CN2919266Y - 直流电子负载仪 - Google Patents

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本实用新型公开了一种直流电子负载仪,包括数字信号处理器,所述数字信号处理器通过其输入端连接外部设备,接收用户发出的指令信号,并通过其输出端连接可编程任意波形合成电路,生成用户所需波形输出到驱动放大电路的输入端,所述驱动放大电路的输出端连接开关元件的控制端,所述开关元件的选通端连接在直流电子负载仪的正输入端和负输入端之间,并经采样电路连接模数转换器的输入端,将模拟信号转换成数字信号输入到数字信号处理器中进行数据分析,进而通过显示器输出显示。所述直流电子负载仪内嵌5种负载波形,可实现任意动态负载电流波形的输出和控制,并可自动调节负载电流上升/下降率,避免引起电源供应器输出电压或负载电流的震荡冲击。

Description

直流电子负载仪
技术领域
本实用新型属于光机电一体化智能仪表技术领域,具体地说,是涉及一种用于模拟各类负载波形,实现对直流电源供应器、充电器、电池以及功率电子元器件等进行测试的直流电子负载仪。
背景技术
目前,国内的直流电子负载仪从总体结构上有两种类型:一种是单负载模组结构,该类直流电子负载仪只包含一个负载模组,且不能联机使用,因此只能应用于单输出的电源供应器测试,而对于多路输出的电源供应器测试和单输出电源供应器并行测试,需要多模组的协调工作,该类产品无法满足需求。第二种类型是模组+机框的结构,该类直流电子负载仪通过机框作为总控制器,同时将负载模组安装于机框内部,通过机框内安装多个负载模组实现多路输出的电源供应器和单输出电源供应器并行测试。但是,由于增加了机框使成本增加,而且受机框结构和控制功能的限制,模组的数量不能自由增加。当用户需要增加模组数量时,必须更换可容纳更多模组且具有更强控制功能的机框才能实现。
直流电子负载仪最主要的功能是实现对负载电流的调节和控制,从而模拟各种负载波形特性。目前,国内广泛使用的直流电子负载仪对负载电流的调节和控制采用硬件模拟电路的方法实现,调节和控制的适应性和实时性差,不能适应不同电源供应器的具体情况,无法实时的调节和控制负载电流及其上升/下降斜率,有的甚至不能调节改变负载电流上升/下降斜率。由于电源供应器的种类繁多,性能各异,当电源供应器的设计参数与负载不匹配时,往往引起电源供应器的输出电压或负载电流的震荡冲击,影响测试的正确性和准确性,甚至造成电源供应器的误保护动作或损坏。
同时,由于电源供应器的应用广泛,在一些要求较高的应用场合,需要适应各种不同的负载性质,特别是适应负载的动态瞬变。目前,国内的直流电子负载仪一般仅具有静态负载的功能,具有动态负载功能的电子负载仪也仅是实现在两个不同的负载准位之间的动态切换,动态负载的形式单一,不能满足一些较高要求和特殊测试的需要。
从上可知,目前国内广泛应用的直流电子负载仪,主要存在以下缺点:1、从总体结构来看,单负载模组结构不能满足多路输出的电源供应器测试和单输出电源供应器并行测试的需求;模组+机框的结构虽可以满足以上要求,但成本增加,受机框限制,用户应用不灵活;2、负载电流上升/下降率不可调节或采用模拟调节,对种类繁多的电源供应器适应性差,实时调节性差,易引起电源供应器的输出电压或负载电流的震荡冲击,干扰测试结果,触发误动作或损坏被测电源供应器。
3、不具有动态负载测试功能或动态负载形式单一,不能满足电源供应器的一些较高要求和特殊测试的需要。
4、不能对电池的交流内阻进行测量。电池行业中对交流内阻的测量需要采用专用的测量仪器,如交流mΩ表完成,价格昂贵。
发明内容
本实用新型为了解决现有技术中直流电子负载仪对电源供应器适应性差的问题,提供了一种新型的直流电子负载仪,可实现对负载电流上升/下降率的实时调节控制,以及对动态负载的测试功能。
为解决上述技术问题,本实用新型采用以下技术方案予以实现:一种直流电子负载仪,包括数字信号处理器,所述数字信号处理器通过其输入端连接外部设备,接收用户发出的指令信号,并通过其输出端连接可编程任意波形合成电路,生成用户所需波形输出到驱动放大电路的输入端,所述驱动放大电路的输出端连接开关元件的控制端,所述开关元件的选通端连接在直流电子负载仪的正输入端和负输入端之间,并经采样电路连接模数转换器的输入端,将模拟信号转换成数字信号输入到数字信号处理器中进行数据分析,进而通过显示器输出显示。
