一种电子负载电路的制作方法

本发明涉及测试测量技术领域，具体涉及一种电子负载电路。

背景技术：

电子负载是一种常用的测试测量设备，它通过控制内部功率管或晶体管的导通量，依靠功率管的耗散功率来消耗电能，以模拟出负载，一般具有恒流、恒阻、恒压和恒功率四种工作模式。由于电子负载能够提供强大的测试环境，以满足不同的外界需求，因此，在电子仪器仪表中占有很大的市场，主要适用于各种电源、电池、适配器及需要电子负载测试的场合。

目前，在恒阻工作模式下，当用户设定所需要的阻值后，主控单元会通过模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)采集电子负载的输入电压，通过电流、电压与电阻的关系计算出对应的电流量，然后配置数模转换器(Digital-to-Analog Converter，DAC)输出该电流量对应的电流值给比较控制电路，比较控制电路控制晶体管导通并接收晶体管反馈回信号，以平衡到用户设定的阻值，即电子负载能够模拟一个等效电阻的阻值去消耗直流电源的能量。理论上，电子负载的输入电压与电子负载的工作电流应当呈现出线性关系，但在该过程中，由于ADC采集输入电压到主控单元计算并配置出DAC的码值是需要时间的，当用户设置好电阻值后，输入电压变化时，配置的码值也会相应改变，但相对会有延时，即就是，输入电压变化时，相应的电流会有延迟响应，输入电压与工作电流的响应曲线可参见图1，由图1可看出，由于时间差ΔT的存在，使得电子负载的输入电压V和工作电流I之间不能呈现出实时的线性关系，影响测试的准确性。

技术实现要素：

本申请提供一种电子负载电路，以使电子负载工作于恒阻工作模式时，输入电压和工作电流之间呈现出实时的线性关系。

一种实施例中提供一种电子负载电路，所述电子负载电路的工作模式至少包括恒阻工作模式，所述电子负载电路包括负载输入模块、主控单元、数模转换器和环路平衡控制电路；

所述负载输入模块用于将输入电压调整为适配于数模转换器的电压；

所述主控单元的控制端与数模转换器的配置端连接，用于根据用户设置的电阻值确定对应的码值，并将所述码值配置给数模转换器；

所述数模转换器用于从负载输入模块获取基准电压，根据基准电压将配置端的码值转换为模拟信号并输出；

所述环路平衡控制电路包括控制输入端、电流反馈端和输出端，其控制输入端与数模转换器的输出端连接，其输出端连接至其电流反馈端形成环路，所述环路平衡控制电路用于将其电流反馈端的信号与控制输入端的信号进行比较，根据比较结果调节环路以使电流反馈端的信号与控制输入端的信号相同。

上述方案中，所述环路平衡控制电路包括比较控制电路、晶体管电路和电流采样电路；

所述晶体管电路连接在负载输入模块的输入端和地之间；

所述电流采样电路用于采集晶体管电路的工作电流并将采集的所述工作电流反馈给比较控制电路；

所述比较控制电路包括输入端、反馈端和控制端，其输入端作为环路平衡控制电路的控制输入端与数模转换器的输出端连接，其反馈端作为环路平衡控制电路的电流反馈端与电流采样电路的输出端连接，比较控制电路的控制端连接晶体管电路的控制端，用于根据控制输入端输入的信号控制晶体管电路导通；所述比较控制电路用于将电流反馈端的电流与控制输入端的电流进行比较，根据比较结果控制晶体管电路改变工作电流以使电流反馈端的电流与控制输入端的电流相同。

上述方案中，电流采样电路的输出端和比较控制电路的反馈端之间还连接有放大电路，所述放大电路用于将电流采样电路采集的电流放大后反馈给比较控制电路。

进一步的，所述电子负载电路的工作模式还包括恒流工作模式，所述电子负载电路还包括第一开关、基准电压模块和第二开关；

所述第一开关连接在负载输入模块的输出端和数模转换器的基准电压端之间，其控制端与主控单元连接，所述主控单元在恒阻工作模式下控制第一开关导通，在其它工作模式下控制第一开关断开，以使数模转换器在恒阻工作模式下从负载输入模块获取基准电压；

