電路開放實驗
——數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路的實現(xiàn)

應柏青，趙彥珍，沈　瑤

(西安交通大學　電工電子教學實驗中心，西安　710049)

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電路開放實驗
——數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路的實現(xiàn)

應柏青，趙彥珍，沈瑤

(西安交通大學電工電子教學實驗中心，西安710049)

該文基于NI myDAQ教學平臺的數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路，介紹了在本科一年級電路課程中開設開放實驗的實踐過程。并就此實驗項目的設計思路進行了詳細的論述，提出在技術(shù)基礎課程階段開設開放實驗的做法是可行的，也是實驗改革需堅持的一個方向。

電路; 開放實驗;數(shù)模轉(zhuǎn)換;解碼；NI myDAQ；數(shù)據(jù)流編程

從事電路實驗教學多年來，由于其課程開設在大學一年級，學生知識儲備量有限，大多數(shù)高校沒有針對該階段的學生開設開放實驗，一般到了大學二三年級，才有開放性實驗項目供學生選做。為配合國家級電工電子教學實驗示范中心建設的需要，也為了盡早培養(yǎng)學生獨立實驗及科研創(chuàng)新能力，有必要在這方面開展一些嘗試性工作。

自2010年起，西安交通大學電工電子教學實驗中心在電氣工程學院本科一年級學生中開展了電路開放實驗的教學實踐活動，活動得到了學生的積極響應。本文以數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路的實現(xiàn)為例，介紹開放實驗的實施方法。

1　實驗設計思路

數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼網(wǎng)絡電路通稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱D/A轉(zhuǎn)換器。它是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成相應模擬量的器件。D/A轉(zhuǎn)換器基本上由權(quán)電阻網(wǎng)絡、運算放大器、基準電源和模擬開關(guān)4個部分組成。

本實驗作為電路課程中含有運算放大器的權(quán)電阻網(wǎng)絡的實際應用，要求學生查閱相關(guān)資料，自行設計由面包板、電阻、運算放大器和發(fā)光二極管等組成的4位數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路。

因此，本實驗整體設想方案分為以下3個步驟。

1)硬件電路設計及仿真校驗。

收集、查找資料設計完成4位數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路，并用Multisim軟件對設計的電路進行效驗。

2)硬件搭建及調(diào)試。

在仿真校驗正確的情況下，搭建硬件電路，調(diào)試取得實測數(shù)據(jù)。

3)實現(xiàn)解碼。

根據(jù)學生自身能力，本實驗有以下2種解碼方案。

方案一，自編程序?qū)y量結(jié)果輸入計算機，由計算機給出解碼結(jié)果。

方案二，采用數(shù)據(jù)采集方式。硬件調(diào)試完成后，將硬件電路輸出的模擬量，通過NI myDAQ教學平臺采集進計算機，用LabVIEW編程實現(xiàn)解碼。

2　實驗設計實例

數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路有多種設計方案，以下為本文完成的一個設計實例。

1)電路原理。

由電阻、電源及運放等組成的4位數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路的原理圖如圖1所示。

圖中US為電源提供的電壓。該電路輸出與輸入的關(guān)系為：

(1)

式中，d0～d3為二進制位。由此，可以將一個二進制的4位電壓信號通過此電路轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出值，再通過程序?qū)⒛M信號還原為數(shù)字信號，由計算機展現(xiàn)解碼結(jié)果。

在US=6.4V時，理論值與實測值的對比數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1　理論值與實測值的對比數(shù)據(jù)

根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)，在LabVIEW 環(huán)境下設計算法，將計算機采集的模擬信號還原為初始設置的數(shù)字信號，并由Labview程序前面板及NI myDAQ數(shù)字端口的發(fā)光二極管顯示結(jié)果。

2)NI myDAQ數(shù)據(jù)采集功能的設置。

① 直流6.4 V電源信號產(chǎn)生。

數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路上的直流6.4 V電源信號由NI myDAQ模擬輸出AO-0接口生成。

② 數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路上模擬輸出信號的采集。

數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路上模擬輸出信號由NI myDAQ模擬輸入AI-0+接口采集送入計算機處理。

