电子技术“口袋实验室”开发及实验项目设计

金 燕, 陈 强

(浙江工业大学 信息工程学院, 浙江 杭州 310023)

“口袋实验室”具有体积小、功能全、操作方便、可扩展性强的特点,解决了实验室的时间和空间限制问题,激发了学生的自主学习兴趣,提高了学生的创新意识和能力[1],有助于学生个性化发展。口袋实验室已越来越多地应用于实践性强的高校课程[2-5],如单片机类课程[6-7]、嵌入式系统课程[7-8]、数字电子技术课程[9-10]、物联网技术课程[11-12]等。

从公司直接采购的“口袋实验室”具有通用性强、产品性能稳定、符合行业标准等优点,但由于不同高校课程要求不同,市场的产品不一定符合课程的所有教学要求;由学校自主研发的实验套件突出了量身定制的优势,所以其功能和操作性将更符合实验教学要求。

本文将现有产品和自行研发结合,开发了一种电子技术“口袋实验室”,并基于该平台设计了“称重传感器信号调理电路”实验项目,该实验项目可用于模拟电子技术综合性实验或课程设计实验。

1 电子技术“口袋实验室”的设计和实现

1.1 电子技术“口袋实验室”总体方案

NImyDAQ是近年由美国NI公司设计的小巧便携的数据采集器,具有坚固外壳和安全措施,适合学生使用,通过USB 和计算机相连,能输出或分析实时信号,实现多种常见的实验室仪器：双通道示波器、函数信号发生器(正弦波、三角波、锯形波)、数字万用表、任意波形发生器、波特图分析仪、动态信号分析仪(快速傅里叶变换)、数字逻辑电平指示器和数字逻辑电平写入器、-10 V～+10 V模拟直流电压输出、音频均衡器等,NImyDAQ提供5 V和±15 V的直流电源,2路差分模拟输入通道、2路模拟输出通道、8路数字输入/输出复用端口、1 路音频输出端口、1 路音频输入端口、内置万用表的专用接线端口。NI myDAQ已被多所高校选用,例如上海交通大学、杭州电子科技术大学、山东大学[13]等。但在使用中发现NI myDAQ存在以下问题：

(1) 输出的5V和±15V直流电源功率太小,总计最大500 mW,虽然对于电子技术基础性实验,如晶体管单管放大器、单运放应用等,NI myDAQ的电源输出电流能满足要求；但如果进行一些综合性实验,其提供的5 V和±15 V直流电源电压常由于过载而导致失压;

(2) 数字输入/输出复用总端口数只有8路,对于某些数字逻辑电路实验不够用。这些问题一定程度上限制了NI myDAQ的应用。

为了解决这些问题,并且使得基于NI myDAQ的实验操作更加便利实用,研制了包含有多种功能模块的扩展电路板,并将该功能扩展板与NI myDAQ和面包板一起组成电子技术“口袋实验室”实验平台,框图见图1。

图1 电子技术“口袋实验室”总框图

1.2 功能扩展板设计和实现

图1中,功能扩展板设计有与NI myDAQ连接的20脚接口、直流稳压电源、单脉冲发生电路、6位数码管显示、1路音频采集电路、8位逻辑电平输出、8位逻辑电平指示等模块;面包板用于搭建实验电路。利用扩展板上的功能模块及NI myDAQ自带的信号发生器和测量仪器,可完成多种模拟电子电路和数字电子电路实验。

在设计扩展板上各功能模块电路时,优先选用模拟电子电路和数字电子电路课程教学内容中的常规元器件和电路,如电阻、电容、双极型三极管、三端集成稳压器、555定时器、数码管、发光二极管等。这样,功能扩展板不仅可以作为实验装置的一部分,而且本身还是一块学习板,学生通过对其中各功能模块的学习和操作,帮助理解和掌握电子技术课程涉及的知识点。

直流稳压电源模块是在+12 V直流稳压电源输入情况下,具有+12 V、+9 V、-9 V、+5 V、-5 V 5组输出,各组电压输出端留有4孔输出接线母座,便于用杜邦线进行连接。+9 V由7809三端集成稳压器产生,其输入为12 V;+5 V由7805输出,其输入为+9 V;-9 V由一片ICL7660产生,如图2所示。ICL7660是小功率的电源极性反转转换器,每片只需要外接2个10 μF的电容即可完成电源极性转换,ICL7660的脚8为正电压输入,脚5为负电压输出。Header2x2为4孔输出接线母座。-5 V由另一片ICL7660产生,电路与图2相同,只需将+9 V处改成+5 V即可。