所述第二开关连接在基准电压模块的输出端和数模转换器的基准电压端之间，其控制端与主控单元连接，所述主控单元在恒阻工作模式下控制第二开关断开，在其它工作模式下控制第二开关导通，以使数模转换器在其它工作模式下从基准电压模块获取基准电压；

所述基准电压模块用于提供基准电压。

进一步的，所述电子负载电路的工作模式还包括恒压工作模式，所述电子负载电路还包括第三开关和第四开关；

所述第三开关连接在负载输入模块的输出端和环路平衡控制电路的电压反馈端之间，其控制端与主控单元连接，所述主控单元在恒压工作模式下控制第三开关导通，在其它工作模式下控制第三开关断开，以在恒压工作模式下将负载输入模块输出的电压值输入给环路平衡控制电路，使环路平衡控制电路调节电压反馈端的信号与其控制输入端的信号相同；

所述第四开关连接在环路平衡控制电路的输出端和电流反馈端之间，其控制端与主控单元连接，所述主控单元在恒压工作模式下控制第四开关断开，在其它工作模式下控制第四开关导通。

上述方案中，所述电子负载电路还包括模数转换器，所述模数转换器包括电压输入通道、电流输入通道和输出通道，所述输出通道与主控单元的数据输入端连接，所述电压输入通道与负载输入模块的输出端连接，用于采集负载输入模块输出的电压并将所述电压转换为数字电压值输出给主控单元；所述电流输入通道与环路平衡控制电路的输出端连接，用于从环路平衡控制电路采集工作电流并将所述工作电流转换为数字电流值输出给主控单元。

上述方案中，所述负载输入模块包括负载输入端口和输入电压衰减模块；

所述负载输入端口用于输入电压；

所述输入电压衰减模块用于对负载输入端口输入的电压进行衰减，以使衰减后的电压适配于数模转换器。

依据上述实施例的电子负载电路，由于在恒阻工作模式下，当用户设置电阻值后，主控单元便可直接配置出对应的码值给数模转换器，而不再需要模数转换器获取输入电压后再由主控单元计算码值的过程，同时，数模转换器的基准电压直接由负载输入模块提供，这便使得数模转换器的配置端的码值和电子负载的输入电压在时间上保持一致，从而消除了输入电压变化时对应工作电流的延迟响应，使得电子负载的输入电压和工作电流之间呈现出实时的线性关系。

附图说明

图1为现有技术中电子负载在恒阻工作模式下的输入电压与工作电流的响应曲线；

图2为现有技术中电子负载的结构示意图；

图3为电子负载在恒阻工作模式下的输入电压与工作电流在理论上的响应曲线；

图4为本发明实施例中一种电子负载电路的结构示意图；

图5为本发明实施例中一种具体的电子负载电路的结构示意图；

图6为本发明实施例中另一种具体的电子负载电路的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

电子负载是通过控制内部功率管(MOSFET)或晶体管的导通量，依靠功率管的耗散功率消耗电能的设备。在现有技术中，电子负载的基本结构框图可参见图2，主要包括负载输入模块、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、基准电压模块、主控单元、比较控制电路、晶体管控制电路和电流采样电路，用户可通过面板选定电子负载的工作模式，具体如下：

(1)在恒压工作模式下，开关S1闭合且开关S2断开，此时，用户设定需要的电压值，主控单元会根据用户设定的电压值计算出对应的码值，将该码值配置给DAC，DAC根据该码值和基准电压模块提供的基准电压得到电压信号，然后将该电压信号输出给比较控制电路，由比较控制电路的输出信号控制晶体管控制电路，以使晶体管导通；比较控制电路将负载输入模块输出的电压信号与DAC输出的电压信号进行比较；晶体管控制电路连接在负载输入模块的输入端和地之间，与S1和比较控制电路构成环路，通过环路的电流会被环路平衡所控制，从而对电子负载的输入电压进行调节，使其平衡而稳定到用户设定的电压值。

