应用于数字示波器实验的多功能实验仪研制

苗永平，王 娜，孙二平，王庆国，刘维慧

(山东科技大学 电子信息工程学院，山东 青岛 266590)

2018年10月教育部颁布的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》[1]中明确指出，要求以学生发展为中心，通过教学改革促进学习革命，因课制宜选择课堂教学方式方法，科学设计课程考核内容和方式，不断提高课堂教学质量，以激发求知欲望，提高学习效率，提升自主学习能力。示波器实验是目前很多理工类普通高等学校的必修公共基础实验项目[2,3]，在实际教学中多采用模拟示波器授课，且普遍存在重知识轻技能、重理论轻应用等问题，这种教学模式难以满足现代创新型人才培养的需求[4]。近年来，各高校对示波器实验开展了诸多研究改进工作[5-10]，为提高实验教学质量提供了很好的思路与参考。

在实验教学中，实验仪器和设备是实验教学的基础和保障，是实验教师教学意图赖以实施的载体。实验设备的优劣在一定程度上决定了实验教学效果。山东科技大学物理实验中心结合示波器实验教学中存在的问题，采用数字示波器作为主体教学设备，自主设计开发了与之配套的多功能实验仪，为电学信号测量和分析提供实战训练平台，有助于激发学生学习兴趣、培养实践技能和学以致用的科学意识。

1 系统思路

在整体功能和用途方面，实验仪以提供数字示波器操作技能应用训练场景为核心目标、以激发学生学习兴趣和提高实验课堂效率为根本目的，服务于电子电气类专业人才培养和专业发展需求。据此，实验仪设计三个电路单元，分别为心电单元、RC充放电单元、逻辑电平转换单元。三个单元在激发学生兴趣、训练技能和专业服务等方面各有侧重，在硬件设计上又相对独立，这给实验教师灵活而实用地安排实验教学提供了极大的便利。

在实验仪开发工作中，借鉴华为、海信、联想等国际知名企业的电子类新产品开发流程，并根据学校实际资源状况，因地制宜设计了五段式产品开发流程，包括需求输入、方案设计、方案评价、样机制作、样机测试五个核心环节。特别地，在方案评价环节使用Multisim对设计方案进行模拟仿真，有效验证设计方案可行性，提高了工作效率。

2 设计方案

本实验仪的开发内容由电源电路、心电单元、RC充放电单元和逻辑电平转换单元四部分组成，整体设计如图1所示。

图1 系统设计框图

2.1 心电单元

心电单元从人体左手腕关节、右手腕关节、右脚腕关节采集人体电信号通过肢体夹输入AD8232芯片。AD8232芯片集成了仪表放大器、增益放大器以及右腿驱动电路[11]，AD8232的内部及周边电路对低至微伏的心电信号进行两级放大，对肌电干扰、工频干扰以及基线漂移等噪声信号进行滤波处理。

另外，在本单元信号输出端另引一路，添加了以典型的RC串联电路搭建的心电信号延迟电路[12]，将AD8232及其周边电路处理好的心电信号延迟若干时间后输出。该功能为学生提供了测量原始信号与延迟信号之间时间差的训练，电路原理图如图2所示。

图2 心电单元电路原理图

该单元集合了对周期性电信号的频率、周期、幅度的测量和对两路信号的相位差等参数的测量的训练，目的是让学生练习数字示波器基本按键操作、水平与垂直方向位移和档位调节、自动测量和光标辅助测量等常用功能，丰富示波器实验教学内容。

2.2 RC充放电单元

该单元采用典型的RC电路搭建，设计有1个电容和五个不同阻值的电阻，采用+5 V作为驱动电源，有1个单刀双掷开关和多个连接端子。学生通过导线将不同阻值的电阻与电容相连，并将电容正极接入数字示波器。将数字示波器的“时基”设定为“ROLL”。在闭合/断开电源时可在示波器上观察到电容两端电压的实时变化曲线，基本电路如图3所示。

图3 RC充放电电路原理图

该单元重点让学生练习数字示波器“时基”的设定，还可探究RC充放电规律，深入理解RC充放电的基本原理。

2.3 逻辑电平转换单元

该单元主要由单片机STM32F103RET6、线性稳压器SGM2019-3.3YC5G/TR和分压电路构成，共产生8路占空比为50%的方波信号。如图4(a)所示电路提供第1～7路方波信号输出，其信号幅度通过Rx设定为0.4～2.2 V；如图4(b)所示电路提供第8路方波信号输出，其信号幅度可通过3 KΩ的可变电阻实时调节。学生可将这8路方波信号接至数字示波器的模拟输入接口实时显示并测量基本参数，还可通过示波器自带的逻辑电平分析模块连接至数字示波器的数字输入接口，显示各路模拟电压信号对应的逻辑电平信号。该单元能够让学生练习数字输入通道的使用，体验模拟电压信号和数字逻辑电平之间的转换关系。

(a)

