一個(gè)模擬電子技術(shù)口袋實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳曠 田歌

摘要：基于對(duì)傳統(tǒng)模擬電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的一些弊端進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種小型化、便攜式的迷你模擬電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備。設(shè)備具有基礎(chǔ)的模擬電子實(shí)驗(yàn)功能，可應(yīng)用于課堂教學(xué)中的及時(shí)實(shí)踐環(huán)節(jié)，做到模擬電子技術(shù)理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的無縫結(jié)合。經(jīng)實(shí)踐教學(xué)表明，該裝置的應(yīng)用受到學(xué)生的積極反饋，明顯提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)手實(shí)踐能力，得到了良好評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：模擬電子;實(shí)驗(yàn)設(shè)備;便攜式;微控制器應(yīng)用;人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TP34? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）21-0096-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

隨著模擬電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)涵建設(shè)的不斷深入，對(duì)學(xué)生的理解運(yùn)用與動(dòng)手創(chuàng)新能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的教學(xué)-實(shí)驗(yàn)互相分離的教學(xué)模式越來越受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-2]。為解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，實(shí)踐理論結(jié)合較為滯后的弊端，設(shè)計(jì)并開發(fā)了模擬電子技術(shù)口袋實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，該系統(tǒng)將目前高校中常用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)箱中的常用功能進(jìn)行分離、裁剪、微型化與再集成，實(shí)現(xiàn)了將常見的模電實(shí)驗(yàn)裝進(jìn)口袋，隨帶隨走，隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的口袋實(shí)驗(yàn)室。通過教學(xué)實(shí)踐表明，能夠在課堂上與理論教學(xué)同步實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法學(xué)習(xí)效果較傳統(tǒng)教學(xué)有長足的進(jìn)步，尤其在稍微晦澀難懂的章節(jié)，學(xué)生能夠通過口袋實(shí)驗(yàn)室及時(shí)進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，對(duì)于理解相應(yīng)理論知識(shí)有非常明顯的幫助?？诖鼘?shí)驗(yàn)室教具的運(yùn)用真正體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”，學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展成效驅(qū)動(dòng)的教育理念，可以有效地幫助學(xué)生更好地完成個(gè)性化、探究性實(shí)驗(yàn)任務(wù)。提高了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)和創(chuàng)新能力，保證了電路實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量。

2 口袋實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的必要性

模擬電子技術(shù)是高校教學(xué)中非常重要的一門基礎(chǔ)課程，是自動(dòng)化、電氣工程、機(jī)械電子、電子信息等弱電相關(guān)類專業(yè)的基礎(chǔ)專業(yè)課，在絕大多數(shù)高校教學(xué)中，模擬電子技術(shù)都是一門專業(yè)必修課程。而模擬電子技術(shù)的課程簡單總結(jié)下又具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：抽象、多變和復(fù)雜。傳統(tǒng)教學(xué)方式中，往往是教師課堂講解理論知識(shí)，課后學(xué)生集中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[2]。

這種教學(xué)與實(shí)踐在時(shí)間與空間上的相互分離往往形成學(xué)生在理論學(xué)習(xí)過程中由于未見實(shí)物器件與電路，只見紙面公式推導(dǎo)與原理分析造成的模電理論知識(shí)不牢固，不透徹;在實(shí)驗(yàn)過程中由于理論學(xué)習(xí)不牢固、不透徹造成實(shí)驗(yàn)電路搭建易出錯(cuò)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以理解到位的惡性循環(huán)，最終的結(jié)果是學(xué)生普遍反映模擬電子技術(shù)難以學(xué)習(xí)，聽不懂、做不會(huì)，更進(jìn)一步甚至喪失學(xué)習(xí)興趣[3-4]。

通過對(duì)以上教學(xué)實(shí)踐中的問題進(jìn)行分析，如何將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室搬進(jìn)理論教學(xué)課堂成了關(guān)鍵解決辦法，口袋實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)由此而來。其與傳統(tǒng)模電實(shí)驗(yàn)室相比具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

（1）小巧。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的操作對(duì)象往往是實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱，固定安裝在實(shí)驗(yàn)室難以移動(dòng)[5]?？诖鼘?shí)驗(yàn)室的體積要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱，大小與家用路由器相仿，具有非常優(yōu)秀的便攜性。

（2）功能全面。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱為照顧多門課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，往往具有非常全面的預(yù)建實(shí)驗(yàn)電路，配套豐富的電源系統(tǒng)與相應(yīng)的測量儀器。口袋實(shí)驗(yàn)室的功能專為模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，同時(shí)內(nèi)建基本電源系統(tǒng)與測量工具，實(shí)現(xiàn)模電學(xué)習(xí)過程中與專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的同等效果。