作为对上述技术方案的进一步限定,所述直流电子负载仪的正输入端和负输入端分别连接待测电源的正极和负极,其待测电源的电压经运放电路放大后,一路连接所述的模数转换器,将模拟信号转换成数字信号输入到数字信号处理器中;另一路反馈到所述的驱动放大电路中。
所述开关元件为一MOS管,其栅极连接所述驱动放大电路的输出端,漏极连接直流电子负载仪的正输入端,源极经电流采样电阻连接所述直流电子负载仪的负输入端;所述电流采样电阻的两端分别与一运放器的正相输入端和反相输入端对应连接,所述运放器将采样电流进行放大后一路输出给模数转换器进行模数转换,一路反馈给所述的驱动放大电路,另一路连接示波器接口,将电流波形通过示波器输出显示。
作为对上述技术方案的又进一步限定,所述数字信号处理器的输出端连接模式开关控制电路,根据用户选择的定电流、定电压、定电阻或定功率模式向所述的驱动放大电路输出相应的控制信号,控制驱动放大电路内部相应的模拟开关动作,进而改变输出到所述MOS管栅极的电压值。
在所述的驱动放大电路中,可编程任意波形合成电路输出的波形信号经两级运放连接定电流或定电阻模拟开关,进而连接一运放跟随电路的输入端;所述两级运放电路中的第一级运放输出端经一电流运放器连接定功率模拟开关,进而连接所述运放跟随电路的输入端;输入到所述驱动放大电路的电流反馈信号经电阻转换成电压信号后与所述运放跟随电路输出的电压信号进行叠加,进而经另一运算放大器连接所述MOS管的栅极。此外,所述电流运放器的输出端还连接一乘法器的输入端,所述乘法器的另一输入端接收所述的电压反馈信号,将电压信号与电流信号相乘后反馈到所述电流运放器的输入端。
在所述的驱动放大电路中,可编程任意波形合成电路输出的波形信号经所述的两级运放连接定电压模拟开关,进而经运放跟随电路输出放大后的电压信号,所述电压信号与输入到驱动放大电路中的电压反馈信号进行叠加,进而经两级运放连接所述MOS管的栅极。
作为对上述技术方案的再进一步限定,在所述的直流电子负载仪中设置有可与外部计算机相连的RS232接口或GPIB接口电路、遥控信号接口电路、触发信号接口电路和键盘,所述接口电路和键盘均与所述的数字信号处理器相连。
与现有技术相比,本实用新型的优点和积极效果是:本实用新型的直流电子负载仪可对负载电流上升/下降率采用数字化实时程序控制,根据电源供应器的特性,自动实时地调节负载电流上升/下降率,以适应种类繁多的电源供应器,不会引起电源供应器的输出电压或负载电流的震荡冲击。内嵌有5种特殊负载波形(正弦波、三角波、方波、前沿锯齿波、后沿锯齿波),可与计算机联机通讯,实现任意动态负载电流波形的下载,并通过任意波形产生电路实现任意动态负载电流波形的输出和控制。此外,基于上述任意波形动态负载功能,本实用新型的直流电子负载仪可实现对电池交流内阻的测试。
附图说明
图1是本实用新型中主从模组的组合结构框图;图2是主模组中主控板的电路原理图;
图3是直流电子负载仪的检测电路原理框图;图4是可编程任意波形合成电路的原理图;图5是各模式下DDS波形信号驱动放大电路原理图;图6是基本动态负载波形图;图7是任意动态负载波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地说明。
本实用新型的直流电子负载仪包含主模组和从模组两个系列,主模组和从模组都具有电子负载的基本功能,可以独立运行使用。主模组内置主控板实现对从模组的控制,可与从模组组合使用,形成一主多从的组合结构,实现多路输出电源供应器的测试和单输出电源供应器的并行测试,参见图1所示。一主多从组合应用时,必须包含一个主模组,从模组的数量和型号可依据用户需求而定,用户可自由的增减和更换从模组,便于用户扩展模组数量和技术升级。所述主模组通过其内部主控板电路实现对从模组的统一管理和数据通讯,所述主控板的电路原理图参见图2所示。