图2 直流稳压电源模块

单脉冲模块有二路独立的单脉冲产生电路,一路输出正脉冲,另一路输出负脉冲,如图3所示。555定时器组成的单脉冲产生电路的输出为正脉冲,后面再加一级晶体三极管组成的反相电路即可产生负脉冲。

图3 双路单脉冲产生电路

数码管显示电路选用9 mm(0.36英寸)红色共阴数码管,所接的限流电阻阻值为3.3 k。输入端为高电平5 V时,对应笔段发光二极管亮。逻辑电平指示电路的输入端为低电平时,发光二极管亮;输入端为高电平时,发光二极管灭。

图4为研制完成的功能扩展板成品实物图,大小约19 m×7.5 cm,选用低成本器件,各功能模块的输入或输出端口均放置了足够的接线端口。由于对各元器件选用了常规的封装类型,整块功能扩展板的焊接、装配和调试不需要太多技能,所以也可由使用该扩展板的学生在使用前自行完成装配,使学生获得参与电子制作、增强实践能力的机会。

图4 功能扩展板成品实物图

1.3 电子技术“口袋实验室”调测结果

电子技术“口袋实验室”实验平台实物图见图5。扩展板与面包板装配固定在同一底板上,以方便携带。扩展板、面包板和NI myDAQ总尺寸不大于A4纸。实验时,将NI myDAQ通过USB 线和电脑相连,NI myDAQ仪器仪表及接口设置等操作通过计算机完成,数据和波形显示在计算机屏幕上,见图6。

图5 电子技术“口袋实验室”实物图

图6 计算机屏幕截图

在该实验平台上进行了模拟电子技术和数字电子技术实验,结果表明该“口袋实验室”不仅适合基础性实验,也能进行复杂的综合性实验,具有操作简便、性能可靠、便携等特点。例如,图5中面包板上搭建有几组实验模块。其中电路1为由CD4518和CD4511组成的十进制计数器和七段显示译码器,其时钟脉冲由扩展板上的单脉冲提供,按动一次单脉冲按钮,计数器加1。电路2是由555定时器组成的施密特触发器,其输入信号源由NI myDAQ函数信号发生器提供,NI myDAQ双通道示波器测量输入和输出波形,见图6,图6中红色的为输入电压波形,蓝色的是输出电压波形。电路3为由运放组成的双门限电压比较器。电路4为称重传感信号调理电路。图6中显示的0.5 V电压值是用NI myDAQ万用表测得的称重传感信号调理电路的滤波模块的输出端的电压值,此时称重传感上所加的砝码为100 g。

2 称重传感器信号调理电路

“口袋实验室”的充分应用不仅要相应的软硬件,还要有相关实验内容的设计,为此设计了适合用于模拟电子技术课程设计或综合实验课程的“称重传感器信号调理电路”实验。该实验来源于教师的实际科研项目,经适当简化和修改。

电子称是学生较为熟悉的电子装置,它主要由称重传感器及传感器输出信号处理电路组成。称重传感器将重量信号转换成电信号,由于该电信号是微弱信号,需要再通过信号调理电路将微弱信号进行放大、处理和变换,然后再送给下一级模数转换和数字信号处理后显示结果。信号调理电路主要是由模拟电子电路组成,并且涉及到很多模拟电子技术知识点,所以非常适合用于模拟电子技术综合性实验或课程设计。

2.1 实验任务

该实验为设计性实验,只给出任务和要求,学生在教师指导下通过查阅相关资料自主完成各模块的设计及系统级调测等。

(1) 要求学生按图7框图设计一种称重传感器信号调理电路。已知称重传感器满载荷量程为1 kg，激励电压3～12 V,综合误差0.05%FS,灵敏度(10.1) mV/V, 线性度0.05%FS,过载能力150%,称重传感器的输出电压值由激励电压和所加的压力共同决定。通过前置放大电路,把称重传感器输出的毫伏级微弱电压信号放大至几伏。有源低通滤波电路要求能滤除50 Hz以上的频率信号,以减少工频信号对电路的干扰,并在称重传感器所加的压力在0～1 kg范围内变化时,滤波电路输出电压V3在0～5 V范围内成线性地变化。电压/电流转换电路能将0～5 V电压信号转换成标准的4～20 mA模拟电流信号输出,电流输出方式适用于需要将模拟信号进行较长距离传输的场合。

