口袋虚拟实验室的设计

刘 玮, 孟 桥, 张添翼, 祁 磊

(东南大学 信息科学与工程学院，江苏 南京 211189)

口袋虚拟实验室的设计

刘 玮, 孟 桥, 张添翼, 祁 磊

(东南大学 信息科学与工程学院，江苏 南京 211189)

本文结合虚拟仪器技术,设计了一种高性价比的高可靠、小体积、低成本的口袋实验室，介绍了其硬件设计思路。基于口袋实验室，可以实现示波器、信号发生器、电源、逻辑分析仪等多种实验仪器，让学生将实验室装进口袋，随时随地能够进行实验，为学生学习电类基础课程提供了一个有力的辅助工具。

虚拟仪器；便携；高性价比

0 引言

将虚拟仪器技术应用到实验教学不仅降低实验教学的成本，且有利于提升实验的综合设计性[1]。为此，基于虚拟仪器技术，我们设计了一套便于携带、易于在实验室外进行实验的设备，这个设备可以帮助学生随时随地进行实验，从而提高学生的动手能力。

这个设备主要是以德州仪器公司(Texas Instruments)的MSP430F6638为核心，设计的一块低成本、高性能且易于携带的多功能口袋实验板。其成本低廉，可靠性高，测量精度可以达到1%，基本功能可满足课程实验的需求。

1 “口袋实验室”设计思路及实现方案

1.1 总体设计思想

在常见的电类实验中，电源、示波器、信号发生器、万用表、面包板及相应的实验器材是必不可少的。其中，核心的仪器为电源、示波器和信号发生器。但是实验室使用的仪器大都非常笨重，只能安置在实验室里使用。实验室有限的资源给实验室教学的开展带来了很大的不便。

针对学生在学习电路等相关课程的需求，同时考虑到目前绝大多数学生都拥有笔记本电脑的实际情况，我们设计了一款基于虚拟仪器的、集成了电源、示波器、信号源等多功能的口袋实验板，即“口袋实验室”。在设计中，我们秉持“高性价比、可靠、精确、够用”的设计原则，所谓“高性价比”，是指最大限度地控制电路成本，使得所有的学生都有可能配置；“可靠”则是针对这种“实验室”的使用者都是初学电类课程的学生、在使用中容易犯各种错误的情况，要求电路在各种异常使用状态下都不易损坏。“精确”是指仪器的功能必须保证一定的动态范围与精度的要求，以满足教学实验的需要；“够用”则是指针对教学的需求，不过分追求高指标。

在电源方面，针对当前的电类实验中多数器件采用正负5 V或3.3 V供电，因此该实验板的电源模块提供正负5 V和3.3 V的电压，即可满足大部分的需求。若有正负15 V等其它电源的需要，则可以通过外接DC-DC模块的方式提供。

在示波器和信号发生器方面，考虑到目前电类基础实验主要集中在低频段，一般在几十KHz的频率范围内。因此我们将本设计中的模拟信号带宽确定为20 KHz，这个频率刚好能覆盖音频范围，从而使得很多实验可以从音频的角度进行展示验证。而德州仪器公司的MSP430系列芯片中，包含有两路以上片内ADC和DAC通道，可以完成200 KSPS 12 bit的信号采集和信号产生功能，完全可以满足20 KHz内信号的产生和采集工作。这样可以使得整个设计围绕一块MSP430单片机即能实现。

整个系统使用单片机+模拟信号调理电路的方案实现。模拟信号调理电路选用德州仪器公司的放大器和衰减器等器件，主要实现了对模拟信号进行调理的功能，单片机则选用德州仪器公司的MSP430F6638微处理器作为控制核心，对整个电路的行为进行控制，该微处理器采用16位精简指令集(RISC)架构、扩展内存、高达20 MHz的系统时钟，并且内部集成的高性能模数(A/D，12 bit)和数模(D/A，12 bit)模块可以实现模拟信号的采集和产生，转换速率为单通道200 KSPS，同时还集成了具有8输入8输出端点的全速通用串行总线(USB)。

