1、1专业综合设计报告院（系） 自动化学院 专 业 自动化 设计（论文）题目 程控电子负载的研制 学 生 姓 名 郭方洪 学号 08006236 指 导 教 师 符影杰 顾 问 教 师 日期 2010 年 3 月 12 日2目 录一背景介绍11.1 负载的定义 11.2 电子负载的定义 11.3 直流电子负载的特点11.4 直流电子负载的工作区域 11.5 直流电子负载的工作模式 11.6 电子负载的研究现状21.7 本课题的研究内容 4二电子负载系统硬件电路设计52.1 电子负载系统方案设计 62.1.1 主电路方案设计 62.1.2 驱动电路方案设计 62.2 采样电路方案设计 6三电子负载系
2、统分析83.1 电子负载系统软件方案设计 83.1.1 键盘程序设计 93.1.2 液晶程序设计 103.1.3A/D 采样程序设计 113.1.4PWM 程序设计 123.1.5 制算法程序设计 13五分析与总3结16一、背景介绍1.1 负载的定义在电路中，负载是指用来吸收电源供应器输出的电能量的装置，它将电源供应器输出的电能量吸收并转化为其他形式的能量储存或消耗掉。如电炉子将电能转化为热能；电灯将电能转化为光能；蓄电池将电能转化为化学能；电机将电能转化为动能。这些都是负载的真实表现形式。负载的种类繁多，但根据其在电路中表现的特性可分为阻性负载、容性负载、感性负载和混合性负载。在实验室，我们
3、通常采用电阻、电容、电感等或它们的串并联组合，作为负载模拟真实的负载情况进行电源设备的性能试验。1.2 电子负载的定义电子负载是利用电子元件吸收电能并将其消耗的一种负载。其中的电子元件一般为功率场效应管（power MOS） 、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率半导体器件。由于采用了功率半导体器件替代电阻等作为电能消耗的载体，使得负载的调节和控制易于实现，能达到很高的调节精度和稳定性。同时通过灵活多样的调节和控制方法，不仅可以模拟实际的负载情况，还可以模拟一些特殊的负载波形曲线，测试电源设备的动态和瞬态特性。这是电阻等负载形式所无法实现的。电子负载就是用电子器件实现的“负载”功能的设备。它通
4、过改变内部功率器件的导通量控制其工作状态，从而调节功率器件消耗电能的状态，可以方便地实现可变负载的功能。电子负载不仅可以模拟真实环境中的负载，还能够准确检测出负载电压，精确调整负载电流，同时可以实现模拟负载短路、负载的阻性或容性、容性负载电流上升时间等。电子负载已经成为设计研发、生产线及检测等方面的有力工具。在国民生产的多个领域都要用到负载测试。如通讯电源出厂试验、各种整流柜出厂试验、牵引动力试验、大功率充电电源试验、蓄电池放电试验、电机出厂试验、柴油机及汽油机出厂试验、汽车动力性能试验、电解电镀电源出厂试验等场合都需要负载测试。当前，国内外对上述产品的试验一般都采用传统的静态负载（如电阻、电
5、阻箱、滑线变阻器等）能耗放电的办法进行。1.3 直流电子负载的特点相对大功率电阻负载，直流电子负载具有以下特点：1. 易于控制加载和去载，便于负载测试。2. 负载精度高。3. 负载稳定性好。4. 可实现特殊波形的动态负载和瞬态负载。5. 无机械触点负载调节，可靠性高。6. 良好的散热设计、寿命高。7. 一般具有较强的测量和分析控制功能。1.4 直流电子负载的工作区域直流电子负载的工作区域为最大输入电压、最大输入电流、最大输入功率三条曲线所包围的区域。不允许超出该工作区域使用，否则可能损坏电子负载。1.5 直流电子负载的工作模式直流电子负载最基本的工作模式是定电流模式和定电阻模式。一般的电子负载
6、都具有这两种模式，主要应用于对电压源的测试和老化。定电压模式主要应用于对电流源和电池充电器的测试。定功率模式主要应用于电池容量的检测。动态负载模式时，负载值并不是4稳定不变的，而是随时间变化的。用于对电源供应器及功率电子元器件的动态和瞬态特性测试。由于动态负载需要实时地调整负载变化，一般较高档的电子负载才具有此功能。1、 定电流模式（CC mode ）在定电流工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的电流值保持恒定，与输入电压大小无关，即负载电流保持设定值不变。2、 定电阻模式（CR mode ）在定电阻工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定负载电阻和输入电压的大小而定，此时负载
