CN105445673B - 一种直流恒电阻电子负载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电子负载，尤其涉及一种操作简单、无需手动调节，具有较高的准确度及精度的直流恒电阻电子负载装置，其特征在于由电压采集电路、信号调理电路、电压保持电路、负载驱动电路和模拟负载电路组成；其中电压采样电路对被测电源输出电压进行采样，采样获得的电压信号经过信号调理电路进行处理以适应负载驱动电路信号要求，调理电路输出至电压保持电路进行电压保持，电压保持电路输出至负载驱动电路，驱动电路输出至模拟负载电路的控制端，本发明相对于现有技术，可使电子负载实现恒电阻模式，且电路具有结构简单、实时跟随、线性好等特点。

Description

一种直流恒电阻电子负载装置

技术领域：

本发明涉及一种直流电子负载，尤其涉及一种操作简单、无需手动调节，具有较高的准确度及精度的直流恒电阻电子负载装置。

背景技术：

现有电子负载的恒电阻模式一般采用单片机控制实现。首先将电压信号用A/D转换器转换成数字信号，接着用单片机对数字信号进行采集，然后让单片机根据欧姆定律计算输出一个值，最后将这个计算值通过D/A转换器转换成模拟量以控制负载功率管输出相应电流信号。由于过程采用单片机，整个采样计算过程中要耗费一定时长，因此这种电子负载跟随性差，抗干扰性差、可靠性不高。也有利用比较电路的正端与负端电压趋于相等的原理，将电压采样电路与电流采样电路分别接至比较器的正端和负端，比较电路的输出端送至模拟负载的控制级，从而使负载与电流始终成一定比例，实现恒电阻模式。该方法相比单片机控制实现具有较好的跟随性，然而比较器电路输出的信号为脉冲信号，导致流过模拟负载的电流也是脉冲信号，因此电流会在某个值上下不停波动，故表现出来的等效电阻值也是不稳定的。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种操作简单、无需手动调节，具有较高的准确度及精度的直流恒电阻电子负载装置。

本发明可以通过以下措施达到：

一种直流恒电阻电子负载装置，其特征在于由电压采集电路、信号调理电路、电压保持电路、负载驱动电路和模拟负载电路组成；其中电压采样电路对被测电源输出电压进行采样，采样获得的电压信号经过信号调理电路进行处理以适应负载驱动电路信号要求，调理电路输出至电压保持电路进行电压保持，电压保持电路输出至负载驱动电路，驱动电路输出至模拟负载电路的控制端。

本发明所述电压采样电路由电阻R12、R13、R14、R16和运算放大器U3B组成，其中电阻R12与R13串联，串接点接入运算放大器U3B的正输入端，电阻R12的另一端接负载电压正极，电阻R13的另一端接地；电阻R16与R14串联，串接点接入运算放大器的负输入端；电阻R16的另一端接地，电阻R14的另一端接U3B的输出端。

本发明所述信号调理电路由可调电阻R9，电阻R6、R10、R11和运算放大器U2A组成，其中调节电阻R9与反馈电阻R10串联，串接点接运算放大器U2A的负输入端，调节电阻R9另一端接运算放大器U3B的输出端，反馈电阻R10另一端接运算放大器U2A输出端；电阻R6与R11并联，一端接地，另一端接运算放大器U2A正输入端。

本发明所述电压保持电路由电阻R15、R17和运算放大器U1B组成，其中电阻R15一端接运算放大器U2A输出端，另一端接运算放大器U1B正输入端；电阻R17一端接运算放大器U1B负输入端，两一端接运算放大器U1B输出端。

本发明所述负载驱动电路由电容C1，电阻R1、R2、R3、R4、R7、R8、R18和运算放大器U1A组成，其中电阻R7、R8并联，一端接地，另一端接运算放大器U1A的正输入端；电阻R18一端接运算放大器U1B输出端，另一端接运算放大器U1A负输入端；电容C1和电阻R3并联，一端接运算放大器U1A负输入端，另一端接MOS管源极；电阻R1一端接MOS管Q1源极，另一端负载输入电压负极；电阻R2一端接MOS管Q1源极，另一端接MOS管Q1门极；电阻R4一端接MOS管Q1门极，另一端接运算放大器U1A输出端。

本发明所述负载驱动电路中，当运算放大器U1A、U2A、U3B工作在放大区时，设负载输入电压为V₁，负载输入电流为I，U1A、U2A、U3B的放大倍数分别为A₁、A₂、A₃(均为常数)，负载阻值的表达式为：