虚拟仪器利用 I/O 接口设备完成信号的采集、测量与调理，依托计算机信息技术来实现信号数据的运算、分析和处理[2]。整个“口袋实验室”基于虚拟仪器技术，通过全速通用串行总线(USB)与电脑通信，将采集到的数据实时传送给电脑，由电脑上的上位机进行波形的实时显示，并且同时通过上位机的操作界面向实验板发送相应的指令，从而使得实验板完成相应的任务。其结构框图如图1所示，实物图如图2所示。

图1 口袋实验板硬件平台结构图

图2 口袋实验室实物图

1.2 硬件设计思路

1) 电源模块设计

整个“口袋实验室”利用USB供电，因此，正5 V来自USB接口。电脑USB模块提供的最大电流为500 mA，这样的电流也满足一般的实验需求。此外，考虑到实验中还可能需要负5 V以及3.3 V电压，因此，电源系统还需要能够提供负5 V和3.3 V电压。这里采用一块电荷泵芯片产生负5 V电压，该芯片选用的是LM2663，该芯片最大输出电流为200 mA，符合一般实验电路的需求，且该芯片外围电路简单，使用很方便。

3.3 V作为给模拟电路器件供电的主电源，对输出电流和噪声都有较高的要求，因此利用一片低压差线性稳压器LDR(low dropout regulator)芯片产生稳定的3.3V电压，这里选用的是TPS73533,该芯片最大输出电流为500 mA，具有高电源抑制比和超低噪声的特性，符合系统设计的要求。具体电路如图3所示。

图3 电源系统

2) 示波器通路设计

示波器通路中，设计的信号带宽为20 KHz，覆盖音频信号范围，可以使得很多实验通过音频的方式展现。

作为示波器而言，输入信号应该能够满足一定的动态范围，具有多个增益档位，同时也要具有直流、交流两种耦合模式。在信号进入AD模块之前，需对信号进行分档放大等预处理。预处理的方案主要考虑了三种：①固定放大或固定衰减；②固定衰减+程控放大；③程控衰减+固定放大。下面对这三种方案进行分析。

(1)方案1只是对信号进行固定放大或固定衰减，固定放大的方案，在信号输入幅度较大的情况下，放大之后会出现信号失真的情况，而固定衰减的方案，对于被测信号，如果幅值太小，则不满足系统测量的要求，而且采样恢复后的信号幅值也会很小，以至于无法正确的观测信号，同时无法充分利用 ADC的分辨率[3]。这两种情况都使得信号波形难以恢复。

(2)方案2首先对信号进行固定的衰减，然后根据幅度调节的需要，再进行程控放大。要使系统能够稳定工作，必须考虑最大输入信号幅度，经过衰减之后，使信号幅度处在合适的范围，因此，从这一角度考虑，衰减的倍数相对较大。这就带来一个问题，即输入信号为小信号时，经过这样的大幅度衰减，信号的幅度将会非常小，这样极易受到噪声的影响，使得信噪比大大降低，这种情况下，即使后级程控放大将信号放大了同样的倍数，由于噪声的影响，信号也极难恢复成原始状态。

(3)方案3考虑到输入信号的动态范围不确定，所以输入信号调理模块就是负责对输入信号的预先处理，通过放大器放大或者通过网络衰减到一定合适的幅度，然后才进入 A/D 转换器[5]。采用程控衰减，在信号幅度较小时，可以控制衰减倍数较小，甚至不衰减，在信号幅度较大时，对信号进行大幅度衰减，这样可以在保证信噪比的情况完成设计。

因此，本设计采用了方案3。其结构框图如图4所示。

图4 示波器通路电路

示波器一般都具有交直流耦合的功能，这里的设计采用一片模拟开关，通过单片机控制该模拟开关，来实现交直流耦合切换的功能。模拟开关选用的是CD74HC4053。该芯片具有3×2选1的开关，导通电阻最低仅有7 Ω，最高切换频率高达200 MHz，满足设计需求。