7、电流与输入电压成正比例，比值即是所设定的负载电阻，即负载电阻保持设定值不变。3、 定电压模式（CV mode）在定电压工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的负载电压而定，此时负载电流将会增加直到负载电压等于设定值为止，即负载电压保持设定值不变。4、 定功率模式（CP mode）在定功率工作模式时，电子负载所流入的负载电流依据所设定的功率大小而定，此时负载电流与输入电压的乘积等于负载功率设定值，即负载功率保持设定值不变。1.6 电子负载研究的现状电子负载的原理是控制内功率 MOSFET 或晶体管的导通量（占空比大小） ，靠功率管的耗散功率消耗电能的设备。从电源类型来看，电子负载可分为直
8、流电子负载和交流电子负载两种。直流电子负载比起交流电子负载，应用的历史较长，范围更广。最初在实验室，利用电力电子器件的特性，通过分析等值电路，用电力电子元件搭建电子电路来模拟负载，可以实现定电阻、定电压等特性。随后又有工作人员将单片机技术应用到电子负载中，逐步可实现电流模式和课编程斜率模式。单片机技术与变换器电路的密切结合还使得电子负载可以工作在其它多种模式下：定功率模式、动态电阻模式、短路模式等。随着功率场效应晶体管（） ，绝缘栅双极型晶体管（）和场效应晶闸管（，）等主要开关器件的出现以及电力电子变换器拓扑的发展，由于变换器能更好的将一种电能变为另一种或多种形式的电能，交流电子负载也得到了实
9、现。交流电子负载是可以模拟传统真实阻抗负载的电力电子装置，它能模拟一个固定或变化的负载，甚至将试验的电能反馈回电网，其设计初衷是交流电源的出厂试验。交流电源出厂试验通常采用电阻箱耗能的办法，它存在调节不便、自动化程度低、耗电量大等缺点，而采用交流电子负载进行试验可以有效地克服这些缺点，它可使试验更加简单、灵活，而且大大降低试验成本。文献【1、2】所提的电子负载是专用于不间断电源（UPS）老化放电试验的，它们都能实现试验能量的回馈，但均存在一些缺点。文献【1】提出的电子负载以 UPS 中的AC/DC 变换器作为负载，因此只能对 UPS 进行试验，同时输出功率的大小也与 AC/DC 变换器的结构和
10、工作方式有关，不具备通用性；文献【2】提出的电子负载可以使 UPS 输出电流谐波畸变率较小，但 UPS 输出电压必须与电网电压同频。文献【3】研制的电子负载适用于各种交流电源试验，电源的频率可以不同于电网的频率。它在输入侧具有与真实阻抗负载相同的特性，因而可取得更加“真实”的试验效果，同时还能将试验能量回馈到电网，从而大大降低试验成本。下面我们简单了解一下耗能电子器件的分类。从电子器件来分，可分为晶体管式电子模拟负载、场效应管式电子模拟负载和绝缘栅双极型晶体管式电子模拟负载。5晶体管式模拟负载：晶体管式通过一定的工艺，将两个 PN 结结合在一起的器件。通过基极电流可以控制集电极电流，从而可以达
11、到控制晶体管作为一个可变负载的目的。文献【4】中利用大功率晶体管作为一个电子负载，晶体管作为负载连接电池和光电装置，是加在晶体管基极和集电极的电压， 是光电装置上的压降。通过触发单元来调节shiftUpvU，从而达到调节 ，使得 的变化接近短路和开路两种工作状态。如式（1.1）bepv（1.1）beshift在文献【5】中，由大功率晶体管构成的功率恒流源充当负载，通过吸收电源提供的大电流，从而模拟复杂的负载形式。即通过将恒压、恒流、恒阻误差信号经过放大，再送入逻辑或控制电路，用选中的误差信号来调整晶体管的内阻，以达到模拟变化负载的目的。由于晶体管属于电流控制型的器件，在控制变化速度上较慢，因此
12、适合模拟一些电流恒定或是变化缓慢的实际负载。其次，晶体管还存在温度系数为负的问题，所以在使用过程中还需要考虑温度补偿的问题。场效应管式电子模拟负载：场效应晶体管（MOSFET）工作在不饱和时，漏极与源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅-源电压控制的可变电阻。用 MOSFET 作可变电阻具有工作速度快、可靠性好和控制灵敏等优点，而且既无机械触点，也无运动部件，噪声低，寿命长。但是 MOSFET 得通态电阻较大，且负载电流较小。所以 MOSFET 适合模拟一些变化速度较快，但电流不大的实际负载。文献【6】中，给出了传统的以 MOSFET 作为电阻负载的原理图，见图一。由图可以看出，通过运放及反馈来
