基于MyDAQ的“电子技术基础”口袋实验室开发

荣海林， 姚福安

(山东大学 控制科学与工程学院， 山东 济南 250061)

0 引言

无论是“虚拟实验”还是实物实验，通常都是在规定时间内在实验室里完成的。近年来，有一种新想法得到了师生们很多赞许：让学生拥有自己的一个便携式硬软件实验平台，以便他们可以随时随地的进行实验学习，这便是口袋实验室的由来。

目前国内外确有高校积极开展这方面的研究。在此背案下，本文也提出了一种基于MyDAQ的便携式“电子技术基础”实验平台(“电子技术基础”口袋实验室)开发，该实验平台可以完全满足学生在宿舍、教室等任何地方都可以开展实验学习，极大地节约了时间，提高了学习效率。

1 实施方案

该实验平台的实施方案是利用NI MyDAQ作为数据采集卡来代替实验室中的万用表、示波器、信号发生器等仪器设备。将实验内容整合到一块实验板上，方便学生随时随地进行实验学习。整体实施方案如图1所示。

1.1 NI MyDAQ

数据采集卡NI MyDAQ具有体积小、携带方便、功能强大的特点。仅需通过USB和计算机相连，就可工作。MyDAQ具有2路差分模拟输入与2路模拟输出、8路数字输入与数字输出接口、1路音频输出与输入口、+5 V/+15 V/-15 V/电源等。MyDAQ与计算机相连可提供8种软件仪器，包括示波器、任意信号发生器、数字万用表、波特图仪、动态信号分析仪、函数信号发生器、数字读取器和数字写入器。该卡通过与计算机上的NI ELVISmx Instrument Launcher相连接，可以对采集到的信号或波形进行分析处理，NI ELVISmx Instrument Launcher如图2所示。

图1 整体实施方案

图2 NI ELVISmx Instrument Launcher

图中，DMM：数字万用表，分辨率(显示的有效位数)：3.5；

Scope：示波器，双通道，最大采样率为200 kS/s；

FGEN：函数发生器，输出频率范围为0.2 Hz～20 kHz；

Bode：Bode分析仪，频率范围为： 1 Hz～20 kHz；

DSA：动态信号分析仪；

ARB：任意波形发生器，可同时产生两路波形；

DigIn/DigOut：数字读取器/数字写入器。

1.2 实验板

为了便于携带，将实验平台全部的实验内容整合到一块实验板上，实验内容包括单管共射放大器、两级共射放大器、负反馈放大电路、差动放大器、场效应管、运算放大器线性应用、信号发生器，基本涵盖了全部“模拟电子技术”课程中的实验内容，在每个实验电路中，对所有的关键测量点都留出插孔，方便测量。同时，配合面包板，学生基本上可以实现所有的实验学习，设计的各个实验的原理图及制作的PCB和实物如图3和图4所示。

2 实验测试

完成该便携式实验平台后，对实验平台进行测试，下面就共射放大器这一实验内容做全面测试，来检测该实验平台。

图3 实验板设计原理图

图4 基于MyDAQ的模拟电子技术口袋实验板

共射放大器是“模拟电子技术”课程中最基本的内容，三极管组成的共发射极放大器电路如图5所示，其中电阻R1和R2组成衰减网络，目的是提高信噪比，减小噪声影响[1]。

图5 共射极基本放大器

该实验内容主要包括放大器静态工作点调试及测量；放大器电压放大倍数测量；放大器输入电阻测量；放大器输出电阻测量；观察由于静态工作点设置不当导致的波形失真；放大器上、下限频率的测量；放大电路频率特性测试等。

将实验板与NI MyDAQ相连，共地，将MyDAQ的+15 V电压输出端接到实验板基本放大器的UCC端，将S1闭合，先不给放大器加输入信号，用DMM(数字万用表)测量集电极电压，调节RW使三极管9013集电极电压约为7.5 V，测量基极和发射极电压，如 图6所示，判断三极管工作状态。

