基于Analog Discovery的多功能有源滤波器实验系统设计

沈 雪，杨鼎成

(南昌大学 信息工程学院,江西 南昌 330031)

实验教学是为了让学生对理论原理知识进行巩固和吸收[1]。当前实验教学改革的重点在于借助新的设备和技术改革传统的实验教学模式[2-4]。以电子类专业的实验课程为例，目前许多学校的课程实验主要基于实验箱以及昂贵笨重的实验仪器来完成，学生需要在规定的时间内在实验室完成实验，很难针对错误设计或者设备故障对结果的影响进行实验分析。在传统的电子类专业实验中，实验设备、场地、时间等诸多因素对实验的数量和质量都有一定的制约。传统的验证性实验缺乏灵活性，学生根据计算的数据利用实验箱验证结果，缺乏主观的思考，难以锻炼扎实的工程实践能力。学校对昂贵的实验仪器进行定期地检修更新，承担着很大的经济负担[5]。

基于移动套件和虚拟仿真技术的实验安全性高、投入成本低、不受时间地点的约束，只需要一套移动套件和PC机，学生便可以在理论学习的基础上，在任何时间地点自主高效地设计和调试电路，完成实验内容，对实验电路的分析和改进也非常方便，有利于加深对理论原理的理解[6]。这种实验方式有效地避免了传统实验教学模式对实验教学的约束，通过在电子类专业实验教学中的应用，取得了良好的教学实验效果，调动了学生学习的积极性，提高了学生的实践能力。

1 Analog Discovery 平台介绍

Analog Discovery是Digilent公司最新推出的一款模拟电路设计套件，这款套件是由Digilent公司和Analog Device公司联合开发的，旨在通过该套件建立一种新的实验室，在实验教学中部分代替专用的昂贵仪器，并设计了配套的模拟配件工具包和多种教学资料、参考设计以及实验工程等，能够对一些核心的工程教育课程进行有力的支持。

Analog Discovery可以配置为多种实验室设备，包括示波器、信号发生器、逻辑分析仪等，生成实时波形曲线、复杂数学函数，并且有10种测量信号提供给示波器通道，数据和图片都可以被导入或导出，支持多种数据格式，非常适合用来搭建实验室。用户可以通过数据线将仪器连接至PC的USB接口，利用Waveforms 软件配置实验设备并显示测量信号。在Analog Discovery 套件实验环境下，系统的理论、设计、原型到实现的开发流程如图1所示[5]。

图1 从理论、设计、原型到实现的开发流程

2 多功能有源滤波器实验系统设计

本文设计的多功能有源滤波器实验系统包括Multisim仿真、Analog Discovery平台电路搭建和Waveforms软件处理三部分。整个系统的流程如图2所示。

图2 系统流程图

学生可以在Multisim环境下对设计好的电路进行仿真、修改以及结果对比[7]。仿真结果符合理论预期后在Analog Discovery平台搭建电路原型，借助Analog Discovery的函数发生器功能为多功能有源滤波器提供输入信号，利用Analog Discovery的逻辑分析仪功能，学生可以方便地测试电路原型，在PC机上显示，实现多功能有源滤波器输入和输出信号的实时动态显示、处理及存储。

2.1 Multisim电路设计与仿真

按照以上电阻和电容值的确定原则，对相关元器件参数进行取值：R1=R2=R3=R4=R6=R7=10 kΩ，R5=8.9 kΩ；电容C1=C2=0.01 μF；N1～N3为集成运放TL084CN。多功能有源滤波器在Multisim环境下的仿真图如图3所示。

图3 多功能有源滤波器电路设计

对Simulate选项下的Analyses菜单进行分析设置，选择AC Analyses进行交流分析，得到频率特性曲线如图4所示。将电路进行仿真与测试，连接至波特图仪，得到仿真结果如图5所示。

图4 滤波后频率特性仿真图

(a)高通

(b)低通

(c)带通

图5 幅频特性仿真图

应用Multisim的Parameter Sweep Analyses 扫描分析滤波电路中的电阻值，应用AC频率分析改变参数对电路性能的影响，也就是多次取不同的参数，并分析电路的频率特性，从而快速检测电路性能[10]。实验中学生可对电路参数进行修改，并观察结果，从而更好地理解电路各个部分的原理及具体功能。

2.2 Analog Discovery 平台硬件电路搭建

仿真结束后进入硬件电路的搭建部分，在Analog Discovery套件上搭建电路原型[11]。根据设计好的电路在面包板上连接各个电子元器件，留好电源以及信号输入输出端的引线。

图6 Analog Discovery

同一般的虚拟仪器，Analog Discovery 也采用了USB接口，并配有排针，用于通过杜邦线连接实验电路或者待测设备，如图6所示，从左至右分别是示波器输入、电源输出、信号发生器、触发输入输出和数字输入输出。本实验利用信号发生器接口为电路提供模拟信号，电路中运算放大器所需工作电压由电源输出接口提供，滤波后的信号经示波器输入接口采集后，通过Waveforms 软件在PC机上显示。完成后的电路如图7所示。

图7 实物电路搭建

Waveforms 2015是一款多功能仪器软件应用程序，它可无缝连接到USB便携式示波器、逻辑分析仪和函数发生器等产品，为每个工具设计了一个易于操作的图形化界面，与硬件仪器一起组成强大的工具套件。如图8所示，为Waveforms打开后的界面，左侧依次排列各仪器。电源可以提供0～5 V和0～-5 V的直流电压，本实验为运算放大器提供+5V和-5V的电压。

图8 Waveforms 界面

信号发生器内置了标准的正弦波、方波、三角波、随机噪声等，本实验设置振幅为5 V，频率为12 kHz的正弦信号作为滤波输入信号。网络分析仪可以准确地显示滤波后信号的频率特性，本实验中将测量的起始频率设为100 Hz,终止频率设置为100 kHz。

3 多功能有源滤波器实验系统实际测试结果

在连接好电路后，将设置好的各仪器的开关打开，整个实验系统开始运行。滤波后的结果如图9所示。从图中可以看出，正弦信号经过多功能有源滤波器处理后，得到相应的高通、带通和低通信号，波形清晰明显，结果与仿真结果基本一致。

(a)高通

(b)低通

(c)带通

图9 幅频特性实测图

4 结束语

相对于传统仪器在实验和教学中存在的不足，结合虚拟仪器的应用优势和特点，本文在Analog Discovery虚拟套件平台基础上设计了一套基于虚拟仪器技术的多功能有源滤波器实验系统。相较于传统的实验箱实验，该实验系统通过充分利用虚拟仪器的灵活与开放性，以及Analog Discovery实验平台的多功能性、高度可操作性，有效地改变了实验手段单一、实验内容缺乏创新和实验的时间空间受限等问题，极大提高了实验效率，增加了学生的实践机会，帮助学生更好地理解实验的理论原理，同时，简化了传统实验中复杂的连线和调试过程，使整个实验过程中每个步骤都直观而又清晰，提升了学生的实验兴趣和工程实践能力，取得了较好的实验教学效果。

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