(2)在恒流工作模式下，开关S1断开且开关S2闭合，此时，用户设定电流值，主控单元根据用户设定的电流值计算出对应的码值，将该码值配置给DAC，DAC根据该码值和基准电压模块提供的基准电压得到电流信号输出给比较控制电路，由比较控制电路的输出信号控制晶体管控制电路，以使晶体管导通；电流采样模块采集晶体管的电流(即电子负载的工作电流)，通过S2将该工作电流反馈回比较控制电路形成环路，通过环路平衡调节工作电流，使工作电流平衡而稳定到用户设定的电流值。

(3)在恒阻工作模式下，开关S1断开且开关S2闭合，此时，用户设定需要的电阻值R，主控单元通过ADC采集负载输入模块输出的电压值，根据该电压值确定出电子负载的输入电压V，然后通过I＝V/R计算出所对应的电流量I，然后将该电流量I转换为对应的码值配置给DAC，DAC根据该码值和基准电压模块提供的基准电压得到电流信号输出给比较控制电路；之后，与恒流工作模式相同，通过环路平衡调节工作电流，使电流采样模块反馈回比较控制电路的电流与DAC输入到比较控制电路的电流相同，此时环路平衡，电子负载的等效电阻即平衡而稳定到用户设定的电阻值R。

在上述电子负载电路中，负载输入模块用来将负载的输入电压衰减为适配于ADC的电压；由于电子负载的输入范围为0到150V或是更高电压，若ADC电压采集的基准是2.5V，那么其采集范围就是0-2.5V，所以需要先对输入电压进行衰减，然后才能用ADC进行采样，其衰减倍数可用A1来表示，主控单元则可根据衰减后的电压和A1获知电子负载的输入电压。比如，电子负载的输入电压为150V，ADC电压采集的基准是2.5V，这时就需要60倍的衰减才能得到2.5V，通常，在电路设计中需要给ADC预留一定的余量，衰减倍数可设计在65-70倍之间，输入电压衰减后，经ADC的采样后进行校准，主控单元就能准确知道输入电压的值。另外，在实际电路中，电流采样模块反馈回比较控制电路的电流是经过放大后的工作电流，其放大倍数可用A2来表示。

在图2所示电子负载电路的恒阻工作模式下，开关S1断开且S2闭合，设电子负载的输入电压为V，负载输入模块的衰减倍数为A1，则有负载输入模块的输出电压VFB为：

VFB＝V*A1 ①

设电子负载的工作电流为I，电流采样模块对工作电流的放大倍数为A2，则电流采样模块反馈回比较控制电路的电流IFB为：

IFB＝I*A2 ②

设基准电压模块提供的基准电压为VREF，主控单元配置给DAC的码值为N，则DAC的输出电压VOUT为：

VOUT＝VREF*N ③

设用户在面板上设置的电阻为R，其倒数表示为：

G＝1/R ④

当用户开启负载后，ADC会采集到VFB，并将VFB输入到主控单元；然后，主控单元根据电流、电压和电阻之间的关系式计算出工作电流I，具体为：

I＝V/R＝G*V ⑤

将①、②和④式代入⑤式中可得到IFB的表达式为：

IFB＝G*A2*VFB/A1 ⑥

对于比较控制电路，其环路平衡的条件为VOUT＝IFB，结合③和⑥式便可得到主控单元配置给DAC的码值为：

N＝G*A2*VFB/(A1*VREF) ⑦

在⑦式中，可以令A＝A2/A1，则⑦式可以简化为：

N＝G*A*VFB/VREF ⑧

由此可以看出，主控单元需要配置给DAC的码值N是同VFB/VREF相关的，当电子负载的输入电压变化时，VFB会随之改变，相应的配置的码值N也会改变，但在该过程中，主控单元需要通过ADC来获取VFB，而ADC采集VFB给主控单元直到主控单元计算出N是需要时间的，因此，配置出码值相对于输入电压的改变会有延时，假设延时为ΔT。

