直流電子負載的設計

吳文進，江善和，任小龍

（安慶師范學院 物理與電氣工程學院，安徽 安慶）

直流電子負載用于測試直流穩壓電源、蓄電池等電源的性能，它可以模擬真實環境中的負載（用電器）.與傳統的模擬電阻性負載相比具有節能、體積小、效率高等優點,在電源、通訊、汽車、蓄電池等領域有廣泛的應用，并成為當前研究的熱點.本文設計了一種電子負載，有恒流和恒壓兩種模式，可手動切換.恒流方式時要求不論輸入電壓如何變化（在一定范圍內），流過該電子負載的電流恒定，且電流值可設定.工作于恒壓方式時，電子負載端電壓保持恒定，且可設定.

1 系統組成

系統主要由比較、檢測、顯示、功率控制等電路組成，以一片PIC16C716低功耗單片機為核心，根據測量需要可以選擇恒壓和恒流兩種工作模式.被測電源加在負載兩端后，在恒流模式下，當被測電源輸出變化時，通過比較電路驅動功率控制模塊耗散功率，使流過負載的電流恒定不變，同時系統通過檢測驅動顯示電流值；在恒壓模式下，當被測電源輸出變化時，通過比較電路驅動功率控制模塊耗散功率，使負載兩端的電壓恒定不變，同時系統通過檢測驅動顯示電壓值.系統原理框圖如圖1.

圖1 系統原理框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 電壓、電流采樣電路設計

（1）電壓采樣：采用HCPL—7840芯片作為電壓采樣電路的主要控制元件.HCPL—7840是HP公司出品的雙直插8腳封裝的集成隔離放大器，它有優越的性能，像CMRR、失調電壓、非線性度、工作范圍溫度和工作電壓等都有嚴格的指標.它能夠傳輸模擬信號的線性光耦，對主電路和控制電路進行隔離，這樣可減弱電源噪聲和電磁干擾的影響，避免電流功率電路對控制電路的損害.

（2）電流采樣：借助采樣電阻首先將電流信號轉換為電壓信號，再用HCPL—788J隔離，它是帶短路和過載檢測功能的隔離運放芯片，電流過載后能在5μs從內部向單片機發送中斷信號，及時保護MOSFET.其輸入范圍為：-250mv～+250mv；對應輸出為0～4V；電子負載電流輸入范圍是0～5A；選用0.04Ω采樣電阻.

2.2 電壓、電流顯示電路設計

顯示電路設計采用了ICL7107芯片，如圖2.ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D轉換器電路，它包含有七段譯碼器、顯示驅動器、參考源和時鐘系統，ICL7107可直接驅動發光二極管（LED）.ICL7107將高精度、通用性和真正的低成本很好的結合在一起，它有低于10μV的自動校零功能，零漂小于1μV/℃，低于10pF的輸入電流，性能轉換誤差小于一個字.真正的差動輸入和差動參考源在本設計中很有用.

圖2 顯示電路

2.3 功率控制電路設計

功率控制電路采用ATMEG8芯片作為主要器件，電路如圖3和圖4.ATMEG8具有高性能、低功耗的使用特性.它是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位COMS微控制器.由于其先進的指令集及單時鐘周期指令執行時間，ATMEG8的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾.主電路結構采用MOS管外加運放電路，且加大功率管散熱片面積，確保裝置工作穩定，減小測量誤差.

3 軟件設計

圖3 功率控制原理圖（主電路結構）

軟件設計中，電壓電流采集數據經A/D轉換后送入PIC16C176單片機，與設定值進行比較，然后按要求對功率進行控制，同時對電壓和電流參數進行顯示.程序采用數據環形緩沖技術，當有中斷服務程序出現時，程序會把讀到的值存放到一個環形緩沖隊列中，主程序不停的查詢環形緩沖隊列中是否有中斷服務程序的出現，若有，則按順序讀程序并處理.程序起始段定義了電壓采集函數、電流采集函數、顯示函數、定時初始化函數、定時器中斷函數和采集數據存入的數組，以方便主程序調用，具體代碼及其功能如下：

圖5 主程序流程圖

4 系統測試

表1 恒流模式下負載電流設定值隨電源輸出電壓的變化

在恒流模式下，將選擇開關打到恒流模式，設定恒流值后，改變穩壓源的輸出，觀察顯示的電流和電壓值并記錄數據，測試數據見表1.在恒壓模式下，將選擇開關打到恒壓模式，設定恒壓值后，改變穩壓源的輸出，觀察顯示的電流和電壓值并記錄數據，測試數據見表2.

測試數據分析：在恒流模式下，電流設定值從0.10A—3.00A變化時，調節被測電源的輸出，設定的電流值幾乎不變化，誤差在0.5%以內，符合設計要求.在恒壓模式下，設定電壓小于3V時，隨著電源輸出的變化，測量值與設定值之間的誤差略大；當設定值在3V—30V變化時，測量值與設定值之間的誤差均控制在1%以內，符合設計要求.

5 結論

以一片PIC16C716低功耗單片機為核心，設計出可以在恒壓和恒流兩種模式下工作的直流負載裝置.該直流電子負載工作穩定，測量精度和性價比均優于其他同類產品.

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