电子技术口袋仪器硬件电路设计及应用

欧阳佳鹏 刘亿民 李 文

（1.湖南科技学院 电子与信息工程学院，湖南 永州 425199；2.皑云半导体有限公司，上海 200120）

国家教育战略“新工科”建设，形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等系列共识，发布并立项了新工科研究与实践项目，新工科建设从轰轰烈烈走向扎扎实实[1-3]。湖南科技学院70 多年来，始终坚持社会主义办学方向，学校扎根地方立足优势文科，大力发展结合地方产业发展的特色工科专业和专业集群，积极探索和培养满足时代需求的高素质应用型人才，走深化改革的内涵式发展之路。根据“新工科”对人才的培养目标及OBE的教学理念，围绕工科学生解决复杂工程问题的能力要求，创新教学及实践方式以强化学生工程实践能力、创新创业能力培养要求，提高学生分析和解决问题的能力成为当务之急[4-6]。目前，湖南科技学院通过不断完善实践教学体系，不断加大实践教学学时比例，不断提升课外科创竞赛等手段来提高应用型人才的培养质量。然而，地方新建本科院校受实验及实践设备资源等制约，实践环节的教学效果受到传统实验方式及管理模式等所需的人、财、物及时空的极大限制[7]。因此，亟需结合自身实际创新实践教学方式， 冲破制约应用型人才培养的瓶颈。

针对以上问题，结合教学团队及科创工作室多年的实践经验的基础之上，开发了一套能让学生拥有的电子技术口袋仪器，方便学生随时随地的开展实践学习活动[8-10]。该仪器平台能应用于电子技术系列课程的理论与实践教学之中，提高了学生学习的积极性和主动性，满足了学习随需的个性化学习需要，极大地提高了学习效率，促进了实践教学效果。且经过集成批量制作后成本较低，研究开发具有广阔的应用前景。

1 硬件电路总体方案设计

电子技术口袋仪器设计开发目标：

（1）教学目标：一方面能促进理论与实践的交叉融合。创新教学方式便于开展互动式教学，使理论与实践相辅相成。另一方面能激发学生的自主学习积极性和效率。拓展学生实践的时空，使得学生可以随需开展实践活动。再一方面注重将课内与课外、知识、能力与素质相互贯通，进而培养学生解决复杂工程问题的能力[11-13]。

（2）功能目标：具有基本实验及数据测量与显示功能，且可进行实验项目二次开发。

（3）成本目标：便于集成，系统性价比高。开发普通学生能够拥有的口袋仪器。基于以上目的口袋仪器平台硬件电路总体设计原理框图如图1 所示。

图1 口袋仪器平台硬件电路总体设计原理框图

硬件电路总体设计包括三部分：

（1）数据采集模块。用于采集外部实验面包板或开发电路的信号，对其进行滤波、放大及ADC转换。

（2）CPLD 核心处理模块。用于将ADC 转换后的数据进行处理和存储。

（3）USB 通信及接口模块。用于外部电路与采集电路接口，CPLD 与手机进行通信及其接口。

2 硬件电路模块设计

2.1 EPM240T100C5 处理器模块

EPM240T100C5 处理器为闪存CPLD，具有192个宏单元数，80 条输入/输出线，5.9 ns 的传播延迟时间，2.7 ns的整体时钟设定时间，工作频率为201.1 MHz，电源电压范围为2.375 V～2.625 V，3 V～3.6 V，工作温度范围为0 ℃～85 ℃。封装类型为TQFP，输入/输出接口标准为LVTTL，LVCMOS，PCI。由于设计的示波器的带宽1 Hz～20 MHz，根据奈奎斯特采样定理，实时采样且考虑避免产生混叠，则系统采样频率约为100 MHz在CPLD工作频率范围之内。CPLD 处理器的详细电路原理图如图2 所示。