由欧姆定律可知，I＝V/R＝G*V，电子负载的工作电流I同输入电压V在理论上呈线性关系，且斜率为G，可参见图3。但在实际应用中，由于ADC采集输入电压直到主控单元计算出配置的码值N需要一个ΔT的响应时间，即输入电压和工作电流之间存在一个ΔT的时间差，因此，当输入电压变化时，工作电流会有相应的延迟响应，其响应曲线可参见图1，近似满足线性关系，ΔT的影响取决于系统的死去时间和响应速度。

为了解决该问题，以使电子负载的输入电压和工作电流之间呈现出如图3所示的线性关系，提出本发明的方案。

在本发明实施例中，电子负载在恒阻工作模式下直接由负载输入模块为DAC提供基准电压，且只要用户设置电阻值后，主控单元便可根据用户设置的电阻值确定出对应的码值。

实施例一：

图4为本发明实施例提供的一种电子负载电路的结构示意图，该电子负载电路的工作模式至少包括恒阻工作模式，如图4所示，该电子负载电路包括负载输入模块1、主控单元2、数模转换器3和环路平衡控制电路4。其中，负载输入模块1用于将输入电压调整为适配于数模转换器3的电压，电子负载的输入电压范围一般为0到150V或是更高电压，若数模转换器3的基准为2.5V，则需要将输入电压调整为适配于数模转换器3的电压；主控单元2的控制端c1与数模转换器3的配置端b1连接，用于根据用户设置的电阻值确定对应的码值，并将确定出的码值配置给数模转换器3；数模转换器3的基准电压端b2与负载输入模块1的输出端a1连接，用于从负载输入模块1获取基准电压，根据该基准电压将配置端b1的码值转换为模拟信号并输出；环路平衡控制电路4包括控制输入端d1、电流反馈端d2和输出端d3，其控制输入端d1与数模转换器3的输出端b3连接，其输出端d3连接至其电流反馈端d2形成环路，该环路平衡控制电路4用于将其电流反馈端d2的信号与控制输入端d1的信号进行比较，根据比较结果调节环路以使电流反馈端d2的信号与控制输入端d1的信号相同。

具体的，环路平衡控制电路4包括比较控制电路41、晶体管电路42和电流采样电路43；其中的晶体管电路42连接在负载输入模块1的输入端a2和地之间，电流采样电路43用于采集晶体管电路42的工作电流并将采集的该工作电流反馈给比较控制电路41；比较控制电路41包括输入端、反馈端和控制端，其输入端作为环路平衡控制电路4的控制输入端d1与数模转换器3的输出端b3连接，其反馈端作为环路平衡控制电路4的电流反馈端d2与电流采样电路43的输出端连接，比较控制电路41的控制端连接晶体管电路42的控制端e，用于根据控制输入端d1输入的信号控制晶体管电路42导通，该比较控制电路41用于将电流反馈端d2的电流与控制输入端d1的电流进行比较，根据比较结果控制晶体管电路42改变工作电流以使电流反馈端d2的电流与控制输入端d1的电流相同，从而使环路达到平衡状态，此时，电子负载等效出的电阻便平衡而稳定到用户设定的电阻值。

在实际电路设计中，电流采样电路43的输出端和比较控制电路41的反馈端之间还连接有放大电路，通过该放大电路将电流采样电路43采集的电流放大后反馈给比较控制电路41。

