電子技術“口袋實驗室”開發及實驗項目設計

金 燕, 陳 強

(浙江工業大學 信息工程學院, 浙江 杭州 310023)

“口袋實驗室”具有體積小、功能全、操作方便、可擴展性強的特點,解決了實驗室的時間和空間限制問題,激發了學生的自主學習興趣,提高了學生的創新意識和能力[1],有助于學生個性化發展?？诖鼘嶒炇乙言絹碓蕉嗟貞糜趯嵺`性強的高校課程[2-5],如單片機類課程[6-7]、嵌入式系統課程[7-8]、數字電子技術課程[9-10]、物聯網技術課程[11-12]等。

從公司直接采購的“口袋實驗室”具有通用性強、產品性能穩定、符合行業標準等優點,但由于不同高校課程要求不同,市場的產品不一定符合課程的所有教學要求;由學校自主研發的實驗套件突出了量身定制的優勢,所以其功能和操作性將更符合實驗教學要求。

本文將現有產品和自行研發結合,開發了一種電子技術“口袋實驗室”,并基于該平臺設計了“稱重傳感器信號調理電路”實驗項目,該實驗項目可用于模擬電子技術綜合性實驗或課程設計實驗。

1 電子技術“口袋實驗室”的設計和實現

1.1 電子技術“口袋實驗室”總體方案

NImyDAQ是近年由美國NI公司設計的小巧便攜的數據采集器,具有堅固外殼和安全措施,適合學生使用,通過USB 和計算機相連,能輸出或分析實時信號,實現多種常見的實驗室儀器：雙通道示波器、函數信號發生器(正弦波、三角波、鋸形波)、數字萬用表、任意波形發生器、波特圖分析儀、動態信號分析儀(快速傅里葉變換)、數字邏輯電平指示器和數字邏輯電平寫入器、-10 V～+10 V模擬直流電壓輸出、音頻均衡器等,NImyDAQ提供5 V和±15 V的直流電源,2路差分模擬輸入通道、2路模擬輸出通道、8路數字輸入/輸出復用端口、1 路音頻輸出端口、1 路音頻輸入端口、內置萬用表的專用接線端口。NI myDAQ已被多所高校選用,例如上海交通大學、杭州電子科技術大學、山東大學[13]等。但在使用中發現NI myDAQ存在以下問題：

(1) 輸出的5V和±15V直流電源功率太小,總計最大500 mW,雖然對于電子技術基礎性實驗,如晶體管單管放大器、單運放應用等,NI myDAQ的電源輸出電流能滿足要求；但如果進行一些綜合性實驗,其提供的5 V和±15 V直流電源電壓常由于過載而導致失壓;

(2) 數字輸入/輸出復用總端口數只有8路,對于某些數字邏輯電路實驗不夠用。這些問題一定程度上限制了NI myDAQ的應用。

為了解決這些問題,并且使得基于NI myDAQ的實驗操作更加便利實用,研制了包含有多種功能模塊的擴展電路板,并將該功能擴展板與NI myDAQ和面包板一起組成電子技術“口袋實驗室”實驗平臺,框圖見圖1。

圖1 電子技術“口袋實驗室”總框圖

1.2 功能擴展板設計和實現

圖1中,功能擴展板設計有與NI myDAQ連接的20腳接口、直流穩壓電源、單脈沖發生電路、6位數碼管顯示、1路音頻采集電路、8位邏輯電平輸出、8位邏輯電平指示等模塊;面包板用于搭建實驗電路。利用擴展板上的功能模塊及NI myDAQ自帶的信號發生器和測量儀器,可完成多種模擬電子電路和數字電子電路實驗。

在設計擴展板上各功能模塊電路時,優先選用模擬電子電路和數字電子電路課程教學內容中的常規元器件和電路,如電阻、電容、雙極型三極管、三端集成穩壓器、555定時器、數碼管、發光二極管等。這樣,功能擴展板不僅可以作為實驗裝置的一部分,而且本身還是一塊學習板,學生通過對其中各功能模塊的學習和操作,幫助理解和掌握電子技術課程涉及的知識點。

直流穩壓電源模塊是在+12 V直流穩壓電源輸入情況下,具有+12 V、+9 V、-9 V、+5 V、-5 V 5組輸出,各組電壓輸出端留有4孔輸出接線母座,便于用杜邦線進行連接。+9 V由7809三端集成穩壓器產生,其輸入為12 V;+5 V由7805輸出,其輸入為+9 V;-9 V由一片ICL7660產生,如圖2所示。ICL7660是小功率的電源極性反轉轉換器,每片只需要外接2個10 μF的電容即可完成電源極性轉換,ICL7660的腳8為正電壓輸入,腳5為負電壓輸出。Header2x2為4孔輸出接線母座。-5 V由另一片ICL7660產生,電路與圖2相同,只需將+9 V處改成+5 V即可。

