电路开放实验——数模转换解码电路的实现

应柏青，赵彦珍，沈　瑶

(西安交通大学　电工电子教学实验中心，西安　710049)



电路开放实验
——数模转换解码电路的实现

应柏青，赵彦珍，沈瑶

(西安交通大学电工电子教学实验中心，西安710049)

该文基于NI myDAQ教学平台的数模转换解码电路，介绍了在本科一年级电路课程中开设开放实验的实践过程。并就此实验项目的设计思路进行了详细的论述，提出在技术基础课程阶段开设开放实验的做法是可行的，也是实验改革需坚持的一个方向。

电路; 开放实验;数模转换;解码；NI myDAQ；数据流编程

从事电路实验教学多年来，由于其课程开设在大学一年级，学生知识储备量有限，大多数高校没有针对该阶段的学生开设开放实验，一般到了大学二三年级，才有开放性实验项目供学生选做。为配合国家级电工电子教学实验示范中心建设的需要，也为了尽早培养学生独立实验及科研创新能力，有必要在这方面开展一些尝试性工作。

自2010年起，西安交通大学电工电子教学实验中心在电气工程学院本科一年级学生中开展了电路开放实验的教学实践活动，活动得到了学生的积极响应。本文以数模转换解码电路的实现为例，介绍开放实验的实施方法。

1　实验设计思路

数模转换解码网络电路通称为数模转换器，又称D/A转换器。它是把数字量转变成相应模拟量的器件。D/A转换器基本上由权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关4个部分组成。

本实验作为电路课程中含有运算放大器的权电阻网络的实际应用，要求学生查阅相关资料，自行设计由面包板、电阻、运算放大器和发光二极管等组成的4位数模转换解码电路。

因此，本实验整体设想方案分为以下3个步骤。

1)硬件电路设计及仿真校验。

收集、查找资料设计完成4位数模转换解码电路，并用Multisim软件对设计的电路进行效验。

2)硬件搭建及调试。

在仿真校验正确的情况下，搭建硬件电路，调试取得实测数据。

3)实现解码。

根据学生自身能力，本实验有以下2种解码方案。

方案一，自编程序将测量结果输入计算机，由计算机给出解码结果。

方案二，采用数据采集方式。硬件调试完成后，将硬件电路输出的模拟量，通过NI myDAQ教学平台采集进计算机，用LabVIEW编程实现解码。

2　实验设计实例

数模转换解码电路有多种设计方案，以下为本文完成的一个设计实例。

1)电路原理。

由电阻、电源及运放等组成的4位数模转换解码电路的原理图如图1所示。

图中US为电源提供的电压。该电路输出与输入的关系为：

(1)

式中，d0～d3为二进制位。由此，可以将一个二进制的4位电压信号通过此电路转换成模拟电压输出值，再通过程序将模拟信号还原为数字信号，由计算机展现解码结果。

在US=6.4V时，理论值与实测值的对比数据如表1 所示。

表1　理论值与实测值的对比数据

根据实验所得数据，在LabVIEW 环境下设计算法，将计算机采集的模拟信号还原为初始设置的数字信号，并由Labview程序前面板及NI myDAQ数字端口的发光二极管显示结果。

2)NI myDAQ数据采集功能的设置。

① 直流6.4 V电源信号产生。

数模转换解码电路上的直流6.4 V电源信号由NI myDAQ模拟输出AO-0接口生成。

② 数模转换解码电路上模拟输出信号的采集。

数模转换解码电路上模拟输出信号由NI myDAQ模拟输入AI-0+接口采集送入计算机处理。

③ 发光二极管接在NI myDAQ数字0～3接口上。

3)LabVIEW 程序设计。

①程序前面板设计。

打开程序前面板，使之成为当前活动窗口，在其活动窗口中，右键打开控件选板。

★ 添加两个“数值显示”控件用于显示“采集的模拟电压”和“转换后的十进制整数”：控件选板→新式→数值→数值显示控件。

★ 添加一个“布尔量”数组控件用于显示“解码后的二进制数”：控件选板→新式→数组，拖动数组控件放置在程序前面板；控件→新式→布尔→圆形指示灯，拖动圆形指示灯放置在数组控件上。

★ 添加一个“停止”控件用于控制整个程序的结束：控件选板→新式→布尔→停止控件。

设计完成的LabVIEW前面板如图2所示。

图2　LabVIEW程序前面板

②程序框图设计。

打开程序框图面板，使之成为当前活动窗口，在其活动窗口中，右键打开函数选板。

★添加一个“while循环”结构：函数选板→编程→结构→while循环，用鼠标在程序框图中拖动，画出while循环的图框。

★添加“DAQ助手”：函数选板→Express→输入→DAQ助手→采集信号→模拟输入→电压→myDAQ1→aI0→完成。从aI0接口采集模拟电压信号。

★添加“DAQ助手3”：函数选板→Express→输出→选中DAQ助手→生成信号→模拟输出→电压→myDAQ1→aO0→完成。对aO0接口输出6.4 V直流电压给数模转换电路作为输入信号。

★添加“公式节点”：函数选板→编程→结构→公式节点。在公式节点中添加误差处理语句。

★添加“条件结构”：函数选板→编程→结构→条件结构。给条件结构添加16个分支，执行分支的条件设置为数字0～15。

★在每一个条件结构的分支中添加一个布尔型“数组常数”：函数选板→编程→数组→数组常数；函数选板→编程→布尔→真常量。设置布尔型数组常数的值与分支条件相对应。如分支条件为10，则布尔型数组常数设置为TFTF(真假真假)。

★添加“DAQ助手2”：函数选板→Express→输出→选中DAQ助手→生成信号→数字输出→线输出→myDAQ1→同时选中porto/line0～porto/line3共4个myDAQ数字接口→完成→确定。

★添加一个“反转一维数组”：函数选板→编程→数组→反转一维数组控件。

按图3所示连线，完成数据流编程任务。

图3　LabVIEW程序框图

3　结束语

当今社会对人才的需求更加注重综合能力和创新能力。电路实验也应由教师占主导地位的灌输式实验模式向以学生为主导的自主实验模式转变。

开放实验作为课内实验的一种补充给学有余力的学生提供了一次实践机会。结合大学一年级本科学生现有的知识开展开放实验的实践活动对提升学生独立实验及实验创新能力的作用不可忽视。在一年级基础课阶段开设开放实验是技术基础课程改革实验需坚持的一种方向。

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Circuit Opening Experiment——Realization of the Digital to Analog Conversion and Decode

YING Baiqing, ZHAO Yanzhen, SHEN Yao

(Electrical and Electronic Teaching Experiment Center, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The practical process of the circuit opening experiment was introduced through the circuit of the digital to analog converter based on the NI myDAQ teaching platform.The design idea of this experiment project was discussed in detail.It is feasible to set up an open experiment in the course of technical basic course, and is also a direction for the reform of the experiment.

circuit; opening experiment; digital to analog conversion; decode; NI myDAQ；data stream programming

2016-07-08

应柏青(1964-)，女，高级工程师，主要从事技术基础课程的实验教学工作。

TN701

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.003