实际应用中，电子负载电路还包括模数转换器，该模数转换器包括电压输入通道、电流输入通道和输出通道，其输出通道连接主控单元2的数据输入端，其电压输入通道与负载输入模块1的输出端连接，用于采集负载输入模块1输出的电压并将该电压转换为数字电压值输出给主控单元2，以在主控单元2的控制下将电子负载的输入电压显示在显示屏上；该模数转换器的电流输入通道连接环路平衡控制电路4的输出端，用于从环路平衡控制电路4采集工作电流并将该工作电流转换为数字电流值输出给主控单元2，以在主控单元2的控制下将该工作电流显示在显示屏上。

本实施例提供的电子负载电路至少包括恒阻工作模式，在恒阻工作模式下，当用户设置电阻值后，主控单元可直接配置出对应的码值输入给数模转换器，而不再需要模数转换器去获取输入电压后由主控单元计算码值的过程，而且数模转换器的基准电压直接由负载输入模块提供，这便使得数模转换器的配置端的码值和电子负载的输入电压在时间上保持一致，从而消除了输入电压变化时对应工作电流的延迟响应，使得电子负载的输入电压和工作电流之间呈现出实时的线性关系。

实施例二：

基于实施例一，本实施例提供一种具体的电子负载电路，其结构图参见图5，该电子负载电路的工作模式包括恒阻工作模式和恒流工作模式，为了实现恒阻工作模式和恒流工作模式的切换，与实施例一不同的是，该电子负载电路还包括第一开关K1、基准电压模块5和第二开关K2。其中，基准电压模块5用于提供基准电压；放大电路6连接在电流采样电路43的输出端和比较控制电路41的反馈端之间，用于将电流采样电路43采集的电流放大后反馈给比较控制电路41；K1连接在负载输入模块1的输出端a1和数模转换器3的基准电压端b2之间，其控制端与主控单元2连接，主控单元2在恒阻工作模式下控制K1导通，在其它工作模式下控制K1断开，以使数模转换器3在恒阻工作模式下从负载输入模块1获取基准电压；K2连接在基准电压模块5的输出端和数模转换器3的基准电压端b2之间，其控制端与主控单元2连接，在恒阻工作模式下，主控单元2控制K2断开，在其它工作模式下，主控单元2控制K2导通，以使数模转换器3在其它工作模式下从基准电压模块5获取基准电压。

即就是，在恒阻工作模式下，主控单元2控制K1导通且控制K2断开，此时，负载输入模块1的输出电压VFB作为数模转换器3的基准电压输入到数模转换器3的基准电压端b2，主控单元2同时根据用户设置的电阻值确定出对应的码值配置给数模转换器3的配置端b1；在恒流工作模式下，主控单元2控制K1断开且控制K2导通，此时，由基准电压模块5为数模转换器3的基准电压端b2提供基准电压，该恒流工作模式下的电路结构及其工作原理与图2中恒流工作模式相同。

基于此，模数转换器7采集负载输入模块1输出的电压值以后，主控单元2不再通过I＝V/R计算出所对应的电流量I且将该电流量I转换为对应的码值配置给数模转换器3，而只是将与采集的电压值对应的输入电压显示在显示屏上；同时，模数转换器7还会从环路平衡控制电路4中采集工作电流并将该工作电流转换为数字电流值输出给主控单元2，以在主控单元2的控制下将该工作电流显示在显示屏上。具体的，模数转换器7从环路平衡控制电路4中采集工作电流是通过放大电路6来从环路平衡控制电路4中采集工作电流的。

本实施例提供的电子负载电路包括恒阻工作模式和恒流工作模式，其通过连接在负载输入模块与数模转换器的基准电压端之间的第一开关和连接在基准电压模块与数模转换器的基准电压端之间的第二开关来实现恒阻工作模式和恒流工作模式的切换。在恒阻工作模式下，通过导通第一开关且断开第二开关以使数模转换器的基准电压由负载输入模块提供，与实施例一相同，主控单元可直接配置出对应的码值输入给数模转换器，使数模转换器的配置端的码值和电子负载的输入电压在时间上保持一致，从而消除了输入电压变化时对应工作电流的延迟响应，使得电子负载的输入电压和工作电流之间呈现出实时的线性关系。

