四川省电子设计竞赛报告.docx
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四川省电子设计竞赛报告
2012年四川省TI杯电子设计竞赛
设计报告
题目：
简易直流电子负载（C题）
学校：
成都信息工程学院
（常乐电子技术专修学校）
指导老师：
参赛队员姓名：
日期：
2012年08月07日
摘要
本系统主要以TI公司CortexM3（LM3S1138）单片机为控制核心，设计恒流（CC）模式的直流电子负载，即无论电压如何变化，流过该电子负载的电流稳定，且电流值可设定。
包括控制电路（MCU）、驱动电路、采样电路、AD/DA、显示电路及供电系统等；能够检测被测电源的电流值、电压值、具有直流稳压电源负载调整率自动测量功能；各个参数都能直观的在液晶上显示。
关键字：
CortexM3恒流电子负载AD/DA稳定
目录
1系统方案1
1.1载波发生器模块的论证与选择1
1.2SPWM调制的论证与选择1
1.3全桥驱动模块的论证与选择1
1.4MCU控制系统的论证与选择1
1.5电源系统的论证与选择1
2系统理论分析与计算2
2.1系统设计要求的分析2
2.1.1基本要求分析2
2.1.2发挥部分2
2.2系统指标的计算2
2.2.1输出电压平均值2
2.2.2输出电流平均值2
3电路与程序设计2
3.1电路的设计2
3.1.1系统总体框图2
3.1.2载波电路子系统原理图3
3.1.3全桥电路子系统框图与电路原理图3
3.1.4电源4
3.2程序的设计4
3.2.1程序功能描述与设计思路4
3.2.2程序流程图5
4测试方案与测试结果5
4.1测试方案5
4.2测试条件与仪器6
4.3测试结果及分析6
4.3.1测试结果（数据）6
4.3.2测试分析与结论6
附录：
电路原理图7
简易直流电子负载（C题）
1系统方案
本系统主要由场管电路、电流检测、MUC控制系统、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1载波发生器模块的论证与选择
方案一：
ICL8038集成函数发生器。
ICL8038是一款性能优异的多用途波形发生器集成电路，振荡频率可以通过外加直流电压进行调节。
但ICL8038价格相当昂贵。
方案二：
用运放构成三角波发生器。
利用方波信号发生器和RC积分电路组成三角波发生器。
但此电路需要给运放进行双电源供电。
方案三：
用NE555芯片做三角波发生器。
NE555定时器构成三角波发生器，电路结构简单，只需单电源供电即可。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.2SPWM调制的论证与选择
方案一：
采用PWM调制。
由单片机产生方波，利用LM393比较器对单片机产生的PWM波进行调制。
但只能输出一路PWM信号。
方案二：
采用SPWM调制。
利用LM361进行PWM调制。
LM361可输出一组幅值相反的PWM信号。
综合以上二种方案，选择方案二。
1.3全桥驱动模块的论证与选择
方案一：
分立元件驱动。
采用分立元件构成开关电路进行驱动，但电路较复杂且驱动电流较小。
方案二：
采用驱动芯片。
运用IR2111集成芯片进行全桥驱动。
其外围器件少，电路结构简单，驱动范围10-20V适用于很多功率管。
综合考虑采用方案二IR2111芯片驱动。
1.4MCU控制系统的论证与选择
方案一：
采用89C51单片机作为控制芯片。
51单片机的编程较简单，成本较低，但功耗较大
方案二：
采用TI公司低功耗MSP430F2616。
430单片机虽编程较复杂，但其内部集成有AD、DA等资源，且功耗很低。
综合考虑采用TI公司高性能低功耗MSP430F2616作为主控芯片。
1.5电源系统的论证与选择
电源系统需要在输入25VDC±10%的情况下为系统提供±12V、+5V直流电压，主要可以采用两种方案：
方案一：
采用线性电源。
线性电源输出电压较稳定纹波系数小，但负载能力弱，且效率低，因此采用LM7812等线性三段稳压器件存在较大缺陷。
方案二：
采用开关电源。
开关电源会产生一定的纹波，但负载能力较强，且效率很高。
综合考虑采用方案二，用TI公司的高性能电源管理芯片TPS5430。
2系统理论分析与计算
2.1系统设计要求的分析
2.1.1基本要求分析
