【文章內(nèi)容簡介】 9 是一種 8 路模擬輸入的 8 位逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，為 CMOS 型單芯片器件。其作用可根據(jù)地址譯碼信號來選擇 8 路模擬輸入而共用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器。但其占用端口多，轉(zhuǎn)換頻率低于 1M。方案二采用 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC1549 系列具有串行控制、連續(xù)逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它采用兩個差分基準電壓高阻輸入和一個三態(tài)輸出構(gòu)成三線接口。TLC1549 采用 CMOS 工藝。內(nèi)部具有自動采樣保持、可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍、抗噪聲干擾功能，而且在設計時使在滿刻度時總誤差最大僅為 mV，因此可廣泛應用于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路。兩者相比，TLC1549 系列器件性能優(yōu)良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、接口簡便，實用價值高,同時與 10 位的 TLC5615 DA 輸出基準電壓精度相同，不會導致電路精度降低，故選擇方案二。采樣電路是檢測和測量環(huán)節(jié)的重要技術(shù)手段，為了讓負載準確工作在恒流方式下，設計中對被測電源的輸出電壓和 MOS 管的電流進行實時采樣。采樣 A/D 選用 10位精度的 TLC154精度較高。采樣電路包括電壓采樣電路和電流采樣電路，如圖 29 所示為電壓電流采樣電東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 路原理圖。從功率電路采集實際工作電壓和電流，反饋到單片機，再通過液晶顯示出來，實現(xiàn)自動循環(huán)的調(diào)節(jié)。 電壓采樣電路電壓采樣電路中，由于電子負載的輸入電壓范圍比較寬，實際工作電壓較高，采樣前首先進行了分壓設計。如圖 29 所示采用 1/11 的分壓，輸出送往 A/D 采樣TLC1549 添加一個電壓跟隨器，沒有放大作用，輸出電壓與輸入電壓相同，提高了輸入阻抗，對電路進行緩沖，起到承上啟下的作用。同時取到隔離作用，減小了電磁干擾的影響，減小了強電流功率電路對控制電路的損害。如圖 29 所示,被試電源兩端的電壓 U 與電壓采樣點電壓 Ub 的關系為 Ub=R19/( R19+ R18)U=10K/(10K+100K)U=1/11U （22）所以 U=11Ub （23）R1910KQ2IRFP46046132 785U4TLC154946132 785U5TLC1549R18100KR+RUbUa1GNDGNDVCC VCCVCCR11R12R14R13OP37OP37UfC5UaR151KR161KVREF60K40K40K12VOP37R201KR211K12VVCCUb112V12V12V12V圖 29 電壓電流采樣電路原理圖 電流采樣電路電流采樣電路中，首先借助采樣電阻 R17 將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出送往 A/D 采樣 TLC1549 添加一個電壓跟隨器，不取到放大作用。如圖 29 所示，提高電路帶負載能力，取到緩沖、隔離作用。東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 如圖 29 所示負載電流 I 與電流采樣點電壓 Ua 的關系為 I=Ua/R17=Ua/ （24）采樣電阻 R17 的電阻為 歐姆，為錳銅采樣電阻，阻值較小，但可以承受大功率，采樣電阻分流對整個電路影響較小。采樣電阻 R17 電流－電壓轉(zhuǎn)換元件(I/V converter)，落在 R17 上的電壓降通過 PI 調(diào)節(jié)器與基準電壓（VERF）比較，控制MOS 管的導通量變化與截止，從而達到保持電流恒定的目的。這種電阻適用于高功率及高電流的電源供應器，電路板的電路偵測，具有穩(wěn)定性佳，低溫度系數(shù)，散熱性好的特性。 輸入的模擬量采樣46132 785U5TLC1549Ua1GNDVCC VCC圖 210 tlc1549 引腳圖 圖 211 tlc1549 時序圖（1）TLC1549 工作原理TLC1549 具有 6 種串行接口時序模式，這些模式是由 I／O CLOCK 周期和 CS 定義。根據(jù) TLC1549 的功能結(jié)構(gòu)和工作時序，其工作過程可分為 3 個階段：模擬量采樣、模擬量轉(zhuǎn)換和數(shù)字量傳輸。如圖 211 所示為 TLC1549 的時序圖。（2）輸入模擬量采樣在第 3 個 I／O CLOCK 下降沿，輸入模擬量開始采樣，采樣持續(xù) 7 個 I／O CLOCK 周期，采樣值在第 10 個 I／O CLOCK 下降沿鎖存。東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 （3）數(shù)字量得傳輸當片選 CS 由低電平變?yōu)楦邥r，I／O CLOCK 禁止且 A／D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出 DATA OUT 處于高阻狀態(tài)；當串行接口將 CS 拉至有效時，即 CS 由高變?yōu)榈蜁r，CS復位內(nèi)部時鐘，控制并使能 DATA OUT 和 I／O CLOCK，允許 I／O CLOCK 工作并使DATA OUT 脫離高阻狀態(tài)。串行接口把輸入／輸出時鐘序列供給 I／O CLOCK 并接收上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。首先移出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對應的最高位，下一個 I／O CLOCK 的下降沿驅(qū)動。DATA OUT 輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對應的次高位，第 9 個I／OCLOCK 的下降沿將按次序驅(qū)動 DATA OUT 輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量的最低位，第 10 個 I／OCLOCK 的下降沿，DATA OUT 輸出一個低電平，以便串行接口傳輸超過10 個時鐘；I／O CLOCK 從主機串行接口接收長度在 10～16 個時鐘的輸入序列。CS的下降沿，上一次轉(zhuǎn)換的 MSB 出現(xiàn)在 DATA OUT 端。10 位數(shù)字量通過 DATA OUT 發(fā)送到主機串行接口。