简易直流电子负载电子设计竞赛报告文档格式.docx

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Inthisdesign,generalpurposeop-ampfromTIisusedforlocalcontrolwhilecontrollerMSP430F169isusedasthesystemcontroller.Thedesignedsystemcanworkunderconstantcurrentsinkmodewithover-voltageprotection,interfacefunctionisalsoprovidedforkeyboardinputandfulldigitaldisplay.Withtheproposedanalog-digitalhybridcontrolconcept,theanalogcontrollerfollowsthereliablecontroldemandissuedbythehighprecision12-bitDACfromtheMSP430controller,andzerosteady-stateerror,controlledresponsetimeandover-shootisachieved.Theentiredesignfollowsthreeguidelines,highprecision,highreliabilityandlowcost.Theexperimentaltestsindicatethattheobjectivesofproposalareachievedproperly.

Keywords

MSP430F169，PIcontrol,constantcurrentmode,over-voltageprotection.

一、方案的选择与论证

1.1系统总体方案论证

电子负载可分为能耗式与回馈式，本要求中的设计对象为小功率电子负载，故采用能耗是。

一般市场上精度不高的电子负载多用开关式，而高速高精度电子负载多用模拟方案。

根据设计要求，拟定了6个方案，分别如图1-1至图1-6所示，提出的方案均具有短路保护功能。

图1-1与1-2中采用不用形式的buck电路，这种电路的缺点是输入电流不连续，需要加大电容滤波，系统可靠性较低，且会改变被测系统的结构（输出端并联了电容）。

图1-3是buck-boost型，输入电流也不连续，同样需要加输入滤波电容。

图1-4与1-5为电流源型变换器，但是系统造价过高，且输入电流纹波同样取决于开关频率与电感值。

图1-6中为线性MOSFET方案，控制MOSFET门极电压，保持MOSFET工作在饱和区，控制MOSFET内部电流。

图1-1方案一：

Buck变换器A

图1-2方案二：

Buck变换器B

图1-3方案三：

Buck-Boost变换器

图1-4方案四：

Cuk变换器

图1-5方案五：

SEPIC变换器

图1-6方案六：

线性MOSFET负载

方案1-6可以使用模拟技术实现，以LM324放大器，电流控制模块将采集的电流输入控制器，控制器根据参考值将误差放大生成MOSFET的门极电压。

系统结构图如1-7所示，本地控制由模拟器件完成，系统级的参考值给定由MSP430的DAC完成，同时MSP430也实现人机接口的功能。

表1-1分析了各种方案的优缺点，可以看出，线性MOSFET作为负载的情况是性能最高，可靠性最高，成本最低的方案。

图1-7基于线性MOSFET的模数混合方案

表1-1各种方案比较

性能

拓扑

输入电流纹波

EMI

主要器件数量

可靠性

成本

Buck（A）

取决于电感电容

大

4个以上

一般

Buck（B）

Buck-Boost

取决于电容

Cuk

取决于电感

高

SEPIC

线性MOS

很小

小

1个

低

1.2本方案模块设计论证

根据题目要求，系统可以划分为功率级模块、本地控制器模块、系统控制器模块、键盘模块、显示模块、辅助电源模块。

为实现各模块的功能与配合，先对各部分进行论证。

[1].电源模块

本系统需要采用15V为运算放大器供电，5V电压作为控制器中的参考电压、MSP430最小系统板的供电电压以及LCD屏的供电电压、3.3V为MSP430供电。

由于在竞赛要求中未提出对辅助电源的要求，故采用18-24V的直流电压对系统的辅助电源系统进行供电。

考虑到噪音的影响，采用线性调压芯片获得各电压等级。

[2].键盘模块

键盘模块的方案采用智能便携设备中的功能键的思路，采用最少按键实现；

分别为“参考值上调”、“参考值下调”、“ON/OFF”键。

[3].显示模块

使用液晶显示屏显示负载电流和电压，LCD具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等优点。

另外系统中加入了LED显示，分别表示MSP4305V供电电压正常（蓝光）、3.3V供电电压正常（蓝光）、系统正常启动（蓝光）、过压显示（蓝光）。

[4].本地控制器模块

芯片选择依据：

TI公司生产的通用芯片。

根据第1节中的论证，本设计采用了线性功率MOSFET，所以模拟方式是较好的实现方案，因为PWM模块会导致系统电流纹波加大且引入噪音。

所以本设计选取了TI的通用放大器系列的产品LM324，四运放的集成放大器。

单片LM324模块会完成电流放大、稳压、PI|调节的功能，为最经济实惠的方案。