实施例三：

基于实施例二，本实施例提供另一种具体的电子负载电路，该电子负载电路的工作模式包括恒阻工作模式、恒流工作模式和恒压工作模式，为了实现恒压工作模式以及各模式之间的切换，在实施例二的电子负载电路的基础上增加了第三开关K3和第四开关K4，其结构图参见图6。其中，K3连接在负载输入模块1的输出端a1和环路平衡控制电路4的电压反馈端d4之间，其控制端与主控单元2连接；在恒压工作模式下，主控单元2控制K3导通，在其它工作模式下，主控单元2控制K3断开，从而在恒压工作模式下将负载输入模块1输出的电压值输入给环路平衡控制电路4，使环路平衡控制电路4调节电压反馈端d4的信号与其控制输入端d1的信号相同；K4连接在环路平衡控制电路4的输出端d3和电流反馈端d2之间，K4的控制端与主控单元2连接；在恒压工作模式下，主控单元2控制K4断开，在其它工作模式下，主控单元2控制K4导通。负载输入模块1包括负载输入端口11和输入电压衰减模块12，负载输入端口11用于输入电压，输入电压衰减模块12用于对负载输入端口11输入的电压进行衰减，以使衰减后的电压在恒阻工作模式下适配于数模转换器3，在恒流工作模式和恒压工作模式下适配于模数转换器6。在实际电路设计中，电流采样电路43和比较控制电路41的电流反馈端d2之间连接有放大电路6，此时，K4连接在电流反馈端d2和放大电路6之间，通过放大电路6与环路平衡控制电路4的输出端d3连接。

具体而言，在恒阻工作模式下，主控单元2控制K1和K4导通，且控制K2和K3断开；在恒流工作模式下，主控单元2控制K2和K4导通，且控制K1和K3断开；在恒压工作模式下，主控单元2控制K2和K3导通，且控制K1和K4断开。其中，恒流工作模式和恒压工作模式下的电路结构及其工作原理分别与图2中的恒流工作模式和恒压工作模式一一相同。

基于图6所示的电子负载电路，在恒阻工作模式下，数模转换器3的基准电压VREF由负载输入模块1输出的电压VFB提供，即就是VREF＝VFB，这时，数模转换器3的输出电压VOUT则为VOUT＝VFB*N，主控单元配置给数模转换器3的码值N便可以表示为：

N＝G*A2*VFB/(A1*VFB)

其中的A1为输入电压衰减模块12的衰减倍数，A2为放大电路6的放大倍数，同样可令A＝A2/A1，则N的表达式可简化为：

N＝G*A⑨

由⑨式可以看出，码值N同G呈现出线性关系，当用户配置电阻值R后，主控单元2便有相对应的码值N配置给数模转换器3，且VFB直接由负载输入模块1提供，不再需要模数转换器7对VFB进行采集后再由主控单元2计算出配置码值的过程，从而消除了延迟响应，使得在电子负载的输入电压连续可调时，VOUT也能够同G呈现线性关系，进而使得电子负载的输入电压和工作电流呈现线性特性。

本实施例提供的电子负载电路包括恒阻工作模式、恒流工作模式和恒压工作模式，主控单元可通过控制开关K1、K2、K3和K4的导通或断开来实现各工作模式的切换。在恒阻工作模式下，控制K1和K4导通且K2和K3断开，以使数模转换器的基准电压由VFB提供，且主控单元可直接配置出用户设定的电阻值对应的码值给数模转换器，不再需要模数转换器对VFB进行采集后再由主控单元计算出配置码值的过程，使数模转换器的配置端的码值和电子负载的输入电压在时间上保持一致，从而消除了输入电压变化时对应工作电流的延迟响应，实现了输入电压和工作电流之间的实时线性关系，使其真正呈现出伏安特性。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。