图2 CPLD 处理器电路

2.2 数据采集模块

该口袋仪器平台是通过前端电路将外电路信号采集后经过ADC 转换电路转换成数字信号，再输入EPM240T100C5 处理器对数字信号进行运算和存储等处理，最后通过USB 接口电路传输到Android 手机，通过手机APP 对数据进行处理并显示波形，可以用来代替基础实验及创新实践的测量仪器设备。数据采集模块硬件电路设计如下：

（1）前端模拟部分硬件电路

前端模拟部分硬件电路包括从模拟信号接口开始到ADC 模数转换电路的输入端，主要负责对外电路信号进行前端预处理，即利用运算放大电路进行被测信号调理、信号放大、信号滤波及衰减等，对接后续 ADC 电路。采用的运算放大器是OPA2889，其内部架构提供了压摆率和全功率带宽。采用双±5 V 电源，可提供±4 V 输出摆幅，驱动电流超过40 mA，带宽为60 MHz。460 μA 的低电源电流OPA2889 在+25 ℃时精确调整，禁用引脚保持打开状态或保持高电平，正常运行OPA2889可以进一步降低系统功耗。如果拉低输出进入高阻态，OPA2889 电源电流降至20 μA 以下。采用MAX4522 作为模拟开关，由CPLD 对模拟开关进行控制，从而实现对OPA2889 放大倍数的控制，以满足系统不同垂直灵敏度的倍数需求。

（2）ADC 转换电路

采用的AD 芯片是ADC08100，ADC08100 是一个低功耗的8 位单片模拟数字转换器，带有芯片上的跟踪保持电路。其成本低、功耗低、体积小且易于使用，转换率为20 MSPS 到100 MSPS，动态性能好，非常适合做数字示波器。详细电路原理图如图3 前端模拟及ADC 转换电路所示。

图3 前端模拟及ADC 转换电路

2.3 通信接口模块

USB 接口具有传输速率高，体积小，可向外供电等特点，系统通过USB 芯片CY7C68013A 及接口电路把数据传输到Android 手机，通信及接口电路的原理图如图4 所示。

图4 USB 通信及接口电路原理图

2.4 器件选型及总体电路原理图

该口袋仪器硬件电路的主要器件及参数详见表1 所示。

表1 器件参数及选型

系统硬件电路总体电路原理图如图5 所示。

图5 系统硬件电路总体原理图

3 硬件电路制作及测试

硬件电路制作实物照片如图6 所示。

图6 硬件电路实物图

硬件板测试步骤如下：

电路连接。通过USB 线把手机与硬件电路板连接正常（电路板的LED 绿灯亮），并将硬件电路板的示波器接口与标准示波器函数信号发生器相连接，打开示波器选择正弦波输出。

APP 设置。打开手机端OscPrimeAPP，设置好连接方式。

开始测试。点击测试，通过设置时间轴、电压轴大小，将波形调整合理尺度显示。其测试效果图如图7 所示。

图7 硬件电路板测试效果图

与标准示波器输出波形对比后结果表明硬件电路板工作正常，符合开发设计方案的功能目标要求。整套硬件电路成本不超过100 元，满足绝大多数学生拥有的成本目标。团队专任教师课堂讲解中，可将例题实验效果通过手机进行展示，加强了理论与实践的深入互动，激发学生学习兴趣。且突破了人财物等方面的限制，应用于开放实验项目、课程设计、课外科技创新竞赛等效果良好。课程团队于2016－2018 年对三届电子类毕业生进行了问卷调查，针对口袋仪器实验室在理论教学、实践教学及科创竞赛中的应用效果，学生匿名评价的好评结果连续三年达100%。且近三年团队在校级以上各类电子设计竞赛、机器人竞赛等获奖10 余项。

4 结 语

本文通过提出口袋仪器平台总体硬件电路设计方案，并以CPLD 芯片作为控制核心，完成了硬件电路设计，并且制作测试了硬件电路，结果完全满足设计初衷。口袋仪器平台作为地方高校各实践环节育人方式的创新与变革，其开发技术水平的提升、功能可扩展程度及推广普及应用是衡量地方高校实践育人资源与效益矛盾的重要方式之一，本设计提供了一条可行的解决方案，供同类院校参考借鉴。