半开放式电子测量实验教学平台

万云霞 马小梅 魏 平 王 瑾 孙慧慧

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院,长春 130061)

0 引 言

电子测量技术具有测量速度快、精度高的优点,涉及经济、生活、工程、科研等多个领域。现阶段,电子测量技术发展迅速,逐渐向多功能和数字化方向发展[1]。电子测量仪器经历了从模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器的发展历程,现在正在向通用化、模块化、多技术融合和网络化方向迈进[2-4]。电子测量技术人才培养也要与时俱进,不断融合新的技术和手段,提供与工业实践紧密相连的实验平台[5]。

高等教育教学中的电子测量技术课程是以理论课为基础,通过大量的实验教学课程深化理论知识、培养和锻炼学生的仪器设计开发能力。实验教学平台是实验课程体系中主要的核心支撑,它可以为学生提供丰富而先进的硬件资源和设计思路,引导学生利用前沿科学技术实现电子测量仪器的设计与信号测量[6]。目前很多高校使用的电子测量实验教学平台是类似于“黑匣子”的实验箱,学生在实验教师或实验指导书的指导下通过连线搭建系统,观察结果,无法获取更前沿的科技进展以及实现创新能力及解决工程实际问题能力的培养与锻炼[7]。在此背景下,笔者设计开发了一套融合多项电子测量技术如单片机、数字电子、总线接口、可移植的软件平台、虚拟测试技术等符合现代电子测量仪器设计理念的实验教学平台。该平台可提供电子测量仪器设计中所需的控制器、接口电路及其他功能模块所需的电子元器件资源。采用模块化、开放式的设计思路,在满足基础测量实验内容的前提下,为更高层次的学生提供开放式的设计平台与资源,进行综合性设计实验,培养学生的创新思维与能力。

1 系统整体设计方案

笔者所设计的电子测量实验教学平台是为了补充实验设备功能的欠缺,以开放式的设计思路引导学生了解掌握仪器设计、工作原理。同时,也为电子测量实验过程提供测量对象。实验平台主要包括基于DDS(Direct Digital Freqiaency Synthesizers)技术的信号源、带通滤波器、交流电压参数测量、数字频率计及供电、接口模块等。

半开放式包含两个层次的含义。一是指实验平台硬件资源的二次开发。DDS 信号源模块既可以作为信号源给其他测量系统提供被测信号,同时可以作为硬件开发资源供学生进行二次开发。二是指可以激发学生的创新开放式设计思路。数字频率计模块为学生提供了固定的芯片资源,但并未进行连线,学生可自行设计方案,仿真验证后进行连接,培养学生尝试采用多种方法进行仪器设计。如图1 所示为系统总体功能框图。

图1 系统总体功能框图Fig.1 General functional block diagram of the system

2 半开放式功能模块设计

2.1 DDS 信号产生模块

基于DDS 技术的信号产生模块,在实验教学平台中承担两个任务:一是作为信号源模块使用,产生的交流电压信号(正弦信号、方波信号、三角波信号等)作为测量对象或激励信号为示波器提供信号源,为带通滤波器频率特性测量提供激励源等；二是作为一个开放式的开发平台,为信号源设计、扫频仪设计等综合性设计实验提供硬件平台资源。

该模块提供完整的硬件电路连接与开发调试完成的程序,可作为信号源使用。信号的波形、频率、幅值等参数通过4×4 按键设置输入至STM32F103ZET6 单片机,由单片机输入控制字给DDS 芯片,产生所需的信号波形。DDS 芯片选用AD9833,该集成芯片是一款低功耗、可编程波形发生器,可以产生正弦波、三角波和方波[8-9]。选用MCP41010 数字电位器对DDS 芯片产生信号的幅值进行调控,达到信号调幅的作用。同时,选用AD8051 这款低成本、高速、电压反馈型放大器,将MCP41010 调幅后的信号进行一级放大并进行输出[10]。信号产生模块原理框图如图2 所示。图3 所示为所设计的DDS 信号发生器产生的3 种不同波形(正弦波、方波、三角波)在示波器上的显示。

图2 基于DDS 技术的信号发生器原理框图Fig.2 Block diagram of signal generator based on DDS technology

图3 DDS 信号发生器产生的3 种不同波形Fig.3 Three different waveforms produced by the signal generator

该模块可产生幅值、频率可控的正弦波、三角波、方波等信号,信号源带宽为50 Hz～500kHz,频率步进为1 Hz,可满足电子测量实验教学的要求。

2.2 带通滤波器模块

带通滤波器模块主要用于线性系统频率特性的测量对象,可利用示波器进行点频(静态)测量,也可利用扫频仪进行扫频(动态)测量[11]。同时,该滤波器模块在设计时利用可调电位器代替电阻,方便使用者通过调节电位器进行滤波器参数调整,如上、下截止频率、带宽、中心频率等。在对滤波器模块幅频特性进行测量的过程中,不仅学习掌握线性系统频率特性的测量方法,同时了解二阶带通滤波器的设计思路及幅频特性,为滤波器的设计及使用提供了实践指导。

带通滤波器模块为简单的二阶带通滤波器,激励源通过一个电阻R、电感L及电容C构成一个串联回路,并以电阻两端的电压作为响应,构成了一个以二阶微分方程描述的二阶带通滤波器[12]。根据信号滤波需求,实际设计的电路原理图如图4 所示。

图4 二阶带通滤波器设计原理图Fig.4 Schematic design of second-order bandpass filter

其中A1,A2,A3 分别为3 个运算放大器μA741。μA741 是一种应用非常广泛的通用型运算放大器。由于采用了有源负载,所以只要两级放大就可以达到很高的电压增益和很宽的共模、差模输入电压范围。该电路采用内部补偿,电路比较简单不易自激,工作点稳定,使用方便,而且设计了完善的保护电路,不易损坏[13]。

