1、 江蘇省大學生電子設計競賽（ti杯）設計報告參賽學校： 參賽隊員： 指導老師： 簡易直流電子負載摘要本系統使用ti公司的通用運算放大器實現底層控制，以msp430f169單片機為系統級控制核心，實現了實現了恒流負載模式、過壓保護、鍵盤輸入、數字顯示的功能。設計采用了模擬與數字混合的方案，單片機利用12位dac作為模擬控制器的可靠給定，模擬pi調節器有效減少靜態誤差、響應時間與超調。在系統設計上遵循準確、可靠、低成本的設計準則。經測試，該系統較好地實現了題目所要求的基本和發揮功能。關鍵詞msp430s169，pi 控制，恒流模式，過壓保護。abstractin this design, gene

2、ral purpose op-amp from ti is used for local control while controller msp430f169 is used as the system controller. the designed system can work under constant current sink mode with over-voltage protection, interface function is also provided for keyboard input and full digital display. with the pro

3、posed analog-digital hybrid control concept, the analog controller follows the reliable control demand issued by the high precision 12-bit dac from the msp430 controller, and zero steady-state error, controlled response time and over-shoot is achieved. the entire design follows three guide lines, hi

4、gh precision, high reliability and low cost. the experimental tests indicate that the objectives of proposal are achieved properly.keywordsmsp430f169，pi control, constant current mode, over-voltage protection.一、 方案的選擇與論證1.1 系統總體方案論證電子負載可分為能耗式與回饋式，本要求中的設計對象為小功率電子負載，故采用能耗是。一般市場上精度不高的電子負載多用開關式，而高速高精度電子

5、負載多用模擬方案。根據設計要求，擬定了6個方案，分別如圖1-1至圖1-6所示，提出的方案均具有短路保護功能。圖1-1與1-2中采用不用形式的buck電路，這種電路的缺點是輸入電流不連續，需要加大電容濾波，系統可靠性較低，且會改變被測系統的結構（輸出端并聯了電容）。圖1-3是buck-boost型，輸入電流也不連續，同樣需要加輸入濾波電容。圖1-4與1-5為電流源型變換器，但是系統造價過高，且輸入電流紋波同樣取決于開關頻率與電感值。圖1-6中為線性mosfet方案，控制mosfet門極電壓，保持mosfet工作在飽和區，控制mosfet內部電流。圖1-1 方案一：buck變換器a圖1-2 方案二

6、：buck變換器b圖1-3 方案三：buck-boost變換器圖1-4 方案四：cuk變換器圖1-5方案五：sepic變換器圖1-6 方案六：線性mosfet負載方案1-6可以使用模擬技術實現，以lm324放大器，電流控制模塊將采集的電流輸入控制器，控制器根據參考值將誤差放大生成mosfet的門極電壓。系統結構圖如1-7所示，本地控制由模擬器件完成，系統級的參考值給定由msp430的dac完成，同時msp430也實現人機接口的功能。表1-1分析了各種方案的優缺點，可以看出，線性mosfet作為負載的情況是性能最高，可靠性最高，成本最低的方案。圖 1-7基于線性mosfet的模數混合方案表1-1

7、各種方案比較性能拓撲輸入電流紋波emi主要器件數量可靠性成本buck (a)取決于電感電容大4個以上一般一般buck (b)取決于電感電容大4個以上一般一般buck-boost取決于電容大4個以上一般一般cuk取決于電感大4個以上一般高sepic取決于電感大4個以上一般高線性mos很小小1個高低1.2 本方案模塊設計論證根據題目要求，系統可以劃分為功率級模塊、本地控制器模塊、系統控制器模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、輔助電源模塊。為實現各模塊的功能與配合，先對各部分進行論證。1. 電源模塊本系統需要采用15v為運算放大器供電，5v電壓作為控制器中的參考電壓、msp430最小系統板的供電電壓以及lcd

8、屏的供電電壓、3.3v為msp430供電。 由于在競賽要求中未提出對輔助電源的要求，故采用18-24v的直流電壓對系統的輔助電源系統進行供電。考慮到噪音的影響，采用線性調壓芯片獲得各電壓等級。2. 鍵盤模塊鍵盤模塊的方案采用智能便攜設備中的功能鍵的思路，采用最少按鍵實現；分別為“參考值上調”、“參考值下調”、“on/off”鍵。3. 顯示模塊使用液晶顯示屏顯示負載電流和電壓，lcd具有輕薄短小，低耗電量，無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩定不閃爍等優勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等優點。另外系統中加入了led顯示，分別表示msp430 5v供電電壓正常（藍光）、3.3v供電

9、電壓正常（藍光）、系統正常啟動（藍光）、過壓顯示（藍光）。4. 本地控制器模塊芯片選擇依據：ti公司生產的通用芯片。根據第1節中的論證，本設計采用了線性功率mosfet，所以模擬方式是較好的實現方案，因為pwm模塊會導致系統電流紋波加大且引入噪音。所以本設計選取了ti的通用放大器系列的產品lm324，四運放的集成放大器。單片lm324模塊會完成電流放大、穩壓、pi|調節的功能，為最經濟實惠的方案。5. 系統控制模塊ti推薦的msp430是系統默認選項，由于在本設計中單片機不參與高速的控制回路運算，所以8m主頻的msp430f169完全滿足要求。msp430的數字i/o高達48個，同時擁有豐富的