输入25VDC±10%，输出矩形脉冲波形，输出电压平均值0-20V，电流平均
值0-1A，V1在0-20V、V2在0-15V内可任意设定；高电平维持时间0.1-5S、低电平维
持时间0.1-5S可任意设定。
由基本要求可知系统需要输出两个稳定的直流电压信号V1和V2，且需利用单片机或者硬件电路对输出电压的幅值和周期进行调整。
2.1.2发挥部分
完成发挥部分的设计需要对输出的信号进行采样处理通过液晶屏显示。
利用采集到的电压和电流信号进行相应的数据计算和处理以达到设计要求。
2.2系统指标的计算
2.2.1输出电压平均值
=
2.2.2输出电流平均值
=
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图1所示：
图:
1系统总体框图
3.1.2载波电路子系统原理图
1、三角波发生器电路图
图2三角波发生器电路图
2、PWM调制子系统电路
图2PWM调制子系统电路
3.1.3全桥电路子系统框图与电路原理图
1、驱动电路图
图3全桥驱动子系统电路图
2、全桥电路
图4全桥电路
3.1.4电源
系统电源由滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供+5V、±12V电压，确保电路的正常稳定工作。
这部分电路用的事TI公司高性能电源管理芯片TPS5430。
图5系统电源电路
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现PWM波产生、输出电压电流采集与显示等功能。
1）PWM波产生：
与三角波进行调制驱动后级电路。
2）输出量采集：
对输出电压电流进行采集和计算并用液晶动态显示。
2、程序设计思路
通过按键中断对产生的PWM信号进行调整，用DAC中断采集输出量，对采集的信号进行归一化处理，最后进行显示。
3.2.2程序流程图
主程序流程图
图6程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试
采用学生电源输如25V左右的电压，首先用台式万用表检测电源系统是否正常工作，若正常则安装好芯片，用学生电源、函数信号发生器等模拟MCU的信号，根据设计要求通过示波器对输出信号进行检测判断系统是否符合要求设计要求。
采用台式万用表对输出的电压和电流进行检测。
2、软件仿真测试
根据设计要求将部分电路的程序用IAR仿真器以及MSP430F2616开发板进行仿真测试。
3、硬件软件联调
将硬件电路与MCU处理系统连接在一起进行联调，借助示波器、台式万用表等一起进行测试和验证。
4.2测试条件与仪器
测试条件：
检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：
模拟示波器，数字示波器，数字万用表。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果（数据）
20
负载
（V）
（V）
（s）
（s）
（A）
（A）
（V）
（A）
18
14
2
1
0.89
0.7
16.67
0.83
15
10
0.5
2
0.74
0.48
11.00
0.53
8
5
0.5
0.5
0.4
0.23
6.50
0.32
12.5
10.3
4
3.5
0.62
0.51
11.47
0.57
5
3.5
3
1.5
0.25
1.7
4.50
0.73
3
负载
（V）
（V）
（s）
（s）
（A）
（A）
（V）
（A）
20
15
2
2
0.66
0.45
17.50
0.56
12
10
1.5
4
0.35
0.32
10.55
0.33
9
6
0.8
1.2
0.28
0.19
7.20
0.23
15
13
4
2.5
0.5
0.42
14.23
0.47
5
4
2
1
0.17
0.13
4.67
0.16
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据，与设计要求进行分析比较，可以得出以下结论：
1、两路脉冲输出电压分别满足0-20V、0-15V可调，且波形比较完整；
2、输出脉冲周期满足0.1-5s可调；
3、输出波形能较好的显示。
综上所述，本设计达到设计要求。
附录：
电路原理图
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