图2中,在所述主控板电路中包含有一32位数字信号处理器TMS320F2812,所述数字信号处理器DSP经光电隔离电路连接串口COM0,进而连接外部计算机,接收计算机发出的控制指令,例如负载波形的选择、定电流/定电压/定电阻/定功率模式的选择等,并可实现任意动态负载电流波形的下载。COM1串口经通讯线连接遥控器,接收遥控器发出的指令信号,经IO隔离电路连接所述的数字信号处理器DSP。DSP根据接收到的指令信号,通过扩展总线经地址译码器PLD连接串口扩展芯片ST16C554,进而连接多个COM串口,图中列举了COM2~COM5串口。其中,COM2串口与主模组中的检测电路板通讯,COM3串口与从模组中的检测电路板通讯,COM4连接打印机,COM5经转换电路连接并行通讯GPIB接口卡,进而经所述的GPIB接口连接上位机,实现直流负载仪与外部上位机之间的数据通讯。所述数字信号处理器DSP将接收到的指令信号通过COM2串口输出到主模组中,通过COM3串口输出到从模组中,控制主模组和从模组中的检测电路按照指定方式对连接在其输入端的直流电源供应器进行检测,并将检测结果通过显示器输出,供测量人员对检测结果进行实时观察监控。若选择一主多从的组合模式进行测量,可以通过所述的串口扩展芯片ST16C554连接更多个COM串口,进而与多个从模组进行通讯,实现对多个直流电源供应器的同时测量监控。
所述显示器可根据其类型插入LCD接口或VFD接口,其中,LCD接口通过IO隔离通道连接32位DSP,VFD接口通过同步串行通讯总线SPI2连接所述的32位DSP,外置键盘通过键盘接口经IO隔离通道向32位DSP输入用户指令。EEPROM通过同步串行通讯总线SPI2连接32位DSP,对系统程序进行存储,并对DSP输出复位信号RESET;DSP通过扩展总线分别连接双口RAM、128Kbyte扩展仿真RAM、16bit扩展输出接口和16bit扩展输入接口等,其选通时序由所述地址译码器PLD输出的指令信号控制。其中,双口RAM连接双口RAM扩展接口,实现对测试数据的存储,并通过其他高速扩展接口连接上位机,进而实现上位机与直流负载仪之间的数据通讯;16bit扩展输出接口通过电平转换和锁存电路连接外围电路;外围电路输出的数据信号经电平转换电路连接16bit扩展输入接口,进而与所述数据信号处理器DSP实现数据通讯。
此外,所述的32位数字信号处理器DSP还通过局域网CAN接口连接外部网络,实现数据的远程通讯;通过同步串行通讯总线SPI2连接4通道8位D/A转换器,将DSP输出的数字信号转换成模拟信号分别对LCD/VFD的亮度、报警器的音量、风扇以及其他模拟控制电路进行控制,提高整机运行的安全性和可靠性。
图3是配置在所述直流电子负载仪中每一模组中的检测电路原理框图,本实用新型的直流电子负载仪的检测电路以TI公司的TMS320F28系列32位数据信号处理器DSP为控制和数据处理核心,以功率型场效应管Power MOS为耗能元件。DSP通过12位可编程任意波形合成DDS电路和各模式的驱动及反馈电路实现对负载的控制和电流的调节,通过16位高速ADC电路实现对电压、电流的快速模数转换,通过键盘和显示人机接口电路实现人机对话,同时具有多种远程控制接口和完备的保护电路。
所述32位数字信号处理器DSP与键盘电路相连,并通过RS232接口或GPIB接口连接外部计算机,通过REMOTE接口连接有线遥控器,通过TRIG接口接收外部设备发出的触发信号;在组成主从检测模式时,通过COM串口与主模组中的主控板通信,实现指令信号的接收以及检测数据的传输。所述直流电子负载仪内嵌有5种特殊负载波形:正弦波、三角波、方波、前沿锯齿波、后沿锯齿波,可与计算机联机通讯,实现任意动态负载电流波形的下载。32位DSP接收用户选择的波形指令,生成12位数字信号经其GPIO口A0~A11连接12位可编程任意波形合成DDS电路中的数模转换器AD7541N的12位输入端BIT1~BIT12,将数字信号转换成模拟电流信号经其输出端IOUT1输出,并通过与所述输出端IOUT1连接的运算放大器OP27G放大处理后,生成指定的电压波形信号输出到后续的驱动放大电路中,参见图4所示。其中,数模转换器AD7541N的反馈端RFB连接运算放大器OP27G的输出端,接收电压反馈信号,进而对输出的电流信号进行校正。+15V直流电源经稳压芯片REF01转换成+10V直流电压,通过运算放大器OP07CP连接所述数模转换器AD7541N的基准电压输入端VREF,为数模转换器AD7541N的输出提供基准值。