10、外設，適合與多種設備進行接口，也便于本設計的進一步擴展。6. 功率級模塊采用絕緣柵型場效應管構成的電子負載，控制靈敏度高、工作速度快，既無機械接觸點，也無運動部件，適合模擬速度較快，電流稍小的實際負載。二、 系統的硬件設計與實現1. 電源模塊實現采用外接18-24v輔助電源，經7815，7805，ams1117/3.3芯片得到5v電壓。部分原理圖如圖2-1所示。圖2-1部分電源模塊原理圖2. 鍵盤模塊鍵盤模塊的方案采用智能便攜設備中的功能鍵的思路，采用最少按鍵實現；分別為“參考值上調”、“參考值下調”、“on/off”鍵。硬件設計如如2-2所示。圖2-2 鍵盤模塊設計原理圖3. 顯示模塊顯示模

11、塊采用gzl12864的lcd屏，根據廠家推薦設計外圍電路，使用了msp430的p1口進行并口數據傳輸。4. 本地控制器模塊硬件設計本地控制目標為帶過壓保護的恒流，先對恒流模式進行設計，如圖2-3所示，負載電流經過采樣電阻，被一級正比例環節放大、濾波，與給定參考值進行比較后一個三極點-二零點的pi調節器，輸出一個穩態值作為mosfet的門控電壓，從而得到穩定的反饋電流。本功能使用了單片lm324。圖2-3 電流控制模塊原理圖 要求系統靜差為零的情況下引入負反饋，需要對其進行控制系統分析。根據mosfet的輸入特性曲線和器件參數，可以得到恒流控制下的mosfet模型為一個比例環節與r-c濾波環節

12、的級聯波形，為一階系統。電流反饋回路可以由h(s)建模，可以從圖中得到而pi調節器傳遞函數為：利用matlab進行控制系統設計，波特圖如圖所示圖2-4系統傳遞函數波特圖由波特圖可知，系統幅值裕量為-30db，相位裕量約為-90，直流增益很大，而相比未經補償之前的系統，其靜態增益很小，且響應速度相對較低。經過控制系統設計，不但使得靜態放大倍數增大，靜態誤差減小，而且提高了系統的快速性。電壓控制模塊為了保護系統，故對其控制系統的要求不高，系統采用了單極點單零點的pi調節器，如圖2-5所示。采樣電壓經過跟隨器、pi調節器輸出作為mosfet管的門極輸入，當采樣電壓大于規定值時，經pi調節后，輸出使得

13、mosfet關斷，從而實現過壓保護。圖2-5電壓控制模塊原理圖兩個控制回路的整合如圖2-6所示，根據誰低誰輸出的原則，可以限制恒壓的上限為18v，18v一下為任意恒流控制。圖 2-6 帶有過壓保護的恒流模式選擇電路5. 功率級模塊 功率模塊采用ixys的ixta-tp80n10t（100v80a）該器件完全可以工作于最大18v1a的情況下。圖2-7 直流電子負載模塊原理圖三、 系統程序設計對于本系統，軟件設計是系統控制的核心，是實現接口功能的關鍵。3.1 主系統流程圖及主函數圖 3-1 主程序流程圖圖 3-2 主程序源代碼3.2 模擬開發軟件使用的開發軟件是iar仿真軟件，他是一種用于卡發不同

14、應用不同的目標處理器的靈活的集成環境，提供一個方便的窗口界面用于迅速的卡發調試，可以使用c、c+匯編等多種語言開發。3.3 編程注意事項在軟件編程時的應注意的幾點事項：（1）所有功能模塊都封裝分子函數，方便于在其他函數和主函數中調用，簡化主函數并使其看起來比較清晰，也可以封裝成庫函數。（2）盡量定義全局變量，方便在iar中調試時觀察變量中的值。四、 作品性能測試與分析4.1 所用儀器和測量工具測試主要用到yb1732a-3a直流穩壓電源、數字型萬用表、tps2024數字型示波器。樣機如圖4-1所示。圖 4-1 簡易電子負載樣機4.2 調試方法和過程測試方法：給各模塊通電，將數字式萬用表接入主電

15、路，通過按鍵調節參考電流的大小，記錄相應的輸出電流值。將測量值與參考值進行比較，得到的誤差數據如圖4-2至4-6所示：圖4-2 輸入電壓10v時全范圍電流測試誤差圖圖4-3 輸入電壓9v時全范圍電流測試誤差圖圖4-4 輸入電壓5v時全范圍電流測試誤差圖表4.2.4 vin=1v圖4-5 輸入電壓1v時全范圍電流測試誤差圖圖4-6 輸入電壓0.5v時全范圍電流測試誤差圖4.3誤差分析（1）電阻阻值受溫度影響（2）由于采用的通用運放，且沒有做分段處理，電流測量不夠精準4.4總結單片msp430為核心進行整體控制，實現了電子負載的電流和電壓調整，保證相應情況下電流和電壓的穩定，很好地實現了參數調整和顯示，完成了所有的基本要求和部分擴展要求。設計過程中遇到許多問題，如lcd無法正確顯示，運放不能正常工作等，最終在不斷地調試過程中得以解決。在很多地方，系統仍需要改進。五、 參考文獻1 童詩白 華成英 模擬電子技術基礎. 高等教育出版社，20062 胡壽松 自動控制原理.