13、控制 MOSFET 的栅极电压，从而达到其内阻变化的目的。图一 电子负载模拟图绝缘栅双极型晶体管式模拟负载：绝缘栅双极型晶体管，简称 IGBT，当 IGBT 工作在不饱和时，射极与集电极之间的伏安特性可以看作是一个受栅极电压控制的可变电阻。与晶体管相比，它的响应速度快；与 MOSFET 相比，它的负载电流大。通态阻值变化范围从0.01-2 欧姆。文献【7】中采用 IGBT 来模拟动态电弧，如图二所示。将事先已测得的电弧6阻值变化通过单片机编程，来控制 IGBT 栅极电压的变化，从而达到 IGBT 作为可变负载时的阻值变化。这种电子模拟负载是用来完成对弧焊电源动态特性的测试。可编程波形发生器驱动
14、电路 保护电路弧焊电源 I G B T 模块 实时测试与分析系统 P C 机电流传感器图二 电子模拟负载结构框图1.7 本课题的研究内容本课题要求设计制作一台程控直流电子负载的原理性实验样机。它以 MOSFET 和MCS-51 单片机为核心器件，通过设计 MCS-51 单片机测控电路和应用程序，控制MOSFET 的工作状态， 模拟一个电阻值可变的单极性直流负载。在可变电压源供电条件下，要求该程控直流电子负载能够模拟恒流（CC）负载特性， 即当 MOSFET 输出端电压变化时，其输出电流保持一个预先设定的固定值。在此基础上，通过进一步应用编程，使该电子负载能够模拟一个参数可变的 RC 串联负载的
15、特性，即当即当 MOSFET 输出端电压加上阶跃电压后，其输出电流的时间变化符合一个预先设定 R、C 参数的串联负载的电流特性（即输出电流为 C 的充电电流变化过程） 。7二、电子负载系统硬件电路设计211 电子负载系统方案设计电子负载的功率电路主要包括场效应管（MOSFET） 、功率耗散电阻和滤波电容。场效应管是一种单极型晶体管，它只有一个 P-N 结，在零偏压的状态下，它是导通的，如果在其栅极(G)和源极 (S)之间加上一个反向偏压( 称栅极偏压)，在反向电场作用下，P-N 变厚(称耗尽区) ，沟道变窄，漏极电流变小。当反向偏压达到一定时，耗尽区将完全沟道“夹断“，此时，场效应管进入截止状
16、态。绝缘栅型场效应管分为增强型和耗尽型两种，我们称在正常情况下导通的为耗尽型场效应管，在正常情况下断开的为增强型场效应管。增强型场效应管特点：当 UDS=O 且 UGs0 时，栅极电流为零。当 UGs 增大时，形成一个 N 型薄层，称为反型层，这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅源电压称为开启电压 UGS。场效应管属于为电压型控制元件，具有正的温度系数，开关频率高，易于并联使用。但由于场效应管的通态电阻大，负载电流小，因此需要串入功率耗散电阻。工作在不饱和区时，漏极与源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅源电压控制的可变电阻。电子负载系统设计要求的电流工作范围是：0-1A ；
17、电压工作范围是：10-30V。根据系统的设计参数，取一定裕量，并考虑实验过程中的不定因素，选择 N 沟道增强型MOS 管 IRF540，最大耐压 100V，最大电流 30A。对于其通态电阻较大，且负载电流较小的缺陷，通过串入功率耗散电阻来解决。其特性曲线如下：8图三 MOSFET 特性曲线图它有三个工作区域：可变电阻区、恒流区及夹断区，如图中所标注。2.1.1 主电路方案设计主电路共用四个 MOS 管，两个并联为一路，两路并联。电路如下图所示。图四 主电路原理图其工作原理如下：Vout 为电压采样电路的输入端，由于电子负载电压输入范围比较宽，电压较高，在采样前用两个电阻进行了分压设计。然后再检