带通滤波器理论参数(中心频率f0、Q值、增益AV及带宽Δf)如下

根据理论设计参数及计算公式可以计算出电路中的电阻及电容值:R1=14 kΩ,R2=140 kΩ,R3=4 kΩ,R4=16 kΩ,C1=C2=0.01 μF。由于实际应用时需要考虑电阻的标称值,仿真时将各电路参数调整如下:R1=14.1 kΩ,R2=141 kΩ,R3=4 kΩ,R4=15.6 kΩ,C1=C2=0.01 μF。如图5 所示为仿真电路原理图。

图5 二阶带通滤波器仿真原理图Fig.5 Simulation principle of second-order bandpass filter

在实际电路设计时,R1,R3,R4均采用100 kΩ 电位器代替,R2采用200 kΩ的电位器代替,以便于调试改变系统参数进行不同的设计与应用。如图6 所示为所设计的带通滤波器的理论与实测幅频特性曲线。

图6 二阶带通滤波器的理论与实测幅频特性曲线Fig.6 Theoretical and measured amplitude-frequency characteristic curves of second-order bandpass filters

从图6 中可看出,实测幅频特性曲线与理论曲线形态相近。由于实际电路中的电位器调整无法做到与理论完全一致,另外由于电位器精度等的影响,导致实际电路的中心频率和带宽与理论值有所差异。

2.3 交流电压测量模块

交流电压测量模块主要用于测量交流电压的峰值、有效值、平均值等参数,由峰值检波电路、平均值检波电路、有效值检波电路及A/D 转换电路、单片机处理电路和数码管显示电路等构成。不同的检波电路输出通过3 段拨码开关进行控制,送入A/D 转换电路进行处理显示。检波电路功能框图如图7 所示。

图7 交流电压检波电路功能框图Fig.7 Functional block diagram of AC voltage detector circuit

该模块可作为测量仪器对交流信号进行测量,同时可通过开放式的电路设计结构使学生在使用时全程观察检波过程,了解检波电路的设计与工作原理。

相对于峰值检波和平均值检波电路,交流电压有效值检波电路的设计在测量与教学中的意义显得更为重要。在实际应用及教学中,受限于仪器设备,对非正弦信号的有效值测量一般采用平均值转换法对其进行测量,但这种方法存在较大的理论误差。为实现对交流信号电压有效值的精密测量,并使之不受被测波形的限制,可采用真有效值转换技术,即不通过平均折算而是直接将交流信号的有效值按比例转换为直流信号。交流电压的真有效值是通过电路对输入交流电压进行平方→求平均值→开平方的运算而得到的。在有效值检波模块中选用AD736 芯片作为精密真有效值AC/DC 转换器。该芯片灵敏性好、频率特性好、输入阻抗高、输出阻抗低,测量正弦波电压的综合误差不超过±3%[14]。工作时,被测信号电压加到输入放大器的同相输入端,而输出电压经全波整流后送到RMS(Root Mean Square)单元并将其转换成代表真有效值的直流电压,然后再通过输出放大器的Vo端输出。

如表1 所示为交流电压测量模块正弦波理论值、仿真值和实测值的对比及误差。

表1 交流电压测量模块正弦波理论值、仿真值、实测值及误差分析Tab.1 Theoretical value,simulation value,measured value and error analysis of sinusoidal wave in AC voltage measurement module

表1 中所测数据为500 Hz 正弦波的峰值、平均值及有效值。该测量模块可以直接测量交流电压的峰值、平均值及有效值参数,弥补了以往实验中采用平均值响应的“有效值”万用表进行非正弦波测量时的波形转换。同时,在操作过程中学生也对各种检波电路的工作原理有了更加深入的了解,加深了对理论知识的掌握。

2.4 数字频率计模块

数字频率计是电子测量系统中常用且比较重要的测量系统,它以时间(或频率)的比较电路--主门为中心,再配置相应的周边电路构成,包括:被测信号的脉冲形成电路(放大整形),计数、存储和显示电路,测量过程控制逻辑电路等[15-16]。笔者提到的数字频率计模块在实践教学中的作用主要是通过该模块的搭建,构建一个数字频率测量模块,实现常用信号的频率测量；同时,通过实验过程,使学生了解频率测量原理,为以后的仪器设计打下坚实的理论与实践基础。因此,该模块采用常见的电子元器件进行搭建,方便观察信号的处理过程。如图8 所示为数字频率计模块的总体方案设计。

图8 数字频率计模块总体设计方案Fig.8 Design scheme of digital frequency meter module

晶振(32.768 MHz)经过分频电路后产生不同频率的脉冲信号,经过逻辑信号合成模块产生闸门、清零信号。外部信号源经过放大整形电路后产生同频脉冲信号,与闸门、清零信号进行逻辑与非,产生计数脉冲,送至74LS192的计数端,完成计数。由74LS48 译码后送至数码管进行显示。当闸门时间为2 s(0.5 Hz)时,所计数结果最大值为测量信号的频率。如表2 所示为数字频率计测量的信号发生器产生的不同波形和不同频率的结果及测量误差。

3 结 语

针对现有电子测量实验教学平台中存在的问题与不足,研制开发了一套模块化、半开放式的电子测量实验教学平台。该平台引入了单片机、数字电子等电子测量与仪器设计前沿技术,完成了基于DDS 技术的信号源、带通滤波器、交流电压参数测量、数字频率计及供电、接口模块设计,为电子测量实验教学提供实践教学平台。同时,所设计的半开放式功能模块也应用于电子设计竞赛、大学生创新创业训练项目等课外实践项目中,为学生提供硬件训练资源,为创新型人才的培养提供了平台支撑。