电子技术口袋实验室电路系统的设计*

庞存锁，杨 凌

(中北大学,创新创业学院,山西 太原 030051)

0 引言

现在许多高校的电子技术实验教学是在特定的场所特定的时间授课,具有一定的时效性,学生只能在课上进行实验,没有完成实验任务的学生只能随着课堂的结束而终止,不利于学生学习能力的提升。针对上述情况,本文预设计一种便于携带、价格低廉、学生可自选实验场地进行实验的口袋实验室,以满足学生的学习、实验和实践需求,也可用于疫情等特殊时段在宿舍或家里自行实验。

1 基于STM32单片机的口袋实验室系统设计

本系统主要由主控制部分(STM32单片机)、电源部分、上位机通信部分、信号发生电路、显示部分等组成,图1所示为系统的整体框图。

1.1 主控部分

本系统决定采用STM32F103ZET6作为主控制芯片,该芯片拥有72 MHz工作频率,可以满足高速信号采集的需要,支持串行单线调试(SWD)和JTAG接口;另外它还具有8个定时器,3个16位定时器,同时拥有3个12位ADC通道,满足采集时的精度要求。它还内置有3个12位的模数转换器,1 μs转换时间,符合系统高采样频率的要求[1-3]。

1.2 信号发生器部分

信号发生器部分主要采用ICL8038作为波形发生芯片,ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路, 只需调整个别的外部元件就能产生从 1 Hz～300 kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制[4]。

图2所示为板载信号发生器部分的电路原理图。通过改变电容,可以切换产生的频率,ICL8038内部有两个可调恒流源,通过对外接电容进行充电放电来起振,其后接LM358构成的电压跟随器,增大输入电阻,减少输出电阻,降低信号损耗,接着信号再经过一个OP07构成反向比例放大器,放大倍数由RP7调节,最终输出10 V可调的信号。

图2 信号发生器部分电路原理图

1.3 上位机通信部分

系统与上位机之间通信采用的是USB方式,USB一般有4个引脚,一个VCC,一个GND,一个D+,一个D-。D+和D-是通信用的数据线。USB有主从机之分,由于STM32F103ZET6的USB口只能用做从机,而从机的USB口,有高速和低速之分,如果在D+接了1.5 kΩ的上拉电阻,就是高速设备,如果是在D-接了1.5 kΩ的上拉电阻,就是低速设备,而板载的STM32F103ZET6芯片支持USB2.0协议,使用的是USB全速模式,因而是高速设备,因此在D+加入了一个上拉的电阻,使得主机在识别USB的时候将STM32辨认为高速设备,最后D+、D-再接入到32单片机的USB专用端口[5-7]。

1.4 系统程序设计

STM32单片机在整个工作过程中,DAC一直工作,不断向外输出波形,同时STM32单片机也随时准备接收来自上位机或者屏幕和按键的指令,整个系统的程序流程如图3所示。

图3 系统程序流程框图

2 实验验证

2.1 信号调理电路验证

将信号从SMA接口接入,并经由USB口和电脑连接,测试信号经过前端电路处理后进入AD接口前信号的波形,从而检查电路板信号调理部分的路性能,图4所示为连接测试的实物。

图4 测试连接实物图

为了测试信号调理电路的衰减偏差,将幅值为3 V,频率为1 kHz,偏置为1 V的正弦波信号接入系统中进行测试,记录测试所得的实验值如表1所示。

表1 测试结果表

对比测试值和理论值可以发现每一个实验数据的偏差值都没有超过0.1 V,基本满足设计要求。

2.2 三极管放大电路实验

以常见的三极管放大电路实验为例,验证本系统的性能,图5所示为搭建的三极管放大电路实物图,设输入信号VPP为150 mV的正弦波信号,并经过板载的衰减电路衰减为40 mV,将其作为三极管放大电路的输入信号;图6给出了输入信号经过放大电路放大后变为1.241 V的正弦波信号,并对比分析了示波器测量信号的幅值和频率。由图6中可知,信号被放大了1.241/0.04=31.025倍,并和示波器验证的测试结果基本一致,证明了本系统作为实验仪器的可行性。

图5 三极管放大电路

图6 放大电路输入信号检测与示波器验证图

3 总结

本文设计了基于STM32单片机的电子技术口袋实验室系统,实现了对信号的采集、恢复与显示,并且能将数据传输到上位机,可进行数据波形和参数的显示。设计的系统具有体积小、便携性、低功耗的特点,可作为实验室大型实验设备的有益补充,进一步提高学生的实践动手能力。