為了開始傳輸，最少需要 10 個時鐘脈沖，如果 I／OCLOCK 傳送大于 10 個時鐘，那么在第 10 個時鐘的下降沿，內(nèi)部邏輯把 DATA OUT 拉至低電平以確保其余位清零。在正常轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，即規(guī)定的時間內(nèi) CS 端由高電平至低電平的跳變可以終止該周期，器件返回初始狀態(tài)(輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容保持為上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果)。由于可能破壞輸出數(shù)據(jù)，所以在接近轉(zhuǎn)換完成時要小心防止 CS 拉至低電平。 電流取樣 PI 控制器等組成的負反饋控制模塊電子負載的核心實質(zhì)是一個電流取樣 PI 控制器組成的負反饋控制環(huán)路，也是電子負載的功率控制電路。MOS 管在這里既作為電流的控制器件同時也作為被測電源的負載。采樣電阻 R17 電流－電壓轉(zhuǎn)換元件(I/V converter)，落在 R17 上的電壓降通過 PI 調(diào)節(jié)器與基準電壓（VERF）比較，控制 MOS 管的導通量變化與截止，從而達到保持電流恒定的目的。東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 R1910KQ2IRFP46046132 785U4TLC154946132 785U5TLC1549R18100KR+RUbUa1GNDGNDVCC VCCVCCR11R12R14R13OP37OP37UfC5UaR151KR161KVREF60K40K40K12VOP37R201KR211K12VVCCUb112V12V12V12V圖 212 電流取樣 PI 控制器等組成的負反饋控制電路如圖 212 所示為電流取樣 PI 控制器等組成的負反饋控制電路。這個電路中，設定值與實際值相比較。當 R17 上的電壓降 Uf 即實際值大于設定值 VERF 時，通過PI 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，減小 MOS 管的導通角，減小 MOS 管的導通量，使 MOS 管的內(nèi)阻增大，流過電阻 R17 的電流減小，則電壓降 Uf 慢慢減小并等于設定值，從而實現(xiàn)電子負載的恒流工作模式；當 R17 上的電壓降 Uf 即實際值小于設定值 VERF 時。通過 PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，增大 MOS 管的導通角，增大 MOS 管的導通量，使 MOS 管的內(nèi)阻減小，流過電阻 R17 的電流增大，則電壓降 Uf 慢慢增大并等于設定值，從而實現(xiàn)電子負載的恒流工作模式，這是一個 PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過程。 PI 調(diào)節(jié)器對于電子負載的設計需要較高的精確度，同時控制 MOS 管的導通量的變換也需要一個不停的變化調(diào)節(jié)過程，而不是傳統(tǒng)的采用運放比較器組成的反饋電路來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的僅靠比較器來比較設置值與實測值，比較后的輸出作用于 MOS 管。這樣組成的反饋系統(tǒng)誤差很大、精度低，只能控制 MOS 管的通或斷，就只有全導通或全關閉兩種極值情況，很難準確的消除誤差實現(xiàn)其恒流模式的控制。所以需要一個更加精確的調(diào)節(jié)器來控制 MOS 管的導通量，使其導通角能夠在可承受電壓范圍內(nèi)，按照偏差的大小，對實測值與給定值的偏差分別進行比例和積分運算，取其和構(gòu)成連續(xù)信號以控制調(diào)節(jié)導通角的增大或縮小達到設定值等于實際值。東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計 R11R12R14R13OP37UfC5VREF60K40K40K12V12V K p i U i nU i nU e xU e x mtU e x0圖 213 PI 調(diào)節(jié)器 214 PI 調(diào)節(jié)器的輸出特性如圖 213 所示為 PI 調(diào)節(jié)器，PI 調(diào)節(jié)器的輸出電壓 Uex 由比例和積分兩個部分組成，在零初始狀態(tài)和階躍輸入信號作用下，其輸出電壓的時間特性如圖 214 所示，由圖可以看出比例積分作用的物理意義。當突加輸入電壓 Uin 時，由于開始瞬間電容 C 相當于短路，反饋回路只有電阻 R1，使輸出電壓 Uex 突跳到 KPIUin。此后，隨著電容 C 被充電，開始體現(xiàn)積分作用，Uex 不斷線性增長，直到達到輸出限幅值或運算放大器飽和。這樣，當單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用比例積分調(diào)節(jié)器后，在突加輸入偏差信號△Un 的動態(tài)過程中，在輸出端 Uct 立即呈現(xiàn) Uct=KPI△Un，實現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長處；在穩(wěn)態(tài)時，又和積分調(diào)節(jié)器一樣，又能發(fā)揮積分控制的作用，△Un=0，Uct 保持在一個恒定值上，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。因此，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能夠迅速響應控制作用，積分控制則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。作為控制器，比例積分調(diào)節(jié)器兼顧了快速響應和消除靜差兩方面的要求。故 PI 調(diào)節(jié)器應用在電子負載的設計中，實現(xiàn)對 MOS 導通角的有效控制，具有積分作用的調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量即電子負載電路中的實測值與設定值之間有偏差，其輸出就會不停的變化。反復調(diào)節(jié)，消除穩(wěn)態(tài)誤差，實現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)。PI 調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)= r(t)—c(t) （25）將偏差的比例（P）和積分（I）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，其控制規(guī)律為 （2]dt)(eT1)t([Ku(t)t0Ip???東華理工大學畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負載硬件系統(tǒng)設計