18、测其中的电压，大大降低了电压采样电路所需要的芯片要求。为了实现电子负载的可调性，设计中用 PWM 波形的占空比来调节 Q1Q4 管的导通和关断时间。通过 pwm 占空比的控制来调节电流的大小，通过 cout1 和 cout2 端来检测电流的大小进而再控制占空比的大小来调节电流，知道得到预定的电流值为止。2.1.2 开关管驱动电路方案设计为了阻止电源的噪声干扰影响驱动电路的输出，致使 MOS 管非正常开通或关断发生事故，所以在驱动电路输出与 MOS 管电路之间使用光耦 TLP250 芯片隔离，有效地解决了模拟信号与单片机应用系统电气隔离问题。原理图如下：9图五 开关管驱动电路原理图其工作原理说明
19、如下：因为主电路电压均为大电压、大电流情况，而控制单元为弱电电路，所以它们之间必须采取光电隔离措施，以提高系统抗干扰措施，可采用带光电隔离的 MOSFET 驱动芯片TLP250。光耦 TLP250 是一种可直接驱动小功率 MOSFET 和 IGBT 的功率型光耦，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达 1.5A。选用 TLP250 光耦既保证了功率驱动电路与PWM 脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动 MOSFET 的能力，使驱动电路特别简单。如图可见强电和弱电的分离是通过 TLP250 来实现的，其 PWM 控制信号经过 TLP250 光耦，放大、整形之后驱动功率 MOSFET(IRF54
20、0)。输入电枢绕组的直流电压经过 PWM 斩波调制之后，形成所需的控制直流电压。正是通过 TLP250 来驱动功率器件的通断，将设计者的控制思想通过功率器件的通断来加以实现。2.2 采样电路方案设计A/D 是监测和测量环节的重要技术手段，为了让负载准确工作在不同方式下，设计中对被测电源的输出电压和 MOS 管的电流进行实时采样。采样 A/D 选用的 AD 公司的 16 位精度的 A/D 芯片 AD7705,。采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，从功率电路采集实际工作电压和电流，反馈到单机片，实现自动调节。电压采样电路中，由于电子负载的输入电压范围比较宽，电压较高，采样前首先进行了分压设计。
21、为了避免电源噪声、电磁干扰的影响，避免强电流功率电路对控制电路的损害，电压采样电路中选用了隔离放大器 HCPL-7840 对主电路和控制电路进行了隔离。图所示为电压采样电路原理图。10图六： 电压采样电路原理图图中，被试电源两端的电压 U 与隔离放大器输入电压即采样点电压 Ui 关系为 电流采样电路中，首先借助采样电阻将电流信号转换为电压信号，再对电路进行隔离，选择带短路和过载检测功能的隔离运放芯片 HCPL-788J。该芯片不仅具有隔离功能，而且具有内部比较器，能在电流发生突变后 5 向单片机发出中断信号，可以避免功率电路出现故障时由于保护不及时损毁 MOSFET。HCPL-788J 的输入
22、范围是：-250mV+250mV，对应的输出是 04V.图七为电流采样电路原理图11图七 电流采样电路原理图图中 ，负载电流 I 与隔离放大器 HCPL-488J 的输入电压 U1,U2 关系为三、电子负载系统分析3.1 电子负载系统软件方案设计电子负载系统采用“MCS-51 单片机+ 串口通讯+LCD 显示 +键盘操作+PWM 移相控制+功率管电路+A/D 转换”结合的技术方案；集控制、检测、变换、显示等功能于一体的设计方法。设计出最大功率为 100W，电流 0-10A，电压 2-60V 的直流电子负载，实现恒压、恒流、恒阻、恒功率等工作模式。12系统初始化开始有键按下A / D查询键值是否
23、启 / 停键 ？实际值模式预设值+移位-工作方式L C D 显示比较P W M 调节图六 软件流程图软件首先进行 A/D、LCD、串口、 PWM、数组、控制变量的初始化工作。然后执行子任务 1 或子任务 2.子任务 1 主要完成负载的设置；任务 2 主要是完成负载的闭环调节。由于 LCD 显示、A/D 采样、数据处理、键盘扫描都要占用较长的处理器时间，影响系统的调节速度，因此在软件实现时，把系统设置和自动调节分为两个独立的子任务分开来完成。两个子任务的界定和完成靠启动/停止按键实现。没有按下该键时，默认为功能设置，此时单片机只执行工作方式设定、预置数据输入、按键查询、预置数据 LCD 显示等功
