基于虚拟示波器的模电课堂实验演示装置设计研究

王利平　王荣荣　侯新刚

摘 要 针对常规模电实验不便在课堂演示的缺点，研究设计一种基于虚拟示波器的模电课堂实验演示装置，可将实验搬进课堂，将实验结果通过虚拟示波器传至多媒体投影显示。通过理论与实践相结合的教学模式，可增强课堂教学效果。

关键词 实验演示；虚拟示波器；模块电路；教学效果

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2014）04-0112-03

1 引言

模电（模拟电子技术）是工科电类专业一门非常重要的专业基础课，其具有理论抽象、工程实践性强的特点。因此，实验教学是模电课程必不可少的环节。由于模电实验需用到较多的设备仪器，仪器设备体积大、重量大，所以模电实验基本都是安排在理论课教学之后在实验室进行。实验室操作环境较好，实验设备齐全，但由于理论课与实验课的时间、地点不同，在理论课上有些概念学生在学习过程中会感到抽象难以理解；如果能在理论课堂上进行实时实验演示，则可加深学生直观印象，帮助学生理解相关概念和理论。但常规模电实验箱体积庞大、携带不便，需用仪器多样，且结果可视性较差，观察范围较小，不适合在课堂进行演示。

2 实验演示装置结构组成

针对常用模电实验箱体积庞大，需用设备较多，不便拿到教室进行课堂演示的缺点，文章设计完成了一个基于虚拟示波器进行信号波形测量显示的课堂实验演示装置，实验演示装置集成了常规模电实验需用的仪器设备功能，主要包括5个基本部分：电源、简易信号发生器、实验模块电路、基本显示电路、虚拟示波器。结构框图如图1所示。

其中，电源、简易信号发生器、基本显示装置电路内嵌于演示装置内部，输出接口置于演示装置面板上，与实验面板上的实验模块电路通过香蕉插线连接；虚拟示波器外置，通过测试表笔连接模块电路；示波器通过USB连接线与多媒体计算机连接，通过投影屏幕显示测试结果。

3 实验演示装置设计

电源设计 演示装置电源为一线性直流稳压电源，可提供±12 V、±5 V两组四路固定电压输出，同时输出一路15 V正弦交流电，可以满足模拟电路课堂演示实验要求。线性直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，结构框图如图2所示。

电路选用双15 V输出的电源变压器，硅整流桥整流，电容滤波，通过三端稳压器7812、7912和7805、7905稳压输出±12 V和±5 V直流电压。

简易信号发生器设计 演示装置的简易信号发生器是以ICL8038为核心设计制作的一种函数信号发生器，电路结构简单，性能稳定可靠。ICL803是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，外部只需接入很少的元件即可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率或占空比可通过外接电阻或电容来调节。简易信号发生器电路如图3所示。

图中R2、R3、RW2为方波占空比调节电阻，调节RW2可对矩形波占空比进行调节。引脚10上外接C1～C6六个定时电容，改变波段开关SW1的位置，选择不同电容，可获得6个频段的输出信号，分别为20 Hz、250 Hz、10 kHz、20 kHz、100 kHz、1 MHz；R1、RW1组成分压网络，调节RW1可改变ICL8038的8脚输入电压，可改变输出信号的频率。电路采用R4和RW3、R5和RW4两套调节电位器用以调节正弦波失真，在实测中正弦波的失真度低于1%，精度完全满足演示实验的要求。

ICL8038的2脚输出的正弦波，3脚输出的三角波和9脚输出的矩形波通过选择开关SW2进行波形选择，之后送入集成运放LF356跟随输出。调节电位器RW5可改变输入到LF356的信号幅值大小，使信号发生器的输出信号的幅度实现连续可调。

基本显示模块 基本显示模块包括两块直流电压表和两块直流电流表，用于测量显示模拟实验电路的直流电压和电流。显示模块表头选用三位半LED数显电压表头和电流表头，表头显示管选用1.5寸红色LED数码管，显示数值醒目清晰，在教室进行实验演示测试时，即使教室后排也可清晰可见。

虚拟示波器 示波器是模电实验中最常用的测量仪器之一，通常教师在介绍示波器使用时，对着示波器操作，而不能进行多媒体教学，教学效果较差，还会出现学生做完几个实验后不懂如何操作示波器某些功能的现象。

虚拟示波器是虚拟仪器技术的一种典型的应用，它将现场信号经放大调理后，再通过数据采集卡将其数据传输到计算机，并借助应用软件模拟示波器的操作面板，实现信号采集、分析处理、终端显示。虚拟示波器通过软件界面操作，能克服常规示波器在课堂教学中不便演示的缺点，通过电脑和投影仪，可以很方便地将示波器测试结果显示在多媒体上，方便学生观察教师的操作过程，理解示波器工作原理，提高实验教学的质量。

系统选用Hantek6022BE虚拟示波器，该示波器体积小，重量轻，无需外部电源，通过USB线将测试数据传输到计算机中，通过示波器配套的应用软件进行波形显示分析。Hantek6022BE为直流耦合的可存储双通道虚拟示波器，带宽20 MHz，电压量程可在20 mV～5 V之间选择，时基量程可在1 nS～5000 S之间设定，垂直位置可调，触发源有CH1、CH2、EXT三种方式。示波器还设置有1 kHz标准测试信号，功能和常规示波器基本一致，应用软件界面旋钮选项与实际示波器相似，应用软件界面如图4所示。示波器携带方便，操作简单，显示效果好。

实验模块电路 根据模电课程的授课内容要求，演示装置设置了6个演示实验模块电路。

1）二极管性能测试及应用电路：可演示二极管的单向导电特性、PN结正向压降、二极管的整流、限幅、钳位等应用。例如用装置进行二极管整流电路的演示，通过虚拟示波器观察整流前信号波形与整流后的脉动直流电波形，以及加上滤波电容后的输出波形，同时观察滤波电容大小变化后波形的变化，可以使学生通过实际电路现象的直观感受，深刻理解二极管的单向导电特性。二极管性能测试及应用电路如图5所示，二极管整流、滤波演示实验结果如图6所示。

2）基本共射放大电路：可演示三极管的电流放大性能；三极管在截止、放大、饱和状态下的工作特性；通过虚拟示波器可演示交流小信号的放大；通过调节放大电路的基极电阻Rb，可演示放大电路的截止失真、饱和失真等。

3）静态工作点稳定电路：可演示放大电路中负反馈对电路的影响，通过短路块可将反馈电阻Re接入电路或短接，观察负反馈对放大电路的影响；改变负载阻值，观察波形幅度变化。

4）射极输出器：可演示射极输出器的工作特性，和共射电路联接可演示输入输出负载对前级及后级电路的影响，理解带负载能力强弱的概念。

5）集成运算的基本运算电路：可演示同相比例放大、反相比例放大、减法运算、积分运算电路等。

6）功率放大电路：可演示甲类、乙类、甲乙类功率放大器输出信号特性、交越失真。

4 总结

基于虚拟示波器的模电实验装置包括稳压电源、简易信号发生器、电压电流测试、模块实验电路、虚拟示波器等5个部分，具有携带方便、操作简单方便、演示效果好的特点，将原本只能在实验室进行的模电实验搬进了课堂，在理论教学的同时进行辅助实验演示，将实验结果通过虚拟示波器传至多媒体计算机投影显示。通过演示实验，使得课堂教学能够理论联系实际，理论讲授过程变得直观生动，利用学生的探究心理，提高学生的学习兴趣，加深学生对知识点的理解，对于提高课堂教学效果的优化增强具有重要的作用。

参考文献

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