本实用新型的直流电子负载仪提供定电流、定电压、定电阻和定功率四种测量模式,即CC/CV/CR/CP四种模式。32位数字信号处理器DSP将用户选择的测量模式通过CC/CV/CR/CP模式控制电路连接后续的驱动放大电路,控制驱动放大电路中各模拟开关的闭合或断开状态。图5是本实用新型中驱动放大电路的内部原理图,经所述12位可编程任意波形合成DDS电路生成的波形信号经由运放器U12和U13组成的两级运放电路连接CC/CR模式开关U31A,进而连接运放跟随电路U16的同相输入端。所述第一级运放器U12的输出端经电阻R41连接电流运放器U14的反相输入端,电流运放器U14的同相输入端接地,输出端一路经CP模式开关U31C连接所述运放跟随电路U16的同相输入端,另一路连接乘法器U39的输入端Y1,向其输入电流信号。所述乘法器U39的另一输入端X1接收来自待测直流电源供应器的电压反馈信号,将电压值与电流值相乘后生成功率信号反馈到电流运放器U14的反相输入端,对其输出电流进行校正。所述运放跟随电路U16的输出端连接量程选择开关U31B,根据待测直流电源供应器的负载电流大小选择合适的量程连接运放器U18的反相输入端。来自待测直流电源供应器的电流反馈信号经串联电阻R28转换成电压信号后,与所述运放器U18反相输入端的电压进行叠加,进而通过由运放器U18、电阻R32、R76、电容C98、C99和二极管D5、D15组成的运算放大电路输出驱动信号,连接功率场效应MOS管的栅极。
在选择定电压测量模式时,可编程任意波形合成DDS电路输出的波形信号经所述的两级运放电路U12和U13连接CV模式开关U31D,进而经运放跟随电路U17输出放大后的电压信号,所述电压信号与输入到驱动放大电路中的电压反馈信号进行叠加,进而经由运算放大器U19、U20组成的两级运放电路连接所述MOS管的栅极。
图3中,所述功率场效应MOS管的漏极连接待测电源的正输入端,源极经串联的电流采样电阻R连接待测电源的负输入端,所述电流采样电阻R的两端分别与一运放器Y1的正相输入端和反相输入端对应连接,所述运放器Y1将采样电流进行放大后一路输出给16位模数转换器ADC进行模数转换;一路反馈给所述的驱动放大电路,为其提供图5中所示的电流反馈信号;另一路连接示波器Imonitor的输出接口,将电流波形通过示波器输出显示。
所述直流电子负载仪的正输入端和负输入端分别连接待测电源的正极和负极,其待测电源的电压经运算放大器Y2放大后连接选择开关K1的常闭触点,选择开关K1的常开触点连接电压精密检测输入接口Vsense。当待测电源的电流较大时,连接导线上会产生较大的压降,输入到直流电子负载仪中的电压会出现一定程度的衰减。此时,若选用运算放大器Y2输出的电压检测信号会出现较大的误差,因此,需要专门的电压检测设备对待测电源的电压进行测量,进而通过电压精密检测输入接口Vsense经选择开关K1连接到运算放大器Y3的输入端。所述选择开关K1作为测量精确度的切换开关供用户根据测量需要自主切换。运算放大器Y3将检测到的电压信号进行放大处理后,一路连接所述的16位高速模数转换器ADC,将模拟电压信号转换成数字信号;另一路反馈到所述的驱动放大电路中,为其提供图5中所示的电压反馈信号。16位模数转换器ADC将转换后的数字电流信号和数字电压信号输出到32位数字信号处理器DSP中进行数据分析,并通过与其相连的LCD液晶显示器进行输出显示。所述可编程任意波形合成DDS电路和驱动放大电路可实现对负载电流及上升/下降率的调节与控制。图6为基本动态负载波形图,目前市面上常见的直流电子负载仪输出的电流波形均为采用形式;图7为本实用新型直流电子负载仪输出的任意动态负载电流波形图,以正弦波为例。
