本发明涉及可编程直流电子负载，尤其是一种具有反接电压保护功能的电子负载装置，属于电子测量领域，适用于直流电源、开关适配器和电池的调试、检验和检测。
背景技术：
电子负载是通过控制内部场效应管的导通程度，依靠场效应管来消耗电能的设备，广泛应用于电源设备的开发、调试、检测、老化以及维护。传统的电子负载如图1所示，D为场效管的寄生二极管。通过采样来自检流电阻上的电压，并把采样结果反馈给控制电路，控制电路把这个电压信号与单片机控制数模转换器所产生的输入基准电压进行比较，根据比较的结果，控制场效应管的导通程度，从而改变场效应管导电沟道的电阻，达到控制场效应管承载电流的目的，设场效应管承载的功率为PT，Ron为晶体管的导通电阻，I为流过晶体管的漏极和源极之间的电流，V为电源的输出电压，则实际电子负载所消耗的功率，还包括检流电阻上消耗的功率。目前电子负载对电源进行测试时，外接电源的输出端直接连接到电子负载的相应的是输入端，即外接电源的正极性输出端连接到电子负载的正极性输入端，外接电源的负极性输出端连接到电子负载的负极性输入端。在正常情况下，启动电子负载后，电源将按照电子负载设定的电流值进行拉载。但是，在实际操作中，很有可能会把电源的极性接反，尤其是在测试负电压值电源的时候，经常会把电源的负电压输出端接到电子负载的正极性输入端，而将电源的参考地端连接端电子负载的负极性输入端。由于场效应管寄生二极管的存在，当电源反接且电源电压值较大时，二极管常会直接导通，大量电流直接从电源正极经过场效应管的寄生二极管流向电源负极导致电源接近于短路，于是，电子负载将无法正常拉载，场效应管和电源则可能因为热量无法及时散发出去引发的温升而烧坏。
目前，对于电压反接的情况，传统的电子负载提供反接保护报警提示，从软件上禁止在反接状态下的电流拉载。但是，由于此时电源和电子负载的物理连接方式并未改变，处于反接状态的电源仍然加载在场效管上，大量电流直接从电源正极经过场效应管的寄生二极管流向电源负极导致电源接近于短路，电源还是处于接近短路的状态，所以仅仅从软件上提供电源反接报警并不能真正的保护起到保护电子负载和保护电源的作用。
传统的电子负载如图1所示，它包括依次连接的微控制单元MCU、第一模数转换单元V_ADC、第二模数转换单元I_ADC、数模转换单元DAC、输入电阻Ri、反馈电阻Rf、采样电阻Rs、集成运算放大器U1、电容C1、可控增益放大单元PGA、驱动单元Drive、场效应管Q1、电压采样单元Volt Sample、电流采样单元Curr Sample、外接电源E和参考地，微控制单元MCU的一部分输出引脚连接到数模转换单元DAC的输入端，数模转换单元DAC的输出端连接输入电阻Ri的一端，输入电阻Ri的另一端连接集成运算放大器U1的同相输入端，集成运算放大器的输出端连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接集成运算放大器的反相输入端，集成运算放大器U1的输出端还连接可控增益放大单元PGA的输入端，可控增益放大器的输出端连接驱动单元Drive的输入端，驱动单元Drive的输出端连接场效应管Q1的栅极，场效应管Q1的源极连接采样电阻Rs的一端，采样电阻Rs的一端连接反馈电阻Rf的一端，反馈电阻Rf的另一端连接集成运算放大器U1的反相输入端，采样电阻Rs的另一端连接参考地，采样电阻Rs的一端还连接到电流采样单元Curr Sample的输入端，电流采样单元Curr Sample的输出端连接到微控制单元MCU的一部分输入引脚，场效应管Q1的漏极连接到电压采样单元Volt Sample的输入端，电压采样单元Volt Sample的输出端连接到微控制单元MCU的另一部分输入引脚；微控制单元MCU负责控制数模转换单元DAC、第一模数转换单元V_ADC和第二模数转换单元I_ADC，输入电阻Ri、反馈电阻Rf、电容C1和集成运算放大器U1构成深度负反馈电路；可控增益放大单元PGA对集成运算放大器U1的输出进行电压放大；驱动单元Drive对可控增益放大单元PGA的输出进行流放大，以加速对场效应管Q1的驱动。
技术实现要素：
