基于ARM9TDMI的簡易直流電子負載設(shè)計

　　0 引言

　　現(xiàn)實生活中負載的形式較為復(fù)雜，多為一些動態(tài)負載，如：負載消耗的功率是時間的函數(shù);或者負載工作在恒定電流、恒定電阻;負載為瞬時短路負載;以及在儀表測試時，如果想對其輸出特性進行可靠、全面且比較簡單、快捷的測試等。傳統(tǒng)負載不能模擬這些復(fù)雜的負載形式，關(guān)鍵在于不能完成自動測試，因此，要實現(xiàn)這些功能離不開電子負載。

　　目前的電子直流負載由于電路設(shè)計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、精確的完成測量任務(wù)。本系統(tǒng)采用32位的ARM9TDMI為主控芯片，同時借助外部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的失真度，實現(xiàn)了穩(wěn)定快速的實時測量。對硬件電路的設(shè)計，采用OP07與IRF640構(gòu)成的線性恒流源，并采用CSM025A、VSM025A來轉(zhuǎn)換電子負載側(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電子負載的影響。

　　1系統(tǒng)方案選擇

　　圖1為DA控制的電子負載結(jié)構(gòu)框圖。

　　借助16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115將電壓電流回送至單片機。通過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)，達到步進10mA的要求，并有過壓保護功能。在12864液晶上顯示實時電壓電流值和設(shè)定電流值及負載調(diào)整率，電子負載具有優(yōu)良的精度、穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)，并結(jié)合精確的軟件控制，實現(xiàn)了電源測量的快速和準確。原理簡單，可行性高，成本低。

　　2理論分析與計算

　　2.1 電子負載及恒流電路的分析

　　通過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，由于運算放大器OP07是精度高、低漂移運算放大器，并且在10歐負載的情況下輸出電流能達到2 A。所以采用OP07和IRF640組成的一個Uin。電流串聯(lián)負反饋來實現(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)成負反饋，由運放的“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。負載電流為：

　　IL正比于TLV5616的輸出電壓，與負載電阻Rw無關(guān)。當(dāng)MOS管IRF640導(dǎo)通后，流過負載電阻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：

　　2.2電壓、電流的測量及精度分析

　　(1)A/D轉(zhuǎn)換器精度分析

　　為了能實現(xiàn)步進1 mV的高精度要求，采用16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115，能夠以高達每秒860個的速度采樣數(shù)據(jù)，精度為1/2^n=1/2^16。

　　(2)D/A轉(zhuǎn)換器精度分析

　　為了能實現(xiàn)步進1mA的精度要求，采用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLV5616，精度可達到1/2^n=1/2^12。

　　2.3 電源負載調(diào)整率的測試原理

　　直流穩(wěn)壓電源負載調(diào)整率是指電源輸出電流從零至額定值變化時引起的輸出電壓變化率。負載調(diào)整率可以通過如下方式計算：當(dāng)電子負載電流為0時，被測電壓輸入記為U1。在達到額定電流I2(1A)時，被測電壓為U2，則電源負載調(diào)整率為：