2 口袋實(shí)驗(yàn)室的硬件組成與設(shè)計(jì)

口袋實(shí)驗(yàn)室的組成主要有兩個(gè)大的部分，其一是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該部分實(shí)現(xiàn)了模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中所需要的電源、信號(hào)源、基本測量工具與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示界面。其二是實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路，包含了模擬電子技術(shù)教學(xué)過程中可以輔助理解理論知識(shí)的常用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)電路。

2.1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是口袋實(shí)驗(yàn)室的核心部件，主要實(shí)現(xiàn)的功能有以下幾點(diǎn)：

（1）電源處理與轉(zhuǎn)換。將輸入的4.5V～5.5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，5V與-5V電壓，分別給核心處理器與實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路中放大電路進(jìn)行供電，具體電路如圖1所示。

（2）信號(hào)的發(fā)生與測量。模擬電子技術(shù)中的實(shí)驗(yàn)總是需要一個(gè)穩(wěn)定的正弦波作為信號(hào)源輸入到放大電路中，信號(hào)發(fā)生的實(shí)現(xiàn)由核心處理器內(nèi)置DAC來完成，根據(jù)處理器數(shù)據(jù)手冊，該DAC分辨率為12bit，典型轉(zhuǎn)換時(shí)間為2μs，在正弦波形基本不失真的狀態(tài)下取一個(gè)周期50個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行直線擬合，輸出頻率可達(dá)10kHz，該頻率下的信號(hào)對(duì)大多數(shù)的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)來講是足夠用的。為彌補(bǔ)處理器信號(hào)源對(duì)外電流輸出的能力較弱的劣勢，在該引腳后加入一路電壓跟隨器進(jìn)行帶負(fù)載能力的增強(qiáng)，具體電路見圖2所示。

由于放大電路的供電由±5V電源提供，考慮軌對(duì)軌的運(yùn)算放大器運(yùn)用，實(shí)驗(yàn)?zāi)K處理后的放大后信號(hào)峰峰值理論最高可達(dá)10V。處理器內(nèi)置ADC僅可采樣0～3.3V電壓，為滿足信號(hào)測量要求，放大電路的輸出信號(hào)由兩路運(yùn)放將峰峰值為10V的電壓變換到0～3V電壓，具體處理電路如圖3所示。處理電路整體看分為兩級(jí)處理，第一級(jí)電路將信號(hào)按比例衰減到-1.5V～+1.5V，第二級(jí)電路將衰減后的信號(hào)整體抬升1.65V，達(dá)到輸出電壓信號(hào)處于0～3.3V內(nèi)的目的。電路運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

（3）人機(jī)交互界面。實(shí)驗(yàn)室中最重要的也是最常用的儀器就是示波器與信號(hào)發(fā)生器，這兩種儀器最大的作用就是信號(hào)的可視化設(shè)定與檢測?？诖鼘?shí)驗(yàn)室的初衷便是便攜化的模擬信號(hào)處理電路驗(yàn)證與檢測設(shè)備，可視化的人交互界面是必不可少的?？诖鼘?shí)驗(yàn)室的人交互系統(tǒng)主要采用組態(tài)屏實(shí)現(xiàn)，利用組態(tài)技術(shù)，以組件拖放的方式可以快速地完成人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)工作。市面上有很豐富的組態(tài)屏可供選擇，口袋實(shí)驗(yàn)室選取的是廣州大彩公司生產(chǎn)的7寸組態(tài)屏幕，結(jié)合基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)板可以方便地收納進(jìn)背包，同時(shí)7寸的彩色觸摸屏幕也有足夠的空間布置相應(yīng)的操作按鈕與儀器界面。其中集成運(yùn)算放大器應(yīng)用的信號(hào)比例加法運(yùn)算的操作界面如圖5所示，其中輸入信號(hào)1比例系數(shù)為1。輸入信號(hào)2比例系數(shù)為2。其余實(shí)驗(yàn)的界面采用類似風(fēng)格，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，加入輸入波形，輸出波形的顯示等，這里不再一一列出。

2.2? 實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路

實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路是口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)主體，是模擬電子技術(shù)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)功能電路的主要載體。按照不同的模擬電子實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路有基本放大電路模塊，射極跟隨器模塊，多級(jí)放大電路模塊，負(fù)反饋放大器模塊，集成運(yùn)算放大器模塊，振蕩電路模塊等不同的實(shí)驗(yàn)電路板。