(2) 要求学生通过查阅相关资料,并借助电路仿真软件,设计并调测各级放大和滤波模块，然后搭建实际电路,先分模块调试,再进行系统级联合调试。在仿真实验和实际实验过程中记录和分析相关实验数据,包括有源低通滤波电路的频度响应测量和分析等。

该实验项目涉及到模拟电子技术课程中的差分放大电路、运算放大器及其应用、有源滤波电路及其频率响应、负反馈放大电路、电压/电流信号转换电路、多级放大电路等知识点,以及模拟电子电路分析和设计方法,难易适度。教师验收学生实验完成情况时,只要在称重传感器上放置标准砝码,即可方便地检查各级电路的输出是否符合设计指标要求,提高了实验指导效率。

图7 称重传感器信号调理电路框图

2.2 称重传感器信号调理电路设计实例及测试结果

按上述实验任务要求,对该实验项目进行了试做,在仿真实验部分完成后,在“口袋实验室”进行实际电路的实验。

(1) 前置放大电路选用差分输入的仪表放大器AD620组成,如图8(a)所示,AD620所需外接元器件少,通过1脚与8脚的外接电阻RG设定电压放大倍数,设RG=100,则AD620电压增益为由于称重传感器在空载时输出电压不为零,所以在AD620的5脚设有调零电路,通过调节电位器R3(20 k),使得当称重传感器空载时,滤波模块输出电压V3为零。

(2) 有源低通滤波电路选用低输入失调电压、低噪声的OP07,组成经典的同相一阶RC有源低通滤波电路,滤波参数为R=51 k,C=0.2F,通带增益通过OP07的第6引脚与第2引脚间的反馈电位器实现可调,使得当称重传感器所加的压力在1 kg时,滤波电路通带内输出端V3为5 V。

(3) 电压/电流转换电路见图8(b),其中输入电压V3来自前一级有源低通滤波电路输出,RL作为负载电阻(实测RL=100.2),RL上的电流即为输出电流io,通过联合调节电位器R10和R13,可实现当V3在0～5 V范围内变化时输出电流io=4～20 mA。

称重传感器所用的直流激励为+5 V,前置放大电路、有源低通滤波电路和电压/电流转换电路均用+9 V和-9 V双路直流电源供电。

按照先模块调试再整体调试的步骤,在完成称重传感器信号调理电路系统级调试后,在称重传感器上施加砝码,从空载到满载1 kg(增量为100 g),用NI myDAQ内置万用表进行电压测量,部分测量情况见图9,图9(a)、(c)分别为称重传感器空载时的V3和VRL,此时有io=400 mV/100.2=4.0 mA;图9(b)、(d)分别为称重传感器满载1 kg时的V3和vRL,此时io=2 V/100.2=20.0 mA。全量程范围内实测结果见表1,可见io各值偏离其理想值最大为0.1 mA。

图8 称重传感器信号调理电路中前置放大电路和电压/电流转换电路

图9 用NI myDAQ万用表测量滤波电路的输出电压V3以及电压/电流变换电路负载RL的电压VRL

表1 称重传感器信号调理电路系统实测结果

图10为用NI myDAQ提供的Bode图示仪测得的有源低通滤波电路模块的频率响应,可见该滤波器能滤除50 Hz及以上的频率信号。

图10 用NI myDAQ的Bode图分析仪测量有源低通滤波电路的频率响应

3 结语

设计的“口袋实验室”既能进行电子技术基础性实验,也能进行综合性课程设计类实验,具有简单易用、方便携带、扩展性强的特点,不仅能用于实验教学,还能用于毕业设计、课外科技竞赛等。自主研制的功能扩展板制作成本低、容易装配和调试,所以还可用于电子工艺实习类课程的学生实训,完成装配后,由学生保管,并在后续的电子技术实验教学中使用,既增加了学生电子实践能力,又提高了对后续电子技术实验的兴趣。