另外，该单元设计了程序下载和调试硬件接口[14]，控制输出方波信号的有无、占空比等，可供学生更进一步练习单片机控制相关操作。

2.4 电源模块

该多功能试验仪由直流5 V适配器提供供电电源,线性稳压器BL1117-33CX将5 V直流电转换为两路3.3 V直流电，分别输出至单片机与其他用电模块，这样设计可以在满足整个系统的用电需求的同时实现电源隔离，减少其他电路对MCU的驱动能力的影响。电源电路原理如图5所示。

图5 电源电路原理图

3 可行性验证

在进行理论性分析及原理图的绘制后，为保证整个设计方案的可实施性以及完整性，在进行实际电路板的加工之前，使用仿真软件Multisim进行仿真以验证本设计方案可行性，考虑到仿真软件的局限性，只模拟部分电路的各项性能、虚拟测试并分析改进。

3.1 RC充放电模块验证

以100 Ω电阻与100 uF的电解电容为例进行RC充电电路的仿真。

根据RC充放电基本原理，计算充电时间常数τ为：

τ=RC=100Ω*100uF=100 ms

电容充满电的时间为5τ，即50 ms。

在Multisim中仿真，测量仿真波形得到电容充满电的时间为50.284 ms，如图6所示。

图6 RC充电电路仿真结果

以上可知，通过电路仿真验证设计方案能够实现预期功能，且充放电时间与理论计算值非常接近，证明设计方案是可行的。

3.2 逻辑电平转换单元验证

由于Multisim仿真软件的器件库暂时没有电压转换芯片，故使用信号发生器直接产生幅度为3 v、周期为1 s的方波信号代替线性稳压器，并通过电阻分压产生不同电压，仿真结果如图7所示。

图7 逻辑电平转换模块仿真结果

用仿真软件的电压表或示波器测量各通道的模拟信号电压值，与上图逻辑分析仪结果进行对比，结果符合预期门限电平TTL设置范围，故逻辑电平转换部分电路方案满足设计要求。

3.3 心电信号采集模块验证

因Multisim 14.0仿真软件的器件库中缺少心电信号处理芯片AD8232，并且软件自带的函数发生器不包含心电信号的产生，无法实现心电信号测量模块的仿真，故心电信号测量模块的硬件设计参考AD8232数据手册进行。

4 样机搭建与评价

4.1 样机搭建

可行性通过检验后，利用电子产品开发工具Altium designer进行PCB的绘制、布局，并进行加工、焊接组装、调试，成为一台功能完备、运行正常的实验仪，如图8所示。

图8 实验仪外观及测试图示

4.2 样机效果及评价

4.2.1 心电单元

将一次性AgCl电极或四肢夹固定于左手腕关节、右手腕关节及右脚腕关节，另一端连接至实验仪对应的信号输入端口。通过示波器探头将原始心电信号和延迟信号分别连接至数字示波器的CH1和CH2通道，信号在示波器上显示如图9所示。其中，波形a(黄色)为原始心电信号、波形b(青色)为延迟信号。经测量可得心电信号频率为64 Hz，原始心电信号与延迟信号之间的时间差为22 ms。测试结果符合设计预期。

图9 心电信号及延迟信号图示

4.2.2 RC充放电单元

将RC充放电单元中的测试点经探头连接至数字示波器，设定数字示波器“时基”为“ROLL”模式，拨动单刀双掷开关使之处于“充电”或“放电”状态，并将不同阻值的电阻接入电路进行测试，可在示波器上观察到完整的电容充电和放电过程，结果符合设计预期。如图10所示为100 Ω电阻接入电路、充电时电容电压实测波形。

图10 电容充放电过程

4.2.3 逻辑电平转换单元

使用数字信号电缆和模拟信号探头连接示波器实验仪测试点与数字示波器，将电压信号显示在示波器上并进行测量对比。经实验表明，各信号均符合设计预期。

以其中1路信号为例，CH1通道接模拟电压信号，按数字示波器的“AUTO”按钮后显示波形(图11中黄色波形)，测得其幅度为2.0 V，频率为50 Hz，上升沿为46 ms；D5通道接数字电平信号，将数字示波器的“LA”门限类型设定为“TTL”，数字电平信号显示在屏幕上(图11中红色波形)。当模拟电压为0 V和2.0 V时，其数字电平分别为“0”和“1”，对应关系正确。该路信号模拟电压信号和数字电平信号波形如图11所示。

图11 模拟电压与数字电平波形图示

通过上述测试，确定实验仪各模块的功能及性能达到设计预期，能够满足实验教学要求。

5 结 语

从数字示波器实验课堂教学需求出发，设计了一款应用于电信号测量和分析技能训练的多功能实验仪，包括心电信号、RC充放电以及逻辑电平转换三个单元。经方案设计、可行性验证、样机组装和测试等环节，验证该实验仪的功能和性能完全达到了设计预期。该实验仪应用于数字示波器实验教学中，一方面让学生测试自身的心电指标，能够有效激发学生的学习兴趣，另一方面学生能够在观察、测量、分析信号的过程中通过实践加深对电学基础理论知识的理解，达到在实践中学习理论、理解理论的效果。

综上所述，该实验仪能够有效丰富数字示波器实验课堂教学，有助于提高人才培养能力，具有较高的实用价值和借鉴意义。