24、能；而当按下该键 1 次后，单片机将转为执行组在调节、A/D 采样、实际数据 LCD 显示等功能。在设置时，系统不进入调节；在调节时，系统不进入设置。312 按键程序设计13键盘处理程序采用查询方法来实现按键的识别。每次主循环，都要调用按键查询程序。键盘扫描按键测试是否有键按下延时消抖是否有键按下判断键值按键是否释放延时消抖返回图八 键盘子程序流程图（1） 判断是否有键按下由于按键被按下时，相应单片机输入线的电平被拉低。因此，为判断是否有键按下，可先由单片机读入端口的值，若端口为低电平，则表明有键按下；否则表明无键按下。（2） 确定按下的是哪个键对单片机的端口进行译码，就可以得到当前按键的键值
25、。（3） 等待按键释放确定完按键的编码以后，还需要判断按键的释放。按键被释放以后就可以根据键盘扫描程序返回的按键编码调用相应的子程序进行处理。（4） 返回键值键盘扫描程序将按键的键值返回到主程序，以便主程序执行相应的键盘处理程序。（5） 按键的消抖处理由于按键式机械触点，因此用手按动一个键时，在按键的断开和闭合瞬间回出现电压抖动。14为了保证按键识别的正确，在电压抖动的时候不能进行状态的输入。为此，程序中增设了消抖处理，使单片机获得按键被按下的信息后，并不立即确定按键被按下，而是延时1ms 后再次检测相应的端口，如果按键仍为按下状态，则说明按键确实被按下；同样，在单片机检测到按键释放后，程序同
26、样也延时 1ms，进行后沿的消抖处理，然后再处理键值。3.1.2 液晶显示程序设计LCD 显示部分采用了 12864 点阵的液晶模块，该液晶模块选用的是小型化的封装形式，尺寸有 54mm50mm。内置 KS0108B 及其兼容控制驱动器（例如 HD61202）作为列驱动器，同时使用 KS0107B 及其兼容驱动器（例如 HD61203）作为行驱动器。由于液晶模块有专用的控制器，设计时通过将 I/O 口引出与液晶模块直接连接的方式进行控制。与单片机的接口如图 3-14 所示，数据线(D0-D7)接主控制器的GPIO(P0.3P0.9)，LDI 为数据/指令信号，LRW 为读/写信号，LE 为使能
27、信号。LCD 液晶模块的管脚定义如表 3-2 所示。1 2 3 4 5 6 7 8 9PZ210K*8D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D71234567891011121314151617181920J3CON20D0D1D2D3D4D5D6D7LDILRWLER510KVccVccVccLS1LS2R1 R2 R3R4C1图九 LCD 接口电路管脚号 管脚名称 方向 管脚功能描述1 VSS - 电源地2 VCC - 电源正3 V0 I 对比度（亮度）调整，应用时接 10K 电位器可调端4 RS(CS） I RS=“H”,表示 DB7DB0 为显示数据RS=“L”,表示 DB7DB0
28、 为显示指令数据5 R/W(SID) I R/W=“H”,E=“H”,数据被读到 DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0 的数据被写到 IR 或 DR6 E(SCLK) I 使能信号，高电平有效，下降沿锁定数据7-14 DB0-DB7 I/O 数据输入输出引脚15 LS1 I 片选择信号，高电平时选择左半屏16 LS2 I 片选择信号，高电平时选择右半屏17 /RESET I 复位信号，低电平有效18 VEE O LCD 驱动，负电压输出19 LEDA - 背光源正端（+5V）1520 LEDK - 背光源负端（0V）表一 LCD 液晶模块管脚定义3.1.3A/D 采样程序设
29、计1.AD7705的简介AD7705是ADI公司新推出的16位-模数转换器，器件包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路、 -调制器、可编程数据滤波器等器件，能直接将测量到的多路信号进行A/D转换，该器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪音性能以及低电压低功耗等特点，非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。它采用了三线串行接口，有两个差分输入通道，能达到0.003%非线性16位无误码输出，其增益和输出更新率都可以编程设定，还可选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式，工作电压3V或5V。AD7705是完整的16位A/D转换器，外接晶体振荡器、精密基准源和少
