“简易直流电子负载”设计报告
摘要：本系统设计制作了一台恒流工作模式的简易直流电子负载。
通过按键、LCD显示，AD/DA模块、恒流电路及功率器件搭建电路。
运用MSP430G2553单片机精确控制恒流电流值，可以满足基本要求（1）、（2）、（3）；自制了一个符合发挥部分（1）的稳压电源，通过测量达到了发挥部分（2）的要求，通过改变负载电阻Rw达到发挥部分（3）的要求。
本系统能够把负载两端电压、流过负载电流和负载调整率直观的在LCD上显示，具有便携（电池供电），精确等特点。
关键字：恒流功率器件AD/DA MSP430G2553 负载调整率
一、模块设计方案
1.1 单片机系统
方案一、使用AT89C51单片机系统，At89C51是一个低功耗的CMOS8位单片机，片内含有4K bytes存储器和128bytes的随机数据存储器，片内集成通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。
方案二、使用MSP430g2553单片机系统，其可在1.8~3.6V的低电压范围内工作，具有超低功耗的特点；有5种节能方式和基本时钟模块配置；内置16位定时器，多达20个支持触摸感测的I/O引脚和欠压检测器，MSP430g2553功耗低。
综合考虑，方案二中单片机系统，性价比高，运行速度高；所以采用方案二。
1.2DA模块
方案一、使用DAC0832，最常用的器件，易于使用，硬件接口简单，编程容易，缺点精度只有8位，达不到设计要求。
方案二、TI公司生产的TLV5616。
这是一个12位的数模转换器。
带有灵活的4线串行接口，可以无缝连接TMS320，SPI，QSPI和Mircrowire串行口。
数字和模拟电源分别供电，电压范围2.7V~5.5V。
输出缓冲是2倍增益rail-to-rail输出放大器，输出放大器是AB类以提高稳定性和减少建立时间。
rail-to-rail输出和关电方式非常单电源、电池供电应用。
通过控制字可以优化建立时间和耗化比且精度达到设计要求。
综合考虑，我们选用方案二。
1.3恒流电路模块
方案一、采用稳压器来构成恒流源，LM7805是三端固定式集成稳压器，输出的电流I=（Uo’/R1+I2）;式中I2是7805的静态电流，数值非常之小，当R1较小I1较大时，I2可忽略不计；当R2变化时，LM7805改变自身的电压差来维持电压不变。
该电路结构简单，但不能实现数控。
如图1.
U1
LM7805CT
LINE VREG
COMMON
VOLTAGE
C1
30pF
R110kΩ
R2
1kΩ
C2
100nF
+
_
Ui
I2
I1
Uo'
图1 LM7805恒流图方案二、使用OP07CP和场效应管IRF3205搭建恒流源电路。
可以方便的与被测电源相连，并能为AD提供电压电流采样。
如图2所示.对IRF3205功率MOS管来讲，通过对其栅极电压的控制，可以达到控制IRF3205的源漏极电流的目的，即在保持栅极电压不变的情况下，源漏极电流可以保持恒定，这样就达到了恒流的效果，
档位调节：题目要求功率器件电路的电流要在100mA到1000mA之间变化，并且每100mA为一个档。
完成此项功能可以通过改变IRF3205的栅极电压来完成，而栅极电压的值又取决于由单片机控制的D/A输出。
所以可以通过单片机来控制IRF3205的电流进行档位的切换。
图2 OP07CP恒流原理图
为达到数控的要求，本系统采用方案二。
1.4AD模块
方案一、ADC0809是8位的A/D转换芯片，每一通道转换时间为100uS，有8个模拟量输入通道，但其精度达不到本系统所需要求。
方案二、单片机msp430内自带10位AD ，但其理论精度刚好达标，实际使用
时，引入噪声后，其精度可能达不到要求。
方案三、选用TI 公司的芯片ADS1115模数转换芯片。
可编程数据速率有8sps~860sps ，片内有低漂移电压基准，内部振荡器和内部可编程增益放大器，是16位的高精度模数转换器，数据通过一个I2C 兼容串行接口进行传输，ADS115可提供2个差分输入或4个单端输入。
此模块，采用方案三。
总体方案框图 如图3
图3 系统框架图
二、理论计算与分析
1、AD 转换电路。
AD 转换电路我们采用TI 公司生产的ADS11115芯片。
ADS1115是16位的
AD 转换器，其转换精度可以达到,即65536