为克服上述问题，本发明提供一种具有电压反接保护功能的电子负载装置，通过增加电压识别单元来驱动和控制双刀双掷继电器，当且仅当外接电源的极性连接正确时才会将电源从物理上连接到电子负载，从而有效地防止电源反接时因为场效应管寄生二极管导致的电源短路，达到保护电子负载和被测试电源的目的。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种具有电压反接保护功能的电子负载装置，它包括依次连接的微控制单元MCU、第一模数转换单元V_ADC、第二模数转换单元I_ADC、数模转换单元DAC、输入电阻Ri、反馈电阻Rf、采样电阻Rs、集成运算放大器U1、电容C1、可控增益放大单元PGA、驱动单元Drive、场效应管Q1、电压采样单元Volt Sample、电流采样单元Curr Sample、双刀双掷继电器K101、电压识别单元Volt Detect、外接电源E和参考地，电压识别单元Volt Detect负责判断外接电源E的极性，产生对外接电源E的极性的判断结果，并送至微控制单元MCU；微控制单元MCU负责接收来自电压识别单元Volt Detect产生的低电平中断。
进一步地，电压识别单元Volt Detect包括极性检测部分和继电器驱动部分，极性检测部分负责判断外接电源E的极性，继电器驱动部分负责驱动双刀双掷继电器K101；
当外接电源E连接方式正确时，极性检测部分的输出结果为高电平，此时继电器驱动部分产生低电平输出，驱动双刀双掷继电器K101吸合；此时，外接电源E将以正极性输出端连接到场效应管Q1的漏极，外接电源将以负极性输出端连接到参考地，从而有效防止了外接电源E极性反接所造成的破坏。
进一步地，外接电源E的正极性输出端连接电压识别单元Volt Detect的输入端，外接电源E的正极性输出端还连接双刀双掷继电器K101的C引脚，外接电源E的负极性输出端连接双刀双掷继电器K101的C'引脚，双刀双掷继电器K101的A引脚连接场效应管Q1的漏极，双刀双掷继电器K101的A'引脚连接参考地，双刀双掷继电器K101的B引脚连接参考地，双刀双掷继电器K101的B'引脚连接参考地，电压识别单元Volt Detect的输出端连接双刀双掷继电器K101的控制引脚，电压识别单元Volt Detect的输出端还连接微控制单元MCU的一个中断引脚。
有益效果：
1.本发明提出了一种具有电压反接保护功能的电子负载装置，通过增加电压识别单元来驱动和控制双刀双掷继电器，当且仅当外接电源的极性连接正确时才会将电源从物理上连接到电子负载，从而有效地防止电源反接时因为场效应管寄生二极管导致的电源短路，达到保护电子负载和被测试电源的目的。
2.本发明提供的解决方案中的电路，结构可靠，所采用的电子元器件均为常规型号，元器件易于采购，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是传统电子负载原理框图；
图2是本发明具有电压反接保护功能的电子负载装置原理框图；
图3是本发明具有电压反接保护功能的电子负载装置信号流程图；
图4是本发明具有电压反接保护功能的电子负载装置信号实施图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的一种具有电压反接保护功能的电子负载装置，如图2、3所示，它包括依次连接的微控制单元MCU、第一模数转换单元V_ADC、第二模数转换单元I_ADC、数模转换单元DAC、输入电阻Ri、反馈电阻Rf、采样电阻Rs、集成运算放大器U1、电容C1、可控增益放大单元PGA、驱动单元Drive、场效应管Q1、电压采样单元Volt Sample、电流采样单元Curr Sample、双刀双掷继电器K101、电压识别单元Volt Detect、外接电源E和参考地，微控制单元MCU的一部分输出引脚连接到数模转换单元DAC的输入端，数模转换单元DAC的输出端连接输入电阻Ri的一端，输入电阻Ri的另一端连接集成运算放大器U1的同相输入端，集成运算放大器U1的输出端连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接集成运算放大器U1的反相输入端，集成运算放大器U1的输出端还连接可控增益放大单元PGA的输入端，可控增益放大器PGA的输出端连接驱动单元Drive的输入端，驱动单元Drive的输出端连接场效应管Q1的栅极，场效应管Q1的源极连接采样电阻Rs的一端，采样电阻Rs的一端连接反馈电阻Rf的一端，反馈电阻Rf的另一端连接集成运算放大器U1的反相输入端，采样电阻Rs的另一端连接参考地，采样电阻Rs的一端还连接到电流采样单元Curr Sample的输入端，电流采样单元Curr Sample的输出端连接到微控制单元MCU的一部分输入引脚，场效应管Q1的漏极连接到电压采样单元Volt Sample的输入端，电压采样单元Volt Sample的输出端连接到微控制单元的另一部分输入引脚，外接电源E的正极性输出端连接电压识别单元Volt Detect的输入端，电源E的正极性输出端还连接双刀双掷继电器K101的C引脚，外接电源E的负极性输出端连接双刀双掷继电器K101的C'引脚，双刀双掷继电器K101的A引脚连接场效应管Q1的漏极，双刀双掷继电器K101的A'引脚连接参考地，双刀双掷继电器K101的B引脚连接参考地，双刀双掷继电器K101的B'引脚连接参考地，电压识别单元Volt Detect的输出端连接双刀双掷继电器K101的控制引脚，电压识别单元Volt Detect的输出端还连接微控制单元MCU的一个中断引脚；