③ 發(fā)光二極管接在NI myDAQ數(shù)字0～3接口上。

3)LabVIEW 程序設計。

①程序前面板設計。

打開程序前面板，使之成為當前活動窗口，在其活動窗口中，右鍵打開控件選板。

★ 添加兩個“數(shù)值顯示”控件用于顯示“采集的模擬電壓”和“轉(zhuǎn)換后的十進制整數(shù)”：控件選板→新式→數(shù)值→數(shù)值顯示控件。

★ 添加一個“布爾量”數(shù)組控件用于顯示“解碼后的二進制數(shù)”：控件選板→新式→數(shù)組，拖動數(shù)組控件放置在程序前面板；控件→新式→布爾→圓形指示燈，拖動圓形指示燈放置在數(shù)組控件上。

★ 添加一個“停止”控件用于控制整個程序的結(jié)束：控件選板→新式→布爾→停止控件。

設計完成的LabVIEW前面板如圖2所示。

圖2　LabVIEW程序前面板

②程序框圖設計。

打開程序框圖面板，使之成為當前活動窗口，在其活動窗口中，右鍵打開函數(shù)選板。

★添加一個“while循環(huán)”結(jié)構(gòu)：函數(shù)選板→編程→結(jié)構(gòu)→while循環(huán)，用鼠標在程序框圖中拖動，畫出while循環(huán)的圖框。

★添加“DAQ助手”：函數(shù)選板→Express→輸入→DAQ助手→采集信號→模擬輸入→電壓→myDAQ1→aI0→完成。從aI0接口采集模擬電壓信號。

★添加“DAQ助手3”：函數(shù)選板→Express→輸出→選中DAQ助手→生成信號→模擬輸出→電壓→myDAQ1→aO0→完成。對aO0接口輸出6.4 V直流電壓給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路作為輸入信號。

★添加“公式節(jié)點”：函數(shù)選板→編程→結(jié)構(gòu)→公式節(jié)點。在公式節(jié)點中添加誤差處理語句。

★添加“條件結(jié)構(gòu)”：函數(shù)選板→編程→結(jié)構(gòu)→條件結(jié)構(gòu)。給條件結(jié)構(gòu)添加16個分支，執(zhí)行分支的條件設置為數(shù)字0～15。

★在每一個條件結(jié)構(gòu)的分支中添加一個布爾型“數(shù)組常數(shù)”：函數(shù)選板→編程→數(shù)組→數(shù)組常數(shù)；函數(shù)選板→編程→布爾→真常量。設置布爾型數(shù)組常數(shù)的值與分支條件相對應。如分支條件為10，則布爾型數(shù)組常數(shù)設置為TFTF(真假真假)。

★添加“DAQ助手2”：函數(shù)選板→Express→輸出→選中DAQ助手→生成信號→數(shù)字輸出→線輸出→myDAQ1→同時選中porto/line0～porto/line3共4個myDAQ數(shù)字接口→完成→確定。

★添加一個“反轉(zhuǎn)一維數(shù)組”：函數(shù)選板→編程→數(shù)組→反轉(zhuǎn)一維數(shù)組控件。

按圖3所示連線，完成數(shù)據(jù)流編程任務。

圖3　LabVIEW程序框圖

3　結(jié)束語

當今社會對人才的需求更加注重綜合能力和創(chuàng)新能力。電路實驗也應由教師占主導地位的灌輸式實驗模式向以學生為主導的自主實驗模式轉(zhuǎn)變。

開放實驗作為課內(nèi)實驗的一種補充給學有余力的學生提供了一次實踐機會。結(jié)合大學一年級本科學生現(xiàn)有的知識開展開放實驗的實踐活動對提升學生獨立實驗及實驗創(chuàng)新能力的作用不可忽視。在一年級基礎課階段開設開放實驗是技術(shù)基礎課程改革實驗需堅持的一種方向。

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Circuit Opening Experiment——Realization of the Digital to Analog Conversion and Decode

YING Baiqing, ZHAO Yanzhen, SHEN Yao

(Electrical and Electronic Teaching Experiment Center, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The practical process of the circuit opening experiment was introduced through the circuit of the digital to analog converter based on the NI myDAQ teaching platform.The design idea of this experiment project was discussed in detail.It is feasible to set up an open experiment in the course of technical basic course, and is also a direction for the reform of the experiment.

circuit; opening experiment; digital to analog conversion; decode; NI myDAQ；data stream programming

2016-07-08

應柏青(1964-)，女，高級工程師，主要從事技術(shù)基礎課程的實驗教學工作。

TN701

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.003