè)定電流下工作，同時(shí)驅(qū)動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換電路得到采樣數(shù)據(jù)。在同一電流下連續(xù)采樣10次，得到采樣結(jié)果作為一組數(shù)據(jù)記錄。 測(cè)取完原始數(shù)據(jù)后，再對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，將每個(gè)采樣點(diǎn)的10個(gè)數(shù)據(jù)中的最大 值和最小值剔除，再取剩下的8個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為這個(gè)該電流的最終采樣值，從而得到 一組數(shù)據(jù)。表1為測(cè)取的83. 6?322. 9mA段的部分?jǐn)?shù)據(jù)。
[0029] 表1 :83· 6?322. 9mA段的部分?jǐn)?shù)據(jù)
[0030] 實(shí)際電流（mA) 183.6 194.7 Il05. 7 Ill7. 1 Il27. 9 |201. 0 |220. 8 |251. 6 |312. 7 1322.9 采樣值（bit) 1490 1680 1870 2065 2251~3509 3850 4380 5431~5605
[0031] 為了更逼近真實(shí)曲線，處理中對(duì)整個(gè)電流電壓范圍采用了多項(xiàng)式擬合曲線的方 法。所擬合的多項(xiàng)式為：y = aa+ajd-aA，式中aQ，ap a2, 為待求系數(shù)。由于采樣值 與實(shí)際電流為一次線性關(guān)系，因此數(shù)據(jù)處理中采用一次多項(xiàng)式來(lái)擬合采樣值-電流關(guān)系曲 線。根據(jù)83. 6?322. 9mA段的數(shù)據(jù)擬合函數(shù)為y = 0. 5813X-29. 393,其對(duì)應(yīng)的擬合曲線如 圖4所示。
[0032] 本實(shí)施例的簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載擬合采樣值-電壓曲線的方法是：
[0033] 電壓曲線擬合方法與電流方法基本一致，但是由于在不同工作電流下，線路阻抗、 采樣電阻和場(chǎng)效應(yīng)管上產(chǎn)生的壓降是不一樣的，因此為了獲得更精確的電壓值，需要對(duì)不 同的工作電流進(jìn)行分段擬合。
[0034] 首先當(dāng)電流輸入值為0A時(shí)，讀取采樣值與實(shí)際電壓值，依此類(lèi)推，分別對(duì)電流以 100mA遞增關(guān)系得出采樣值與實(shí)際電壓值。表2為不同電流下的部分采樣數(shù)據(jù)。
[0035] 表2 :不同電流下的部分采樣數(shù)據(jù)
[0036] 0mA 100mA 200mA 300mA 采樣值 電壓值mV 采樣值 電壓值mV 采樣值 電壓值mV 采樣值 電壓值mV 16448 11225 16379 11182 16324 11145 | 16281 | 11116 11710 7984 11641 7938 11577 7895 | 11518 | 7856 9980 6800 9913 6755 9850 6713_| 9797 | 6678 7773 5289 7708 5243 7644 5203 7593 5169 3790 2559 3713 2510 3659 2473 3603 2437
[0037] 采用多項(xiàng)式擬合曲線的方法依次對(duì)不同電流進(jìn)行分段擬合，擬合結(jié)果如表3所 示。由表3可見(jiàn)，不同電流的情況下，采樣值與電壓擬合曲線的斜率基本一致，但是由于PCB 布線阻抗在不同工作電流情況下，線上壓降產(chǎn)生不規(guī)則變化，從而影響截距變化也不規(guī)則。 因此，為了得到較高精度的測(cè)量結(jié)果，程序根據(jù)不同工作電流采用不同的擬合方程。
[0038] 表3 :不同電流的電壓擬合數(shù)據(jù)
[0039] 電流 mA~[0 [?00 [200 [300 fioo ?δΟΟ ?θΟΟ [?ΟΟ ?δΟΟ ?θΟΟ Μ? 0.6847 0.6847 0.6847 0.6847 0.6843 0.6846 0.6847 0.6846 0.6846 0.6848 截距 -34. 05 -32. 81 -31. 88 -30. 33 -30. 09 -31. 28 -30. 18 -28. 67 -29. 44 -26. 51
[0040] 控制本實(shí)施例的簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載的輸出電流的方法是：
[0041] 本實(shí)施例的簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載的電路中負(fù)載電流流經(jīng)采樣電阻R11，產(chǎn)生 米樣電壓，輸入到運(yùn)算放大器0Ρ07的反向輸入端，而D/A的模擬電壓輸出到0Ρ07的同向輸 入端。當(dāng)D/A輸入大于反向輸入時(shí)，0Ρ07輸出+12V，此時(shí)CMOS管導(dǎo)通，反之則關(guān)斷。由于 關(guān)斷和導(dǎo)通速度很快，形成了直接的反饋控制，故輸出呈現(xiàn)出線性。從而可以用D/A的輸出 控制采樣電阻的電壓，達(dá)到控制輸出電流的目的。因此可以制作一個(gè)由PI控制器、D/A轉(zhuǎn) 換器、功率負(fù)載和采樣電阻依次連接的恒流閉環(huán)控制器。
[0042] 本實(shí)施例的簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載的測(cè)量精度與誤差分析為：
[0043] 在恒流（CC)工作模式下設(shè)置不同電流值，測(cè)量實(shí)際電流值。根據(jù)設(shè)置精度=(設(shè) 置值-測(cè)量值）/設(shè)置值，系統(tǒng)設(shè)置精度小于千分之九；在恒流（CC)工作模式下設(shè)置固定電 流值，改變負(fù)載兩端電壓10V時(shí)，分別測(cè)試變化前后的電流值。根據(jù)電流變化率=(變化前 電流值-變化后電流值）/變化前電流值，系統(tǒng)電流變化率小于千分之九；手動(dòng)輸入電流值， 通過(guò)閉環(huán)控制，改變D/A的輸出，以達(dá)到手動(dòng)電流輸入與恒流源工作電流的控制，完成電流 精度的測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表4所示。根據(jù)電流測(cè)量精度=(實(shí)際測(cè)量電流值-測(cè)量值）/實(shí) 際測(cè)量電流值，測(cè)量結(jié)果表明，系統(tǒng)電流測(cè)量精度優(yōu)于萬(wàn)分之五。
[0044] 表4:部分測(cè)試結(jié)果
[0045] 輸入電流值（mA)~|實(shí)測(cè)電流值（mA)~|電流測(cè)量精度％ 200 200. 1 005 400 400.0 0 800 800. 1 0Γ0?