1
，完全可达到千分之一的题目测量精
度要求。
2、DA 转换电路
DA 转换电路我们采用TI 公司生产的TLV5616芯片。
通过SPI 接口与单片机相连，较少使用单片机端口。
TLV5616是12位的DA 转换器，其转换精度
可以达到1000
01x ,即40961
，完全可达到的题目要求的恒流电路的电流变化的精
度要求。
3 恒流电路
导通MOS 取样电阻使用0.7欧的电阻。
OP27使用9V 的单电源供电。
D/A 芯片外接参考电压为Vref=2.5V 实际使用的模拟量的范围为0-1.3V ，其中取使得MOS 管导通的电压范围为0.5V-1.3V ，首先，运放输出端的电压在正常工作时应该使得功率MOS 管导通，即运放输出端的电压应该达到功率MOS 管的开启电压，而IRF3205的开启电压V GS 为2－4V ，另外运放的供电电源为9V ，其输出电压值最好不超过其供电电压值，即运放输出端的电压值的范围最后确定
为3V －7.8V ，即确定放大倍数为6倍。
运放放大倍数的计算，即电阻R1和R2的阻值的确定。
4、稳压电路
自制的稳压电路我们采用的是LM2596。
输出的电压4.97V ，纹波7mV ，电流可达到3A ，完全满足题中要求。
5．电源负载调整率的测试原理
5V 稳压电源
直流电子负载
R W
被测电源
+
+
_
_
当设置D/A 模块的输出电压小于0.3V 时，运放输出端，即功率MOS 管的栅极电压为低于1.8V ，小于功率MOS 管的开启电压，功率MOS 管截至，功率回路上的电流为0，此时相当于外电路开路，此时通过电压采样得到的电压值，就是空载时的电压值。
记为V1，通过按键调整D/A 输出，开启MOS 管，进而调整外电路的电流，使之变成100mA ，200mA 直至1000mA ，实时采样每一次的电压值V2，则有
%100*1
2
1V V V 负载调整率＝
也可通过更换图中的Rw 的阻值，来进行测量，测量的原理和公式同上。
三、硬件电路和软件设计
1 使用ADS1115进行AD 转换。
AD 转换电路如图4.
图4 AD模块电路图
ADS1115模数转换器，SDA与SCL接10K的上拉电阻后接入单片P2.1，P2.0。
ALERT口悬空。
AIN0，AIN1，AIN2，AIN3,分别接模拟输入。
题目要求对电流和电压采样并显示采样值，要求精度电压为0.1％，电流为0.2％，要达到此测量精度，必须至少采用10位以上的A/D转换，TI公司的ADS1115是16位，完全满足此要求。
2 使用TLV5616进行的DA转换。
DA转换电路如图5.
图5 DA模块电路图
在本题要求中，要求对电流进行设定时范围100mA到1000mA，100mA一档，精度要求为1％，本报告的设计中采用D/A输出来控制功率器件电路的电流，为保证输出电流精度，决定采用TI公司的12位的数模转换器TLV5616。
3 直流稳压电源电路。
如图6.
图6 LM2596稳压电路图
4软件设计流程及主要程序
4.1主要程序：按键程序、LCD显示程序、AD模块程序、DA模块程序（详细程序见附录）。
4.2软件设计流程框图，见图7。
图7 程序流程图
四、测试方案及分析
整个测试过程需要用到的仪器：双踪示波器，4位半的万用表。
测试环境：室内温度25°C
1、负载两端电压和流过的电流的测试
测试情况：完成
都在题目的误差范围之内。
2、负载两端电压及负载调整率
测试情况：完成
行对比，然后更换不同的负载阻值，来测量负载的调整率。
3、结果及误差分析
A、IN5824二极管上产生压降，经LC滤波之后，输出的电压可能达不到AD/DA 所要求的基准电压2.5V。
B、测得的被测电源的纹波值结果大一点，这可能是测量时示波器的表笔与电路形成一个环路，从而会受到电感发出的电磁波的影响。
C、外界环境中小噪声的干扰。
4、进一步的改进
A、使用压降更小的二极管，效率可以提高。
B、改进电路的走线，可以使小信号的地接在同一个点，在接到公共地上，底线使用更粗的线，可以提高效率。
改变走线方式，避免形成地线回路，，可以减小纹波。
C、电路中应尽量使用一些屏蔽线，或做一些屏蔽装置。
以提高电路的效率。
五、参考文献
[1] 沈建华杨艳琴《msp430系列16位超低功耗单片机原理与实践》北京航空航天大学出版社20XX年
[2] 黄智伟《大学生电子竞赛设计方案》。