30、量的去耦电容，即可连续的进行A/D转换。它是采用了成本较低但能获得极高分辨率的-转换技术。该器件的主要部分及特性是(1).增益可编程放大器AD7705包括两个全差分模拟输入通道。片内的增益可编程放大器PGA可选择1、2、48、16、32、64、128等八种增益。能将不同摆幅范围的各类输入信号放大到接近A/D转换器的满标度电压再进行A/D转换，由于系统前端有调理电路，因此本系统采用的增益是1。(2).数字和模拟滤波AD7705包括一个片内低通数字滤波器，用它处理器件的-调制器的输出信号，所以AD7705不仅提供模数转换功能，而且具备一定的滤波功能。数字滤波发生在模数转换之后，它能够消除模数转换工
31、程中产生的噪音，同时依靠数字滤波器大设计，用户可以编程截止频率和输出更新频率。(3).校准和自校准为了提高A/D转换质量，AD7705提供自校准和系统校准两种功能。每当环境温度或工作电压发生变化时，必须要进行一次校准。对于自校准方式，校准过程发生在器件内部一次采样完成之后。AD7705内部设置AIN(+)端和AIN(-)端为相同的偏置电压，以校准零标度；满标度是在一内部产生的VREF电压和选定的增益条件下进行的。系统校准是对整个系统增益误差和偏移误差，包括器件内部误差进行校准的。在选定的增益下，先后在外部给AIN(+)端施加零标度电压和满标度电压，先校准零标度点，然后校准满标度点。根据零标度和
32、满标度的校准数据，片内的微控制器计算出转换器的输出率，对误差进行补偿。(4).数字接口AD7705的串行数据接口包括5个接口信号，其中片选输入CS、串行时钟输入SCLK、数据输入DIN、转换输出DOUT用于传输数据，状态信号输出口DRDY用于指示什么时候数据寄存器的数据准备就绪，当DRDY为低电平时，转换数据可用，当为高电平时，输出寄存器正在更新数据，不能读出数据。(5).片内寄存器AD7705包括8个寄存器，均可以通过器件的串行口访问。对芯片的所有操作都必须先从写通信寄存器开始。当上电或复位后，芯片的等待指令数据即被写入通信寄存器。下面介绍几个常用寄存器。通信寄存器通信寄存器是可以读、写的8
33、位寄存器，其具体的格式如下： 16格式中括号内的数字为上电复位的缺省值，左边为最高位，右边是最低位。现说明如下：/DRDY:写操作时，必须把“0”写到此位，以保证对通信寄存器写操作的顺利完成。若将“1”写到此位，则后续的各位将不能被写入该寄存器。RS2RS0:寄存器选择位。用于选择下次操作要访问的寄存器。常用的寄存器有通信寄存器（000），设置寄存器（001）和数据寄存器（011）等。R/W：读/写选择，用于指明下次对寄存器的操作是读还是写。STBY：等待模式。写“1”时，器件处于等待或掉电状态，此时电流约为10uA。写“0”时为正常工作模式。CH1、CH0:输入通道选择。 设置寄存器MD1(
34、0) MD0(0) G2(0) G1(0) G0(0) )0(/BUBUF(0) FSYNC(1)设置寄存器也是一个8 位寄存器，该寄存器必须先在通信寄存器中选择后才能进行读或写。它主要用于选择工作模式和输入增益。MD1-MD0:工作模式的选择，可以选择自校准模式、满量程模式和正常模式。G2-G0: 增益选择。AD7705能够测量微弱信号，增益在1128之间可选。 时钟寄存器ZERO(0) ZERO(0) ZERO(0) CLKDIS(0) CLKDIV(0) CKL(1) FS1(0) FS0(1)时钟寄存器是一个可读可写的8位寄存器，主要用于设置输出更新速率。数据寄存器数据寄存器是一个16
35、 位的只读寄存器，用于存放AD7705的最新转换结果。2AD7705的硬件设计AD7705是串行接口的，在系统中采用了GPIO来模拟串口方式通过快速光耦6N137与MCS-51进行隔离连接。其他控制管脚通过普通光耦连接到单片机的。其原理图如图六所示。SCLK1MCLKin2MCKout3CS4RES5Ain2(+)6Ain1(+)7Ain1(-)8 Refin(+) 9Refin(-) 10Ain2(-) 11DRDY 12DOUT 13DIN 14Vdd 15GND 16U217705Y32.4576MHZC2430pFC2330pF0V0V 0VC1010uFC250.1uF+2.5V0V