[5].系统控制模块

TI推荐的MSP430是系统默认选项，由于在本设计中单片机不参与高速的控制回路运算，所以8M主频的MSP430F169完全满足要求。

MSP430的数字I/O高达48个，同时拥有丰富的外设，适合与多种设备进行接口，也便于本设计的进一步扩展。

[6].功率级模块

采用绝缘栅型场效应管构成的电子负载，控制灵敏度高、工作速度快，既无机械接触点，也无运动部件，适合模拟速度较快，电流稍小的实际负载。

二、系统的硬件设计与实现

[1].电源模块实现

采用外接18-24V辅助电源，经7815，7805，AMS1117/3.3芯片得到5V电压。

部分原理图如图2-1所示。

图2-1部分电源模块原理图

硬件设计如如2-2所示。

图2-2键盘模块设计原理图

显示模块采用GZL12864的LCD屏，根据厂家推荐设计外围电路，使用了MSP430的P1口进行并口数据传输。

[4].本地控制器模块硬件设计

本地控制目标为带过压保护的恒流，先对恒流模式进行设计，如图2-3所示，负载电流经过采样电阻，被一级正比例环节放大、滤波，与给定参考值进行比较后一个三极点-二零点的PI调节器，输出一个稳态值作为MOSFET的门控电压，从而得到稳定的反馈电流。

本功能使用了单片LM324。

图2-3电流控制模块原理图

要求系统静差为零的情况下引入负反馈，需要对其进行控制系统分析。

根据MOSFET的输入特性曲线和器件参数，可以得到恒流控制下的MOSFET模型为一个比例环节与R-C滤波环节的级联波形，为一阶系统。

电流反馈回路可以由H（s）建模，可以从图中得到

而PI调节器传递函数为：

利用MATLAB进行控制系统设计，波特图如图所示

图2-4系统传递函数波特图

由波特图可知，系统幅值裕量为-30dB，相位裕量约为-90°

，直流增益很大，而相比未经补偿之前的系统，其静态增益很小，且响应速度相对较低。

经过控制系统设计，不但使得静态放大倍数增大，静态误差减小，而且提高了系统的快速性。

电压控制模块为了保护系统，故对其控制系统的要求不高，系统采用了单极点单零点的PI调节器，如图2-5所示。

采样电压经过跟随器、PI调节器输出作为MOSFET管的门极输入，当采样电压大于规定值时，经PI调节后，输出使得MOSFET关断，从而实现过压保护。

图2-5电压控制模块原理图

两个控制回路的整合如图2-6所示，根据谁低谁输出的原则，可以限制恒压的上限为18V，18V一下为任意恒流控制。

图2-6带有过压保护的恒流模式选择电路

[5].功率级模块

功率模块采用IXYS的IXTA-TP80N10T（100V80A）该器件完全可以工作于最大18V1A的情况下。

图2-7直流电子负载模块原理图

三、系统程序设计

对于本系统，软件设计是系统控制的核心，是实现接口功能的关键。

3.1主系统流程图及主函数

图3-1主程序流程图

图3-2主程序源代码

3.2模拟开发软件

使用的开发软件是IAR仿真软件，他是一种用于卡发不同应用不同的目标处理器的灵活的集成环境，提供一个方便的窗口界面用于迅速的卡发调试，可以使用C、C++\汇编等多种语言开发。

3.3编程注意事项

在软件编程时的应注意的几点事项：

（1）所有功能模块都封装分子函数，方便于在其他函数和主函数中调用，简化主函数并使其看起来比较清晰，也可以封装成库函数。

（2）尽量定义全局变量，方便在IAR中调试时观察变量中的值。

四、作品性能测试与分析

4.1所用仪器和测量工具

测试主要用到YB1732A-3A直流稳压电源、数字型万用表、TPS2024数字型示波器。

样机如图4-1所示。

图4-1简易电子负载样机

4.2调试方法和过程

测试方法：

给各模块通电，将数字式万用表接入主电路，通过按键调节参考电流的大小，记录相应的输出电流值。

将测量值与参考值进行比较，得到的误差数据如图4-2至4-6所示：

图4-2输入电压10V时全范围电流测试误差图

图4-3输入电压9V时全范围电流测试误差图

图4-4输入电压5V时全范围电流测试误差图

表4.2.4Vin=1V

图4-5输入电压1V时全范围电流测试误差图

图4-6输入电压0.5V时全范围电流测试误差图

4.3误差分析

（1）电阻阻值受温度影响

（2）由于采用的通用运放，且没有做分段处理，电流测量不够精准

4.4总结

单片MSP430为核心进行整体控制，实现了电子负载的电流和电压调整，保证相应情况下电流和电压的稳定，很好地实现了参数调整和显示，完成了所有的基本要求和部分扩展要求。

设计过程中遇到许多问题，如LCD无法正确显示，运放不能正常工作等，最终在不断地调试过程中得以解决。

在很多地方，系统仍需要改进。

五、参考文献

[1]童诗白华成英模拟电子技术基础.高等教育出版社，2006

[2]胡寿松自动控制原理.科学出版社，2007

[3]秦龙MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲.电子工业出版社，2006

[4]MSP430x1xxFamilyUser’sGuide,TexasInstrument.2006

[5]LM124/LM224/LM324/LM2902LowPowerQuadOperationalAmplifier,2010

六、附录

表6-1核心器件

器件

数量

厂家

MSP430F169

1

TexasInstrument

LM324

2