为了保证高输入阻抗，输入端在模拟开关之后，接入一级运放，作为跟随器，利用运放高输入阻抗低输出阻抗的特点，使得整个电路具有较高的输入阻抗。这里运放选用LMP7704，该运放为精密运算放大器，其电源范围很宽，为2.7 V-12 V，并且具有轨到轨输入输出的特点，这使得该运放5 V供电时，能够实现对5 V输入电压的跟随功能。

为了保证输入信号具有较大的动态范围，程控衰减器需要有较大的可控范围，同时为了保证信号能够以合适的幅度进入微处理器的模数转换模块，因此需要程控衰减器具有较小的步进值。因此，这里的程控衰减器选用的是LM1972芯片。该芯片衰减值可利用SPI接口进行配置，最大可实现78 dB的衰减，同时步进值为0.5 dB，满足了设计需求。

信号进入该电路后，首先经过模拟开关，由微处理器控制该模拟开关，实现交流或直流耦合，经过跟随器输出后，进入程控衰减器进行衰减，衰减后的信号进入仪表放大器进行放大，根据微处理器内部模数转换器的转换器结果，利用SPI接口对衰减器的衰减值就行配置，使得最终的信号以一个合适的幅度进入模数转换模块，经过AD模块采样之后，利用USB接口将采样数据发送到PC端进行后续处理。

3) 函数发生器通路

函数发生器是利用单片机内部自带的数模(D/A)转换模块，基于DDS的原理实现。DDS 是根据奈奎斯特采样定律，从连续信号的相位出发将一个正弦信号取样、量化和编码，形成一个正弦表，存于flash中[4]。根据PC端发送的不同的命令，DA转换器查表输出不同的波形，从而实现函数发生器的功能。从实验需求考虑，函数发生器除了能够输出不同频率的信号之外，还要能够输出不同幅度的信号。这里可以借用示波器设计中的思路，采用程控衰减+固定放大的方案进行设计，从而可以实现输出不同幅度信号的要求，在任意幅度下，均可输出完美的信号波形。函数发生器实现方案如图5所示。

图5 函数发生器结构图

程控衰减器的选择与放大器的选择与示波器设计中相同，这里不再赘述。

考虑到大部分单片机是单电源供电，因此输出信号的最小值为0，但在实际应用中，很多情况下需要的信号为正负输出的，并且，在某些特殊的应用场合，会出现小的交流信号叠加大的直流信号的情况，如三极管放大实验中，需要的是小的交流信号叠加在较大的直流偏置上，因此，需要一个片外高精度数模转换器DAC芯片，来调整信号的直流偏置。片外DAC的精度及稳定度直接关系到系统的输出信号的直流精度，因此对DAC的选择要求其具有高精度的特点。从成本考虑，这里选用的是DAC8562，该芯片是一片精度为16 bit、双通道DAC，其参考电压为片内2.5 V，温漂为4-PPM/°C，具有较高的稳定度。

系统从PC端收到指令并解析后，微处理器的DA模块输出相应的波形信号，经过程控衰减器之后，进入仪表放大器，利用与仪表放大器相连的高精度DAC，消除直流偏移之后放大输出。

4) 逻辑分析仪通路

逻辑分析仪主要应用于数字电路实验，在测量被测信号时，显示出被测信号的电平状态。这里选用的MSP430F6638单片机的IO口可以任意独立地设为输入或输出状态，这极大地方便了逻辑信号的读入和写出。因此，这里利用单片机的一组输入输出口，完成了逻辑分析仪的设计。同时，为了能让用户方便地看到逻辑状态，在实验板上添加了一组LED灯，用于同步显示逻辑电平的状态。