36、0VC1110uF C260.1uF+5V0VAD_CSAD_RESAD_CLKAD_MOSIAD_MISOAD_DRDYN/C1 VF+2VF-3 N/C4 GND 5VO 6VE7VCC 8S16N137VDD3.3 R251KP1.17/7705_CLK0VC270.1uF+5VR4910KAD_CLKN/C1 VF+2VF-3 N/C4 GND 5VO 6VE7VCC 8S26N137VDD3.3 R291KP1.19/7705_WDATA0VC290.1uF+5VR5410KAD_MOSIN/C 1VF+ 2VF- 3N/C 4GND5 VO6 VE7 VCC8S36N137VDD3
37、.3R301KAD_MISOC280.1uF+5VR5310KP1.18/7705_RDATAAD_IN10V17图十 AD7705 与 MCU 原理接线图及光耦隔离3.1.4PWM 程序设计MCS-51 的脉宽调制器 pwm（Pulse Width Modulator）建立在标准定时器 0/1 之上。应用可在 PWM 和匹配功能当中进行选择。PWM 基于标准的定时器模块并具有其所有特性。不过 MCS-51 只将其 PWM 功能输出到引脚。定时器对外设时钟（pclk）进行技术，可选择产生中断或基于 7 个匹配寄存器，在到达指定的定时值时执行其他动作（设置为高/低电平、翻转或者无动作） 。它还包
38、括 4个捕获输入，用于在输入信号发生跳变时捕获定时器值，并可选择在事件发生时产生中断。PWM 功能是一个附加特性，建立在匹配寄存器事件基础之上。PWM 可独立控制上升沿和下降沿的位置，这样使它能应用于更多的领域。例如，多相位电机控制通常需要 3 个非重叠的 PWM 输出，而这 3 个输出的脉宽和位置需要独立进行控制。两个匹配寄存器可用于单边沿控制 PWM 输出。PWMMR0 控制 PWM 周期率，另一个匹配寄存器（PWMMR1PWMMR6）控制 PWM 边沿的位置。每个额外的单边沿 PWM 输出只需要一个匹配寄存器，因为所有 PWM 输出的重复速率是相同的。多个但边沿控制PWM 输出在每个 P
39、WM 周期的开始，当 PWMMR0 发生匹配时，都有一个上升沿。3 个匹配寄存器共同控制一个双边沿 PWM 输出。PWMMR0 控制 PWM 的周期速率，其他匹配寄存器(PWMMR0PWMMR6)控制两个 PWM 边沿位置。每个额外的双边沿PWM 输出只需要两个匹配寄存器，因为所有 PWM 输出的重复率速率是相同的。使用双边沿控制 PWM 输出时，指定的匹配寄存器控制输出的上升沿和下降沿。这样就产生了正脉冲（当上升沿先于下降沿时）和负脉冲（当下降沿先于上升沿时） 。3.1.5 控制算法程序设计18开始A / D 采样实际电压 预置电压比较电压偏差量 U调节 P W M 占空比电路调节图十一 控
40、制算法流程图控制算法程序采用了比较法和模糊控制技术。首先通过部分关键点的试验，确定了电流、电压随比较寄存器、PWM 占空比变化的趋势关系，数据如表二。表二 定点试验数据序号 占空比 比较寄存器值 显示电压 显示电流1 25% 0x0300 34.0 0.92 48.5% 0x020f 24.9 1.73 50.0% 0x0200 24.9 1.84 73.5% 0x010f 15.7 2.65 75.0% 0x0100 12.7 2.76 98.4% 0x000f 3.5 3.5（1）当单片机占空比由 0%向 100%变化时，对应比较寄存器值由 0x03ff 向 0x0000 变化，MOS 管
41、两端电压由大到小连续变化;(2)当单片机占空比由 0%向 100%变化时，对应比较寄存器值由 0x03ff 向 0x0000 变化，流过 MOS 电流由小到大连续变化;19设预置电压为 ，预置电流为 ，实际电压为 ，实际电流为 ，控制规则可以用yUyIsUsI条件语言来描述如下:如果 低于 ，那么应该增加比较寄存器的值，低得越多，则比较寄存器值增加越多;sy如果 低于 ，那么应该减小比较寄存器的值，低得越多，则比较寄存器值减小越多;sI如果 高于 ，那么应该减小比较寄存器的值，高得越多，则比较寄存器值减小越多;sUy如果 高于 ，那么应该增加比较寄存器的值，低得越多，则比较寄存器值增加越多;s