（1）基本放大電路模塊。基本放大電路是模擬電子實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，主要探究三極管的放大原理以及三極管靜態(tài)特性對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響。該電路模塊采用S8050三極管作核心放大晶體管，該型晶體管也是多數(shù)電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用的晶體管之一，模塊電路圖如圖6所示。在該實(shí)驗(yàn)中，不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定通過短接不同位置的跳線端子來實(shí)現(xiàn)。具體方法是，短接JP1中1-2端子實(shí)現(xiàn)基本共射放大電路的實(shí)驗(yàn)，短接JP1中5-6端子實(shí)現(xiàn)射極跟隨器的實(shí)驗(yàn)。

（2）集成運(yùn)放實(shí)驗(yàn)?zāi)K。該模塊可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的比例、加法與減法運(yùn)算，涵蓋了常用模擬電子課程在集成運(yùn)放運(yùn)算電路中的實(shí)驗(yàn)需求。其中同相輸入的集成運(yùn)放實(shí)驗(yàn)電路圖如圖7所示。集成運(yùn)放采用TLV272IDGKR型號(hào)，該運(yùn)放是德州儀器公司出產(chǎn)的高精度運(yùn)放之一，具有良好的運(yùn)算速度與運(yùn)算精度，電路中配合使用的電阻均為0.1%精度的高精密電阻，通過配置JP2與JP3不同位置的導(dǎo)通端子，可實(shí)現(xiàn)單一信號(hào)的同相比例運(yùn)算，兩信號(hào)的同相輸入求和。通過合理的PCB布局布線，電路具有良好的抗干擾能力，實(shí)驗(yàn)中輸入信號(hào)的運(yùn)算效果接近理想狀態(tài)下的仿真結(jié)果，對(duì)學(xué)生理解運(yùn)算電路的工作原理起到了良好的輔助作用。

（3）統(tǒng)一輸入輸出接口。實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路具有統(tǒng)一的信號(hào)輸入輸出接口，按照接口規(guī)范，同學(xué)們也可在后續(xù)課程學(xué)習(xí)后自行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證不同的模擬電子電路的工作效果。目前已經(jīng)有同學(xué)設(shè)計(jì)出一些波形變換電路模塊并通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了良好的效果。其中一種電路原理圖及運(yùn)行效果如圖8所示。

3 口袋實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路是無須編程的純硬件電路，而口袋實(shí)驗(yàn)室中信號(hào)的發(fā)生與檢測功能是運(yùn)行在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的程序支撐的。此部分的程序設(shè)計(jì)也是口袋實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的核心之一。

3.1 信號(hào)發(fā)生程序

信號(hào)的發(fā)生主要由主控芯片的內(nèi)置DAC完成，信號(hào)發(fā)生程序模塊內(nèi)置正弦數(shù)據(jù)表與三角波形數(shù)據(jù)表，由HMI屏幕輸入信號(hào)的頻率、幅值參數(shù)，主芯片通過串口接收到相應(yīng)指令后按照設(shè)定參數(shù)完成DAC配置，查表輸出相應(yīng)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)模擬波形的輸出。具體流程圖如圖9所示。

3.2信號(hào)檢測程序

信號(hào)檢測程序是口袋實(shí)驗(yàn)室的另一核心功能，該功能由主控芯片的內(nèi)置12bit ADC完成模擬信號(hào)的采樣，采樣后的數(shù)字量會(huì)經(jīng)過簡單的數(shù)字濾波處理后以固定周期、固定格式報(bào)文將波形數(shù)據(jù)輸出到HMI組態(tài)屏幕，觸控屏內(nèi)運(yùn)行波形解析腳本，還原采樣的模擬波形至屏幕顯示。信號(hào)檢測程序的具體流程圖如圖10所示。

4 結(jié)論

口袋實(shí)驗(yàn)室是一款具備專業(yè)電子實(shí)驗(yàn)室基本功能的便攜化的課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備將專業(yè)電子實(shí)驗(yàn)室的電源處理、信號(hào)發(fā)生與信號(hào)檢測還原等功能在性能參數(shù)上進(jìn)行弱化，在滿足了教學(xué)需求的前提下極大地減小了模擬電子實(shí)驗(yàn)的場地要求，學(xué)生與教師可將傳統(tǒng)的模電實(shí)驗(yàn)隨時(shí)搬進(jìn)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，“學(xué)”“做”相輔，極大地減少了傳統(tǒng)模擬電子課程理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之間的時(shí)間差，使學(xué)生能夠真正地在第一時(shí)間對(duì)所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，及時(shí)辨析理論與實(shí)踐之間的區(qū)別與聯(lián)系。開放的信號(hào)接口也能夠激發(fā)學(xué)生自制實(shí)驗(yàn)電路的熱情，達(dá)到良好的以興趣促進(jìn)學(xué)習(xí)的目的。

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