圖2 直流穩壓電源模塊

單脈沖模塊有二路獨立的單脈沖產生電路,一路輸出正脈沖,另一路輸出負脈沖,如圖3所示。555定時器組成的單脈沖產生電路的輸出為正脈沖,后面再加一級晶體三極管組成的反相電路即可產生負脈沖。

圖3 雙路單脈沖產生電路

數碼管顯示電路選用9 mm(0.36英寸)紅色共陰數碼管,所接的限流電阻阻值為3.3 k。輸入端為高電平5 V時,對應筆段發光二極管亮。邏輯電平指示電路的輸入端為低電平時,發光二極管亮;輸入端為高電平時,發光二極管滅。

圖4為研制完成的功能擴展板成品實物圖,大小約19 m×7.5 cm,選用低成本器件,各功能模塊的輸入或輸出端口均放置了足夠的接線端口。由于對各元器件選用了常規的封裝類型,整塊功能擴展板的焊接、裝配和調試不需要太多技能,所以也可由使用該擴展板的學生在使用前自行完成裝配,使學生獲得參與電子制作、增強實踐能力的機會。

圖4 功能擴展板成品實物圖

1.3 電子技術“口袋實驗室”調測結果

電子技術“口袋實驗室”實驗平臺實物圖見圖5。擴展板與面包板裝配固定在同一底板上,以方便攜帶。擴展板、面包板和NI myDAQ總尺寸不大于A4紙。實驗時,將NI myDAQ通過USB 線和電腦相連,NI myDAQ儀器儀表及接口設置等操作通過計算機完成,數據和波形顯示在計算機屏幕上,見圖6。

圖5 電子技術“口袋實驗室”實物圖

圖6 計算機屏幕截圖

在該實驗平臺上進行了模擬電子技術和數字電子技術實驗,結果表明該“口袋實驗室”不僅適合基礎性實驗,也能進行復雜的綜合性實驗,具有操作簡便、性能可靠、便攜等特點。例如,圖5中面包板上搭建有幾組實驗模塊。其中電路1為由CD4518和CD4511組成的十進制計數器和七段顯示譯碼器,其時鐘脈沖由擴展板上的單脈沖提供,按動一次單脈沖按鈕,計數器加1。電路2是由555定時器組成的施密特觸發器,其輸入信號源由NI myDAQ函數信號發生器提供,NI myDAQ雙通道示波器測量輸入和輸出波形,見圖6,圖6中紅色的為輸入電壓波形,藍色的是輸出電壓波形。電路3為由運放組成的雙門限電壓比較器。電路4為稱重傳感信號調理電路。圖6中顯示的0.5 V電壓值是用NI myDAQ萬用表測得的稱重傳感信號調理電路的濾波模塊的輸出端的電壓值,此時稱重傳感上所加的砝碼為100 g。

2 稱重傳感器信號調理電路

“口袋實驗室”的充分應用不僅要相應的軟硬件,還要有相關實驗內容的設計,為此設計了適合用于模擬電子技術課程設計或綜合實驗課程的“稱重傳感器信號調理電路”實驗。該實驗來源于教師的實際科研項目,經適當簡化和修改。

電子稱是學生較為熟悉的電子裝置,它主要由稱重傳感器及傳感器輸出信號處理電路組成。稱重傳感器將重量信號轉換成電信號,由于該電信號是微弱信號,需要再通過信號調理電路將微弱信號進行放大、處理和變換,然后再送給下一級模數轉換和數字信號處理后顯示結果。信號調理電路主要是由模擬電子電路組成,并且涉及到很多模擬電子技術知識點,所以非常適合用于模擬電子技術綜合性實驗或課程設計。

2.1 實驗任務

該實驗為設計性實驗,只給出任務和要求,學生在教師指導下通過查閱相關資料自主完成各模塊的設計及系統級調測等。

(1) 要求學生按圖7框圖設計一種稱重傳感器信號調理電路。已知稱重傳感器滿載荷量程為1 kg，激勵電壓3～12 V,綜合誤差0.05%FS,靈敏度(10.1) mV/V, 線性度0.05%FS,過載能力150%,稱重傳感器的輸出電壓值由激勵電壓和所加的壓力共同決定。通過前置放大電路,把稱重傳感器輸出的毫伏級微弱電壓信號放大至幾伏。有源低通濾波電路要求能濾除50 Hz以上的頻率信號,以減少工頻信號對電路的干擾,并在稱重傳感器所加的壓力在0～1 kg范圍內變化時,濾波電路輸出電壓V3在0～5 V范圍內成線性地變化。電壓/電流轉換電路能將0～5 V電壓信號轉換成標準的4～20 mA模擬電流信號輸出,電流輸出方式適用于需要將模擬信號進行較長距離傳輸的場合。

