無(wú)極可調(diào)交流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1引言

　　電阻是電路設(shè)計(jì)中最常用的電子元器件之一，具有多種型號(hào)、使用方便、價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，在電路中具有重要作用，但也存在諸多缺點(diǎn)，譬如阻值不準(zhǔn)確、功耗大、響應(yīng)慢等，給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多不便。本文利用Atmel公司的高性價(jià)比AT-mega48單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種新型電子阻抗，完全拋開(kāi)了傳統(tǒng)電阻采用電阻絲實(shí)現(xiàn)阻值，而是通過(guò)控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷時(shí)間等效改變阻值大小。這種新型的電子阻抗克服了傳統(tǒng)電阻的缺點(diǎn)，具有阻值精確、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

　　2 ATmega48單片機(jī)簡(jiǎn)介

　　ATmega48單片機(jī)是Atmel公司推出的一款高性能單片機(jī)。由于該器件采用RISC精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，其指令集大多為單周期指令，具有高速運(yùn)行的特點(diǎn)。該單片機(jī)在1.8 V～5.5 V的電壓范圍內(nèi)均能正常工作，抗干擾性強(qiáng)，片內(nèi)自帶4 K字節(jié)的Flash、256字節(jié)的E2PROM，以及512字節(jié)SRAM;內(nèi)置6～8路10位A/D轉(zhuǎn)換器、看門(mén)狗、3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC和6路PWM輸出。

　　3 硬件電路設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)板卡的主要功能模塊包括雙向光耦觸發(fā)雙向可控硅模塊、絕對(duì)值電路模塊、A/D采集模塊、通信模塊等。其基本工作原理：上位機(jī)發(fā)送占空比，通過(guò)RS-232通信使下位機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，控制光耦的通斷時(shí)間，改變可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，并在一個(gè)周期內(nèi)等效為相應(yīng)電流，從而實(shí)現(xiàn)電流的無(wú)極可調(diào)。

　　3.1 雙向光耦觸發(fā)雙向可控硅模塊

　　MOC3061系列光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器是一種內(nèi)置過(guò)零檢測(cè)電路的新型光電耦合器件，可以采用直流低電壓、小電流控制交流高電壓、大電流。MOC3061輸出端的額定電壓是600 V。最大重復(fù)浪涌電流為1 A，最大電壓上升率dv/dt為1 000 V/μs以上，一般高達(dá)2 000 V/μs，輸入/輸出隔離電壓大于7 500 V，輸入控制電流為15 mA。該器件觸發(fā)晶閘管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、觸發(fā)可靠等特點(diǎn)。MOC3061的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，它由輸入、輸出兩部分組成。1、2引腳為其輸入端，輸入級(jí)是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管(LED)，該二極管可在5 mA～15 mA正向電流作用下，發(fā)出足夠的紅外光。以觸發(fā)輸出部分。3、5引腳懸空，4、6引腳為輸出端，輸出級(jí)為具有過(guò)零檢測(cè)功能的光控雙向可控硅。當(dāng)紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光時(shí)，光控雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。雙向可控硅采用BTA16。最大電流為16 A，耐壓值為600 V。

　　MOC3061和雙向可控硅組成交流通路，實(shí)現(xiàn)主回路的通斷。由單片機(jī)的PWM波輸出端口控制MOC3061的通斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)主回路的通斷控制。通過(guò)改變PWM波的占空比控制雙向可控硅的通斷時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)主回路電流的無(wú)極可調(diào)。

　　在單片機(jī)PB1引腳輸出高電平時(shí)，過(guò)零通斷型光電耦合器MOC3061初級(jí)得到約10 mA的正向工作電流，使內(nèi)部硅化鎵紅外線發(fā)射二極管發(fā)射紅外光，將過(guò)零檢測(cè)器中光敏雙向開(kāi)關(guān)在市電過(guò)零時(shí)導(dǎo)通，接通主回路。在單片機(jī)PB1引腳輸出低電平時(shí)，雙向開(kāi)關(guān)關(guān)斷，主回路關(guān)閉。MOC3061和可控硅BTA16的接線如圖2所示。

　　3.2 絕對(duì)值電路

　　絕對(duì)值電路也稱為全波精密整流型電路，如圖3所示。其工作原理如下：

　　當(dāng)Ua為正電壓時(shí)，D2導(dǎo)通、D1截止，B處的電壓Ub=-2Ua，通過(guò)運(yùn)算放大器U1B的反相求和得到輸出電壓Uc：

　　Uc=-(Ua+Ub)=-(-Ua-2Ua)=Ua

　　當(dāng)Ua為負(fù)電壓時(shí)，D1導(dǎo)通、D2截止，B處的電壓Ub=0，通過(guò)放大器U1B的反相求和得到輸出電壓Uc：

　　Uc=-(Ua+Ub)=-Ua

　　綜上所述可得：Uc=|Ua|，即輸出端C電壓是輸入端A電壓的絕對(duì)值。

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　　3.3 系統(tǒng)主電路

　　系統(tǒng)主電路如圖4所示。上位機(jī)發(fā)出PWM控制信息，由單片機(jī)的PWM端口輸出相應(yīng)的PWM波，控制交流輸入ACA和ACB的導(dǎo)通時(shí)間。交流電導(dǎo)通后經(jīng)外部負(fù)載產(chǎn)生電流，電流器實(shí)現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換，經(jīng)采樣電阻R1后得到電壓信號(hào)由絕對(duì)值電路輸出到單片機(jī)的A/D端口，計(jì)算后再輸出至上位機(jī)。其中，選取采樣電阻R1要根據(jù)電流互感器的變比和單片機(jī)A/D的參考電壓計(jì)算。本電路采用變化為3：1 000的電流互感器，A/D采用單片機(jī)內(nèi)部的1.1 V基準(zhǔn)電壓。而負(fù)載電阻R9則是根據(jù)需要的電流及電源電壓進(jìn)行確定，R9確定后就可實(shí)現(xiàn)主回路電流在要求范圍內(nèi)無(wú)極可調(diào)。

　　3.4 通信模塊

　　上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸由通信模塊實(shí)現(xiàn)，通信模塊是由CAN總線和RS-232總線模塊組成，其電路如圖5所示。

　　RS-232電平轉(zhuǎn)換器MAX232可將