PC端通过USB接口发送命令给微处理器，微处理器解析之后，在相应的输入输出口输出相应的逻辑电平，同时，输入输出口也可以获取当前的逻辑状态，通过USB接口，将状态发送到PC端。

5) 电路保护模块

由于不同的用户具有不同的使用习惯，因此在实际使用中，可能会出现由于大意而将电源或信号线接错的情况，若没有电路保护方面的考虑，则很有可能造成实验板损坏，严重的，甚至可能损坏计算机。

电路的保护，一方面是从器件的选型角度出发，电路中选用的器件均具有较高的耐用性，另一方面，则是从电路的设计角度出发 。本电路中，在电源接入端加入了一个500 mA自恢复保险丝，一旦出现电流大于500 mA的情况，则自恢复保险丝会自动断开，确保电路的安全。待电路状态恢复正常，该保险丝会自动恢复连接状态。其具体电路如图6所示(电源从USB接口引入，图中PTC为自恢复保险丝)。

实测表明，在这样的设计下，即使将电源与地短接，对电路和计算机也不会造成任何影响。

图6 供电保护电路

1.3 软件设计考虑

整个“口袋实验室”的设计，除了硬件之外，还需要软件。两者配合，系统才能运行。软件主要完成通信功能，通过这个功能实现PC端控制硬件电路，实现示波器、信号源等功能。

软件主要分为下位机软件和上位机软件，下位机软件主要实现对硬件的控制功能，此外还实现校正系统误差的功能，使得由不同器件引入的误差不会影响到系统的精度；上位机软件主要通过USB接口实现对各仪器的控制，上位机的界面与实际仪器类似，使得用户通过使用本系统能够熟悉实际仪器的操作。具体如图7-图12所示。

软件的设计，将另撰文介绍。

图7 示波器操作界面

图8 信号源操作界面

图9 频谱仪操作界面

图10 逻辑分析仪操作界面面

图11 波特图仪操作界面

图12 直流电压表操作界面

2 结语

本文介绍的“口袋实验室”是从高性价比的角度出发，在满足使用需求的前提下，以德州仪器公司的MSP430F6638为核心，配合相应的模拟电路而完成的设计。其体积小巧，便于携带，具备示波器、信号源和逻辑分析仪等功能，能够满足大部分电路实验的需求，同时，“口袋实验室”还可以完成高性能的数据采集和信号传输功能，可扩展性很强，学生可以用它灵活地完成其它设计。“口袋实验室”给高校学生提供了一种理论与实践相结合的实验工具，使他们随时随地做实验的想法成为了现实。

(刘 玮等文)

[1] 张婧，朱俊.虚拟示波器在物理实验教学中的应用[J].科技教育创新，2011.

[2] 孟芳芳.基于 USB2.0 的一体化虚拟仪器的软件设计与实现[D].南京：南京理工大学，2001.

[3] 胡仁杰.虚拟示波器与信号发生器的设计[D].南京：东南大学，2009.

[4] 牛卫华，马飞.一种高精度正弦信号电路的设计与实现[J].南京：电子工程师，2005.

[5] 陶攀登.虚拟示波器的设计与实现[D].重庆：重庆大学，2013.

The Design of PocketLab

LIU Wei, MENG Qiao, ZHANG Tian-yi, QI Lei

(SchoolofInformationScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China)

This paper introduces a novel device, the PocketLab, which provides various functions like oscilloscope, signal generator, power supply, logic analyzer and so on.The virtual instrument technology makes the PocketLab high-quality, small-volume and low-cost, and the design method is presented.The PocketLab helps students to conduct experiments whenever and wherever possible with a laboratory in their pockets, which would be a strong support for the teaching and learning in the basic electrical courses.

virtual instrument; portative; low cost and high quality

2016-11-04;

2016-12-16 基金项目：江苏高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015A035)

刘 玮(1990-)，男，博士研究生，研究方向为电路与系统，E-mail：liuwei_seu@foxmail.com

G434

B

1008-0686(2016)06-0105-06