其中R₁为电阻R1的阻值。

运算放大器U2A的放大倍数为：

其中R₉为可调电阻R9阻值，R₁₀为电阻R10阻值。

将公式(2)代入公式(1)可得：

因此，通过改变可调电阻R9的阻值，可实现负载电阻阻值线性改变。

图2中信号调理电路仅采用了一级放大，实际应用中，可根据信号需求将信号调理电路设计为多级放大电路。此时信号调理电路的放大倍数A₂＝a₁×a₂…×a_n(a₁、a₂、…、a_n为各级放大电路放大倍数)。调节电阻选用数字电位器，并使用单片机对其进行控制，则无需手动调节，可简化操作、准提高确度及精度。

具体操作步骤为：

(1)输入负载阻值；

(2)验证负载阻值有效性；

(3)根据公式(3)计算出信号调理电路R9阻值；

(4)设置调节电阻R9阻值；

(5)开启负载电路。

本发明的负载电压与负载电流之比等于采样电阻R1与电压采样电路、信号调理电路和负载驱动电路的放大比例乘积之比，且采样电阻R1与电压采样电路、信号调理电路和负载驱动电路的放大比例乘积之比为常数，所以可使电子负载实现恒电阻模式。

本发明采用T型网络反向放大电路作为负载驱动电路，因此可获得稳定的负载阻值；整个系统采用硬件实现,并且系统的输出仅与当前输入有关，故系统对被测电源V1的电压具有实时跟随性；选用数字电位器作为调节电阻R9，使得电子负载操作简单、无需手动调节，具有较高的准确度及精度。

附图说明：

图1为本发明的系统框图

图2为本发明的具体实施例的电路原理图

图3为本发明操作流程图

具体实施方式：

如图1、图2、图3所示，本发明提出了一种直流恒电阻电子负载装置，其特征在于由电压采集电路、信号调理电路、电压保持电路、负载驱动电路和模拟负载电路组成；其中电压采样电路对被测电源输出电压进行采样，采样获得的电压信号经过信号调理电路进行处理以适应负载驱动电路信号要求，调理电路输出至电压保持电路进行电压保持，电压保持电路输出至负载驱动电路，驱动电路输出至模拟负载电路的控制端；所述模拟负载电路采用场效应管Q1来实现；

本发明所述电压采样电路由电阻R12、R13、R14、R16和运算放大器U3B组成，其中电阻R12与R13串联，串接点接入运算放大器U3B的正输入端，电阻R12的另一端接负载电压正极，电阻R13的另一端接地；电阻R16与R14串联，串接点接入运算放大器的负输入端；电阻R16的另一端接地，电阻R14的另一端接U3B的输出端。

本发明所述信号调理电路由可调电阻R9，电阻R6、R10、R11和运算放大器U2A组成，其中调节电阻R9与反馈电阻R10串联，串接点接运算放大器U2A的负输入端，调节电阻R9另一端接运算放大器U3B的输出端，反馈电阻R10另一端接运算放大器U2A输出端；电阻R6与R11并联，一端接地，另一端接运算放大器U2A正输入端。

本发明所述电压保持电路由电阻R15、R17和运算放大器U1B组成，其中电阻R15一端接运算放大器U2A输出端，另一端接运算放大器U1B正输入端；电阻R17一端接运算放大器U1B负输入端，两一端接运算放大器U1B输出端。

本发明所述负载驱动电路由电容C1，电阻R1、R2、R3、R4、R7、R8、R18和运算放大器U1A组成，其中电阻R7、R8并联，一端接地，另一端接运算放大器U1A的正输入端；电阻R18一端接运算放大器U1B输出端，另一端接运算放大器U1A负输入端；电容C1和电阻R3并联，一端接运算放大器U1A负输入端，另一端接MOS管源极；电阻R1一端接MOS管Q1源极，另一端负载输入电压负极；电阻R2一端接MOS管Q1源极，另一端接MOS管Q1门极；电阻R4一端接MOS管Q1门极，另一端接运算放大器U1A输出端。

本发明所述负载驱动电路中，当运算放大器U1A、U2A、U3B工作在放大区时，设负载输入电压为V₁，负载输入电流为I，U1A、U2A、U3B的放大倍数分别为A₁、A₂、A₃(均为常数)，负载阻值的表达式为：

其中R₁为电阻R1的阻值。

运算放大器U2A的放大倍数为：

其中R₉为可调电阻R9阻值，R₁₀为电阻R10阻值。

将公式(2)代入公式(1)可得：

因此，通过改变可调电阻R9的阻值，可实现负载电阻阻值线性改变。

图2中信号调理电路仅采用了一级放大，实际应用中，可根据信号需求将信号调理电路设计为多级放大电路。此时信号调理电路的放大倍数A₂＝a₁×a₂…×a_n(a₁、a₂、…、a_n为各级放大电路放大倍数)。调节电阻选用数字电位器，并使用单片机对其进行控制，则无需手动调节，可简化操作、准提高确度及精度。