基于上述任意波形动态负载功能,新型直流电子负载仪可实现对电池交流内阻的测试。内阻是衡量电池性能的一个重要技术指标。电池的内阻很小,一般为微欧或毫欧数量级。目前行业中应用的电池内阻测量方法主要有两种:一种是直流放电内阻测量法,该方法只能测量大容量电池或者蓄电池,且大电流通过电池对电池内部的电极有一定损伤;第二种是交流压降内阻测量法,因为电池实际上等效于一个有源电阻,因此,给电池施加一个固定频率和固定电流,然后对其电压进行采样计算出该电池的内阻值。本实用新型的直流电子负载仪不仅可以进行电池的放电特性测试,而且可以通过对电池施加一个1KHZ频率、50mA的恒定小电流,然后通过对电池电压和电流信号的采样分析,计算出电池的交流内阻,使用户不必再购买价格昂贵的内阻测量专用仪器,从而节省了用户购买设备的投资。
本实用新型的直流电子负载仪模组的组合和配置自由灵活,负载模组的数量和型号可任意组合,同时无需使用机框,节省了成本。另外,所述直流电子负载仪可根据电源供应器的特性,自动实时地调节控制负载电流上升/下降率,不会引起电源供应器的输出电压或负载电流的震荡冲击;并且可实现任意动态负载电流波形的输出,满足电源供应器的一些较高要求和特殊测试的需要。
当然,上述说明并非是对本实用新型的限制,本实用新型也并不仅限于上述举例,本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种直流电子负载仪,其特征在于:包括数字信号处理器,所述数字信号处理器通过其输入端连接外部设备,接收用户发出的指令信号,并通过其输出端连接可编程任意波形合成电路,生成用户所需波形输出到驱动放大电路的输入端,所述驱动放大电路的输出端连接开关元件的控制端,所述开关元件的选通端连接在直流电子负载仪的正输入端和负输入端之间,并经采样电路连接模数转换器的输入端,将模拟信号转换成数字信号输入到数字信号处理器中进行数据分析,进而通过显示器输出显示。
2.根据权利要求1所述的直流电子负载仪,其特征在于:所述直流电子负载仪的正输入端和负输入端分别连接待测电源的正极和负极,其待测电源的电压经运放电路放大后,一路连接所述的模数转换器,将模拟信号转换成数字信号输入到数字信号处理器中;另一路反馈到所述的驱动放大电路中。
3.根据权利要求1或2所述的直流电子负载仪,其特征在于:所述开关元件为一MOS管,其栅极连接所述驱动放大电路的输出端,漏极连接直流电子负载仪的正输入端,源极经电流采样电阻连接所述直流电子负载仪的负输入端;所述电流采样电阻的两端分别与一运放器的正相输入端和反相输入端对应连接,所述运放器将采样电流进行放大后一路输出给模数转换器进行模数转换,一路反馈给所述的驱动放大电路,另一路连接示波器接口,将电流波形通过示波器输出显示。
4.根据权利要求3所述的直流电子负载仪,其特征在于:所述数字信号处理器的输出端连接模式开关控制电路,根据用户选择的定电流、定电压、定电阻或定功率模式向所述的驱动放大电路输出相应的控制信号,控制驱动放大电路内部相应的模拟开关动作,进而改变输出到所述MOS管栅极的电压值。
5.根据权利要求4所述的直流电子负载仪,其特征在于:在所述的驱动放大电路中,可编程任意波形合成电路输出的波形信号经两级运放连接定电流或定电阻模拟开关,进而连接一运放跟随电路的输入端;所述两级运放电路中的第一级运放输出端经一电流运放器连接定功率模拟开关,进而连接所述运放跟随电路的输入端;输入到所述驱动放大电路的电流反馈信号经电阻转换成电压信号后与所述运放跟随电路输出的电压信号进行叠加,进而经另一运算放大器连接所述MOS管的栅极。
6.根据权利要求5所述的直流电子负载仪,其特征在于:在所述的驱动放大电路中,可编程任意波形合成电路输出的波形信号经所述的两级运放连接定电压模拟开关,进而经运放跟随电路输出放大后的电压信号,所述电压信号与输入到驱动放大电路中的电压反馈信号进行叠加,进而经两级运放连接所述MOS管的栅极。
7.根据权利要求5所述的直流电子负载仪,其特征在于:在所述的驱动放大电路中,所述电流运放器的输出端连接一乘法器的输入端,所述乘法器的另一输入端接收所述的电压反馈信号,将电压信号与电流信号相乘后反馈到所述电流运放器的输入端。
8.根据权利要求1或7所述的直流电子负载仪,其特征在于:在所述的直流电子负载仪中设置有可与外部计算机相连的RS232接口或GPIB接口电路、遥控信号接口电路、触发信号接口电路和键盘,所述接口电路和键盘均与所述的数字信号处理器相连。
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