[0046] 測(cè)試結(jié)果表明雖然滿(mǎn)足所需要的要求，但是還存在一些誤差，造成誤差的主要原 因有：①金屬膜電阻的阻值不夠精確；②采樣電阻自熱效應(yīng)引起的誤差由于電阻在溫度上 升時(shí)阻值會(huì)發(fā)生變化，因此會(huì)引起溫度飄移，給系統(tǒng)帶來(lái)測(cè)量的誤差；③A/D，D/A轉(zhuǎn)換誤差 受A/D轉(zhuǎn)換器精度及基準(zhǔn)源穩(wěn)定程度的限制，不可避免地帶來(lái)一定的誤差，為了更精確的 輸出恒流電源，必須選用更多位數(shù)的A/D、D/A芯片；④因外界突發(fā)干擾或儀表顯示值等引 起的隨機(jī)誤差或粗大誤差。
[0047] 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一 步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本 實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包 含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載，其特征在于：包括微處理器（1)、模擬電壓輸出電路 (2)、功率MOSFET負(fù)載電路（3)、電壓電流檢測(cè)電路（4)、電源電路（5)和人機(jī)接口電路（6); 所述模擬電壓輸出電路（2)的輸入端和輸出端分別接微處理器（1)和功率MOSFET負(fù)載電 路（3);所述功率MOSFET負(fù)載電路（3)的輸入端和輸出端分別接模擬電壓輸出電路（2)和 被測(cè)對(duì)象（7);所述電壓電流檢測(cè)電路（4)的輸入端和輸出端分別接被測(cè)對(duì)象（7)和微處 理器（1);所述電源電路（5)的輸出端接微處理器（1);所述人機(jī)接口電路（6)的輸入輸出 端接微處理器（1)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載，其特征在于：所述微處理器 (1)采用 MSP430F149 芯片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載，其特征在于：所述功率 MOSFET負(fù)載電路（3)包括功率負(fù)載模塊和N溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF730 ;所述功率負(fù) 載模塊的輸出端接至N溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF730的柵極。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載，其特征在于：所述功率 MOSFET負(fù)載電路（3)的功率負(fù)載模塊包括D/A轉(zhuǎn)換電路和電平變換與比較電路；所述D/A 轉(zhuǎn)換電路的輸出端接至電平變換與比較電路的輸入端，電平變換與比較電路的輸出端接N 溝道增強(qiáng)型功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF730 ;所述D/A轉(zhuǎn)換電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC904 ;所述DAC904 的外部基準(zhǔn)采用REF5025 ;所述D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電平為-1. 0?1. 0V ;所述電平變換與 比較電路包括依次連接的加法器和反相器；所述加法器和反相器將D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電 平提升至0?2V。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種簡(jiǎn)易高精度直流電子負(fù)載，其特征在于：所述電壓電流 檢測(cè)電路（4)包括A/D轉(zhuǎn)換電路、電流采樣電路和電壓采樣電路；所述A/D轉(zhuǎn)換電路包括 A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1112 ;所述A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1112的串行接口連接至MSP430F149的外設(shè) SPI接口；所述電流采樣電路包括采樣電阻；所述采樣電阻得到的電壓信號(hào)直接接入A/D轉(zhuǎn) 換芯片ADS1112的通道0 ;所述電壓采樣電路包括分壓器；所述分壓器得到的電壓信號(hào)接入 A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1112的通道1。
【文檔編號(hào)】G01R31/40GK203881815SQ201420269818
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月23日
【發(fā)明者】陳霞 申請(qǐng)人:常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院