具体操作步骤为：

(3)输入负载阻值；

(4)验证负载阻值有效性；

(3)根据公式(3)计算出信号调理电路R9阻值；

(4)设置调节电阻R9阻值；

(5)开启负载电路。

本发明与现有技术相比，负载电压与负载电流之比等于采样电阻R1与电压采样电路、信号调理电路和负载驱动电路的放大比例乘积之比，且采样电阻R1与电压采样电路、信号调理电路和负载驱动电路的放大比例乘积之比为常数，所以可使电子负载实现恒电阻模式；采用T型网络反向放大电路作为负载驱动电路，因此可获得稳定的负载阻值；整个系统采用硬件实现,并且系统的输出仅与当前输入有关，故系统对被测电源V1的电压具有实时跟随性；选用数字电位器作为调节电阻R9，使得电子负载操作简单、无需手动调节，具有较高的准确度及精度。

Claims (7)

1.一种直流恒电阻电子负载装置，其特征在于由电压采集电路、信号调理电路、电压保持电路、负载驱动电路和模拟负载电路组成；其中电压采样电路对被测电源输出电压进行采样，采样获得的电压信号经过信号调理电路进行处理以适应负载驱动电路信号要求，信号调理电路输出至电压保持电路进行电压保持，电压保持电路输出至负载驱动电路，负载驱动电路输出至模拟负载电路的控制端；

所述电压采样电路由电阻R12、R13、R14、R16和运算放大器U3B组成，其中电阻R12与R13串联，串接点接入运算放大器U3B的正输入端，电阻R12的另一端接负载电压正极，电阻R13的另一端接地；电阻R16与R14串联，串接点接入运算放大器的负输入端；电阻R16的另一端接地，电阻R14的另一端接U3B的输出端；

所述信号调理电路由可调电阻R9，电阻R6、R10、R11和运算放大器U2A组成，其中调节电阻R9与反馈电阻R10串联，串接点接运算放大器U2A的负输入端，调节电阻R9另一端接运算放大器U3B的输出端，反馈电阻R10另一端接运算放大器U2A输出端；电阻R6与R11并联，一端接地，另一端接运算放大器U2A正输入端。

2.根据权利要求1所述的一种直流恒电阻电子负载装置，其特征在于所述电压保持电路由电阻R15、R17和运算放大器U1B组成，其中电阻R15一端接运算放大器U2A输出端，另一端接运算放大器U1B正输入端；电阻R17一端接运算放大器U1B负输入端，两一端接运算放大器U1B输出端。

3.根据权利要求1所述的一种直流恒电阻电子负载装置，其特征在于所述负载驱动电路由电容C1，电阻R1、R2、R3、R4、R7、R8、R18和运算放大器U1A组成，其中电阻R7、R8并联，一端接地，另一端接运算放大器U1A的正输入端；电阻R18一端接运算放大器U1B输出端，另一端接运算放大器U1A负输入端；电容C1和电阻R3并联，一端接运算放大器U1A负输入端，另一端接MOS管源极；电阻R1一端接MOS管Q1源极，另一端负载输入电压负极；电阻R2一端接MOS管Q1源极，另一端接MOS管Q1门极；电阻R4一端接MOS管Q1门极，另一端接运算放大器U1A输出端。

4.根据权利要求3所述的一种直流恒电阻电子负载装置，其特征在于所述负载驱动电路中，当运算放大器U1A、U2A、U3B工作在放大区时，设负载输入电压为V₁，负载输入电流为I，U1A、U2A、U3B的放大倍数分别为A₁、A₂、A₃，A₁、A₂、A₃均为常数，负载阻值的表达式为：

K为常数，(1)，

其中R₁为电阻R1的阻值，

运算放大器U2A的放大倍数为：

其中R₉为可调电阻R9阻值，R₁₀为电阻R10阻值，

将公式(2)代入公式(1)可得：

其中为常数，

因此，通过改变可调电阻R9的阻值，可实现负载电阻阻值线性改变。

5.根据权利要求3所述的一种直流恒电阻电子负载装置，其特征在于负载电阻阻值为电阻R1的阻值与各级运放放大倍数乘积之比。

6.根据权利要求3所述的一种直流恒电阻电子负载装置，其特征在于信号调理电路根据信号需求采用多级放大电路来构成。

7.根据权利要求3所述的一种直流恒电阻电子负载装置，其特征在于采用数字电位器作为调节电阻R9，采用固定电阻作为反馈电阻R10，从而实现负载阻值随R9的阻值增加而线性增加。