图6 三极管集电极，基极和发射极电位

从图6中可以看出，三极管的发射结正偏，集电结反偏，工作在放大状态。

使用NI MyDAQ的波形发生器输出一个1 kHz的正弦波，调节其峰峰值为 1 V，观察输入Ui和输出Uo信号波形，在不失真的情况下，分别测量无负载电阻和加上负载电阻的电压放大倍数，如图7所示，并计算输出电阻[2]。

图7 放大电路在没有负载和有负载的输入输出波形

由波形图可以看出，在没有负载的情况下其电压放大倍数为

在有负载的情况下电压放大倍数为

由此可以看出无负载的情况下，放大倍数是有负载的两倍，理论上RL和RC的阻值相同，倍数也应当为两倍的关系。

输出电阻为

将开关S1断开，分别测量US和Ui，如图8所示，计算输入电阻[3]。

输入电阻为

图8 断开S1的Ui和US波形

用NI MyDAQ的示波器观察输出波形，并调节RW电位器，观察由于静态点设置不合适引起的饱和失真和截止失真。如图9所示。

图9 饱和失真和截止失真波形图

由于MyDAQ最大可输出 20 kHz的信号，所以在放大器的输出端加上电容C3，可以大大降低放大器的上限截止频率，方便测量。在输入1 kHz，峰峰值为1 V的正弦波时，输出电压的峰峰值为3.5 V，保持输入电压的幅值不变，改变输入频率，并观察输出电压幅值的变化，当分别降低频率和增大频率导致输出电压的幅值变为原来的0.707倍，也就是大约2.47 V时，此时的频率就是放大器的上、下限频率，如图10所示。

由示波器可以看出，此放大器的上、下限频率分别为3.8 kHz 和121 Hz。

利用MyDAQ的Bode分析仪可以对放大电路进行频率特性分析，将AI0接到放大电路的输入端，将AI1接到放大电路的输出端，同时将MyDAQ的模拟输出端口AO0作为信号源接口，启动Bode分

图10 测量上下限频率的输入输出波形

析仪，可以看到放大电路的频率响应曲线如图11所示。

图11 放大电路的频率响应测试

由Bode图可以看到，上下限截止频率和放大倍数和前面的测量结果在误差允许范围之内[4]。

由于图5电路引入的是电流串联负反馈，放大电路可近似相当于一个恒流源，负反馈放大电路的增益为[5]

由图12可以看出，输出电压减小，上限频率同样仍为3.8 kHz，这是因为电路引入的反馈组态是电流串联负反馈。在输入电压不变的情况下，增益

图12 去掉旁路电容Ce放大电路的频率响应测试

通过对上述各项的测试数据与理论数据进行对比，所有误差都在允许的范围内，说明该实验平台测试效果良好，对于两级共射极放大电路，场效应管放大电路，差分放大电路，信号发生器以及运放的线性应用经过实际的测试，所得数据均符合理论要求。

3 结语

本文开发了一个针对“模拟电子技术”基础实验内容的便携式口袋实验室，该实验平台具有以下优点：体积小，容易携带，学生可以在任何地点任何时间进行实验学习，摆脱了实验室的束缚，大大提高了学习效率。通过实验测试，该实验平台操作简单，实验数据及波形容易获取和分析，实验精度完全得到保证。学生对该实验平台反馈意见良好，该平台在应用中取得了很好的教学效果。

[1] 童诗白．模拟电子线路[M]．北京：清华大学出版社，1996:58-65.

[2] 姚福安，徐向华.电子技术实验课程设计与仿真[M]. 北京：清华大学出版社，2015:166-170.

[3] 姚福安.电子电路设计与实践[M]. 济南：山东科学出版社，2005:23-31.

[4] 梁秀梅，于平义.模拟电子技术实验课程[M]. 西安：西北工业大学出版社，2008:48-55.

[5] 刘贵栋,王淑娟. 基于NI myDAQ的电子技术基础课堂教学[J]. 北京：现代教育技术. 2012(09):108-111.

[6] 孙晖,路扬,刘俊延. 基于myDAQ和Multisim的信号与系统实验设计[J]. 上海：实验室研究与探索. 2013(12):13-15.