(2) 要求學生通過查閱相關資料,并借助電路仿真軟件,設計并調測各級放大和濾波模塊，然后搭建實際電路,先分模塊調試,再進行系統級聯合調試。在仿真實驗和實際實驗過程中記錄和分析相關實驗數據,包括有源低通濾波電路的頻度響應測量和分析等。

該實驗項目涉及到模擬電子技術課程中的差分放大電路、運算放大器及其應用、有源濾波電路及其頻率響應、負反饋放大電路、電壓/電流信號轉換電路、多級放大電路等知識點,以及模擬電子電路分析和設計方法,難易適度。教師驗收學生實驗完成情況時,只要在稱重傳感器上放置標準砝碼,即可方便地檢查各級電路的輸出是否符合設計指標要求,提高了實驗指導效率。

圖7 稱重傳感器信號調理電路框圖

2.2 稱重傳感器信號調理電路設計實例及測試結果

按上述實驗任務要求,對該實驗項目進行了試做,在仿真實驗部分完成后,在“口袋實驗室”進行實際電路的實驗。

(1) 前置放大電路選用差分輸入的儀表放大器AD620組成,如圖8(a)所示,AD620所需外接元器件少,通過1腳與8腳的外接電阻RG設定電壓放大倍數,設RG=100,則AD620電壓增益為由于稱重傳感器在空載時輸出電壓不為零,所以在AD620的5腳設有調零電路,通過調節電位器R3(20 k),使得當稱重傳感器空載時,濾波模塊輸出電壓V3為零。

(2) 有源低通濾波電路選用低輸入失調電壓、低噪聲的OP07,組成經典的同相一階RC有源低通濾波電路,濾波參數為R=51 k,C=0.2F,通帶增益通過OP07的第6引腳與第2引腳間的反饋電位器實現可調,使得當稱重傳感器所加的壓力在1 kg時,濾波電路通帶內輸出端V3為5 V。

(3) 電壓/電流轉換電路見圖8(b),其中輸入電壓V3來自前一級有源低通濾波電路輸出,RL作為負載電阻(實測RL=100.2),RL上的電流即為輸出電流io,通過聯合調節電位器R10和R13,可實現當V3在0～5 V范圍內變化時輸出電流io=4～20 mA。

稱重傳感器所用的直流激勵為+5 V,前置放大電路、有源低通濾波電路和電壓/電流轉換電路均用+9 V和-9 V雙路直流電源供電。

按照先模塊調試再整體調試的步驟,在完成稱重傳感器信號調理電路系統級調試后,在稱重傳感器上施加砝碼,從空載到滿載1 kg(增量為100 g),用NI myDAQ內置萬用表進行電壓測量,部分測量情況見圖9,圖9(a)、(c)分別為稱重傳感器空載時的V3和VRL,此時有io=400 mV/100.2=4.0 mA;圖9(b)、(d)分別為稱重傳感器滿載1 kg時的V3和vRL,此時io=2 V/100.2=20.0 mA。全量程范圍內實測結果見表1,可見io各值偏離其理想值最大為0.1 mA。

圖8 稱重傳感器信號調理電路中前置放大電路和電壓/電流轉換電路

圖9 用NI myDAQ萬用表測量濾波電路的輸出電壓V3以及電壓/電流變換電路負載RL的電壓VRL

表1 稱重傳感器信號調理電路系統實測結果

圖10為用NI myDAQ提供的Bode圖示儀測得的有源低通濾波電路模塊的頻率響應,可見該濾波器能濾除50 Hz及以上的頻率信號。

圖10 用NI myDAQ的Bode圖分析儀測量有源低通濾波電路的頻率響應

3 結語

設計的“口袋實驗室”既能進行電子技術基礎性實驗,也能進行綜合性課程設計類實驗,具有簡單易用、方便攜帶、擴展性強的特點,不僅能用于實驗教學,還能用于畢業設計、課外科技競賽等。自主研制的功能擴展板制作成本低、容易裝配和調試,所以還可用于電子工藝實習類課程的學生實訓,完成裝配后,由學生保管,并在后續的電子技術實驗教學中使用,既增加了學生電子實踐能力,又提高了對后續電子技術實驗的興趣。