微控制单元MCU负责控制数模转换单元DAC、第一模数转换单元V_ADC和第二模数转换单元I_ADC，微控制单元MCU还负责接收来自电压识别单元Volt Detect产生的低电平中断；输入电阻Ri、反馈电阻Rf、电容C1和集成运算放大器U1构成深度负反馈电路；可控增益放大单元PGA对集成运算放大器U1的输出进行电压放大；驱动单元Drive对可控增益放大单元PGA的输出进行流放大，以加速对场效应管Q1的驱动；电压识别单元Volt Detect负责判断外接电源E的极性，产生对外接电源E的极性的判断结果；电压识别单元Volt Detect将外接电源E极性判断结果，送至微控制单元MCU；
电压识别单元Volt Detect包括极性检测部分和继电器驱动部分，极性检测部分负责判断外接电源的极性，继电器驱动部分负责驱动双刀双掷继电器K101；当外接电源E连接方式正确时，极性检测部分的输出结果变成高电平，此时，继电器驱动部分产生低电平输出，驱动双刀双掷继电器K101吸合；此时，外接电源E将以正极性输出端连接到场效应管Q1的漏极，外接电源E将以负极性输出端连接到参考地，从而有效防止了外接电源E极性反接所造成的破坏。
实施例：
如图4所示，电压识别单元Volt Detect包括极性检测部分和继电器驱动部分；极性检测部分由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、集成运算放大器U10、集成比较器U11、+15V电源、-15V电源、+3V3电源组成；继电器驱动部分由达林顿晶体管阵列U12(优选芯片型号为ULN2003A)和双刀双掷继电器K101线包外接电源+VRelay组成。
如图4所示，电子负载装置的工作原理：设外接电源E的电动势为E，集成比较器U11的同相输入端电压为V+，集成比较器U11的反相输入端电压为V-，REV送至微控制单元MCU的一个中断引脚，Pos Power为外接电源E的正极性输出端电势，Neg Power为外接电源E的负极性输出端电势，于是：
Pos_Power-Neg_Power＝E……(1)
第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和集成运算放大器U10，以集成运算放大器U10为核心形成深度负反馈电路，构成差分放大电路，设集成运算放大器U10的输出电压Vout，则：
因为R1＝R2＝100kΩ，R3＝R4＝1kΩ，代入(2)式可得：
设集成比较器U11的反相输入端电压为Vref，则：
因为R6＝10MΩ，R7＝1kΩ，代入(4)式可得：
Vref＝-1.5mV……(5)
当外接电源E连接方式正确时，即外接电源E的正极性输出端连接到电子负载的正极性输入端，外接电源E的负极性输出端连接到电子负载的负极性输入端，且外接电源E电动势不为零，此时：
进一步，可得：
Vout＞Vref，对于集成比较器U11存在V+＞V-，集成比较器U11的输出端集电极开路，
REV＝+3.3V……(7)
于是，再进一步，可得U12即ULN2003A的16号引脚输出状态为低电平，则双刀双掷继电器K101吸合，即外接电源E的正极性输出端连接到电子负载的正极性输入端，外接电源E的负极性输出端连接到电子负载的负极性输入端。
同时，微控制单元MCU的对应的中断引脚处于高电平状态，微控制单元MCU控制数模转换单元DAC作用，微控制单元MCU将可对数模转换单元DAC赋值数字量。
当外接电源E连接方式反接时，即外接电源E的正极性输出端连接到电子负载的负极性输入端，外接电源E的负极性输出端连接到电子负载的正极性输入端，且外接电源E电动势大于一百五十毫伏，此时Vout＜Vref，对于集成比较器U11存在V+＜V-，集成比较器U11的输出端接地，
REV＝0……(8)
于是，再进一步，可得U12即ULN2003A的16号引脚输出状态为高电平，则则双刀双掷继电器K101不动作，场效应管Q1的栅极电压为零，场效应管Q1的源极电压也为零，那么场效应管Q1的寄生二极管不会导通，同时，微控制单元MCU的对应的中断引脚处于低电平状态，微控制单元MCU将禁止对数模转换单元DAC赋予数字量。
对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。