42、I如果 ( )等于 ( )，则保持比较寄存器的值不变。syI其控制原理分析如下:(1)设电压偏差量 ，控制量 X 为比较寄存器增加的值。ysU(2)模糊化:设电压偏差量 U 的模糊子集为U=负大，负小，零，正小，正大控制量 X 的模糊子集为X=负大，负小，零，正小，.正大设定其相应的语言变量，并一记作:NB=负大NS=负小ZO=零PS=正小PB=正大(2)模糊规则:根据表 4.4 所示，模糊控制规则的语言形式可以表示如下:If U= NB then X=NBif U= NS then X=NSif U=ZO then X=ZOif U=PS then X=PSif U=PB then X= P
43、B恒压调节过程如下:当电子负载进入调节程序后，比较寄存器值初始化为最大值0x3ff。此时， PWM 占空比为 0%，MOS 管接近不导通状态， MOS 管两端电压最大，流过MOS 管的电流为最小值。然后启动 A/D 采集，获得当前的实际电压 ，与预置电压sU相比较，得到电压偏差量 U，根据上述的模糊控制规则，得到比较寄存器增加的值，从yU而引起占空比变化，待 MOS 管工作稳定后，返回检测实际值，再次把实际值和预置值比较，判断下一个时刻调节方向，引发新的调节过程。如此循环，连续调节，电子负载即可实现恒压工作。20五、分析与总结本文是在考察了目前相关研究领域的基础上，通过分析实际负载和模拟负载的
44、匹配性，合理地选择了比较法和模糊控制方法，设计了直流电子负载的系统。目前该系统存在以下需要改善的地方：1）选用更高精度的取样电阻和更高精度的 PWM 发生器来提高测量的精度。2）把热损耗回馈到电网上，实现能量的循环再生利用。六、参考文献1.C L Chu,J F Chen.Self-load Bank for UPS Testing by Circulating Current Method.Proc.IEEE Elect.Power Applicant.1994.141(4):191196.2.Ayres C A,Barbi I.A Family of Converters for Powe
45、r Recycling during UPSs Burn-in TestA.Proc.f IEEE 26th Annual Meeting of Power Electronics Conference,ESCC95.1995:1.486492.3潘诗锋，赵剑峰，王浔.大功率交流电子负载的研究. 电力电子技术.2006,40(1):97100.4.E.G.Mantingh etc.Ultimate transistor electronic load for electrical performance measurement of photovoltaic devices using pul
46、sed solar simulator.First WCPEC;Dec.5-9,1994 IEEE;Hawaii:871873.5.陆绮荣，李新. 电子负载的研制.桂林工学院学报.1999,（3）：2042086.Meng-Yueh Chang etc.Design and implementation of a real-time lossless dynamic load dimulator.1997 IEEE:734739.7.谢衍.一种新型动态电弧电子模拟负载的研究.电焊机.2004,(3):47798.丁瑞霞.新型电子负载的研究M.硕士研究生论文北京：北方工业大学，20089.朱金刚.智能电子负载的设计.实验技术与管理，2006，23（6）：262910.杨振吉，付永杰.电子负载的设计.计量技术，2003， （5）：242511.王超，刘志刚，沈茂盛.模拟化电子模拟功率负载系统的设计.电气应用，2005，25（9）：545712.杨长安,王蔚,赵亮，等.基于反馈控制的恒流型电子负载的实验研究.现代电子技术，2006， （14）：12712813.李宝昌.能馈式电子模拟功率负载的研制.北京:北方交通大学电气工程学院，1999
