基于MyDAQ的“電子技術(shù)基礎(chǔ)”口袋實(shí)驗(yàn)室開發(fā)

榮海林， 姚福安

(山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

無論是“虛擬實(shí)驗(yàn)”還是實(shí)物實(shí)驗(yàn)，通常都是在規(guī)定時間內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室里完成的。近年來，有一種新想法得到了師生們很多贊許：讓學(xué)生擁有自己的一個便攜式硬軟件實(shí)驗(yàn)平臺，以便他們可以隨時隨地的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，這便是口袋實(shí)驗(yàn)室的由來。

目前國內(nèi)外確有高校積極開展這方面的研究。在此背案下，本文也提出了一種基于MyDAQ的便攜式“電子技術(shù)基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)平臺(“電子技術(shù)基礎(chǔ)”口袋實(shí)驗(yàn)室)開發(fā)，該實(shí)驗(yàn)平臺可以完全滿足學(xué)生在宿舍、教室等任何地方都可以開展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，極大地節(jié)約了時間，提高了學(xué)習(xí)效率。

1 實(shí)施方案

該實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)施方案是利用NI MyDAQ作為數(shù)據(jù)采集卡來代替實(shí)驗(yàn)室中的萬用表、示波器、信號發(fā)生器等儀器設(shè)備。將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整合到一塊實(shí)驗(yàn)板上，方便學(xué)生隨時隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。整體實(shí)施方案如圖1所示。

1.1 NI MyDAQ

數(shù)據(jù)采集卡NI MyDAQ具有體積小、攜帶方便、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。僅需通過USB和計算機(jī)相連，就可工作。MyDAQ具有2路差分模擬輸入與2路模擬輸出、8路數(shù)字輸入與數(shù)字輸出接口、1路音頻輸出與輸入口、+5 V/+15 V/-15 V/電源等。MyDAQ與計算機(jī)相連可提供8種軟件儀器，包括示波器、任意信號發(fā)生器、數(shù)字萬用表、波特圖儀、動態(tài)信號分析儀、函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字讀取器和數(shù)字寫入器。該卡通過與計算機(jī)上的NI ELVISmx Instrument Launcher相連接，可以對采集到的信號或波形進(jìn)行分析處理，NI ELVISmx Instrument Launcher如圖2所示。

圖1 整體實(shí)施方案

圖2 NI ELVISmx Instrument Launcher

圖中，DMM：數(shù)字萬用表，分辨率(顯示的有效位數(shù))：3.5；

Scope：示波器，雙通道，最大采樣率為200 kS/s；

FGEN：函數(shù)發(fā)生器，輸出頻率范圍為0.2 Hz～20 kHz；

Bode：Bode分析儀，頻率范圍為： 1 Hz～20 kHz；

DSA：動態(tài)信號分析儀；

ARB：任意波形發(fā)生器，可同時產(chǎn)生兩路波形；

DigIn/DigOut：數(shù)字讀取器/數(shù)字寫入器。

1.2 實(shí)驗(yàn)板

為了便于攜帶，將實(shí)驗(yàn)平臺全部的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整合到一塊實(shí)驗(yàn)板上，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括單管共射放大器、兩級共射放大器、負(fù)反饋放大電路、差動放大器、場效應(yīng)管、運(yùn)算放大器線性應(yīng)用、信號發(fā)生器，基本涵蓋了全部“模擬電子技術(shù)”課程中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在每個實(shí)驗(yàn)電路中，對所有的關(guān)鍵測量點(diǎn)都留出插孔，方便測量。同時，配合面包板，學(xué)生基本上可以實(shí)現(xiàn)所有的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，設(shè)計的各個實(shí)驗(yàn)的原理圖及制作的PCB和實(shí)物如圖3和圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)測試

完成該便攜式實(shí)驗(yàn)平臺后，對實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行測試，下面就共射放大器這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做全面測試，來檢測該實(shí)驗(yàn)平臺。

圖3 實(shí)驗(yàn)板設(shè)計原理圖

圖4 基于MyDAQ的模擬電子技術(shù)口袋實(shí)驗(yàn)板

共射放大器是“模擬電子技術(shù)”課程中最基本的內(nèi)容，三極管組成的共發(fā)射極放大器電路如圖5所示，其中電阻R1和R2組成衰減網(wǎng)絡(luò)，目的是提高信噪比，減小噪聲影響[1]。

圖5 共射極基本放大器

該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括放大器靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)試及測量；放大器電壓放大倍數(shù)測量；放大器輸入電阻測量；放大器輸出電阻測量；觀察由于靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致的波形失真；放大器上、下限頻率的測量；放大電路頻率特性測試等。

將實(shí)驗(yàn)板與NI MyDAQ相連，共地，將MyDAQ的+15 V電壓輸出端接到實(shí)驗(yàn)板基本放大器的UCC端，將S1閉合，先不給放大器加輸入信號，用DMM(數(shù)字萬用表)測量集電極電壓，調(diào)節(jié)RW使三極管9013集電極電壓約為7.5 V，測量基極和發(fā)射極電壓，如 圖6所示，判斷三極管工作狀態(tài)。

圖6 三極管集電極，基極和發(fā)射極電位

從圖6中可以看出，三極管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，工作在放大狀態(tài)。

使用NI MyDAQ的波形發(fā)生器輸出一個1 kHz的正弦波，調(diào)節(jié)其峰峰值為 1 V，觀察輸入Ui和輸出Uo信號波形，在不失真的情況下，分別測量無負(fù)載電阻和加上負(fù)載電阻的電壓放大倍數(shù)，如圖7所示，并計算輸出電阻[2]。

圖7 放大電路在沒有負(fù)載和有負(fù)載的輸入輸出波形

由波形圖可以看出，在沒有負(fù)載的情況下其電壓放大倍數(shù)為

在有負(fù)載的情況下電壓放大倍數(shù)為

由此可以看出無負(fù)載的情況下，放大倍數(shù)是有負(fù)載的兩倍，理論上RL和RC的阻值相同，倍數(shù)也應(yīng)當(dāng)為兩倍的關(guān)系。

輸出電阻為

將開關(guān)S1斷開，分別測量US和Ui，如圖8所示，計算輸入電阻[3]。

輸入電阻為

圖8 斷開S1的Ui和US波形

用NI MyDAQ的示波器觀察輸出波形，并調(diào)節(jié)RW電位器，觀察由于靜態(tài)點(diǎn)設(shè)置不合適引起的飽和失真和截止失真。如圖9所示。

圖9 飽和失真和截止失真波形圖

由于MyDAQ最大可輸出 20 kHz的信號，所以在放大器的輸出端加上電容C3，可以大大降低放大器的上限截止頻率，方便測量。在輸入1 kHz，峰峰值為1 V的正弦波時，輸出電壓的峰峰值為3.5 V，保持輸入電壓的幅值不變，改變輸入頻率，并觀察輸出電壓幅值的變化，當(dāng)分別降低頻率和增大頻率導(dǎo)致輸出電壓的幅值變?yōu)樵瓉淼?.707倍，也就是大約2.47 V時，此時的頻率就是放大器的上、下限頻率，如圖10所示。

由示波器可以看出，此放大器的上、下限頻率分別為3.8 kHz 和121 Hz。

利用MyDAQ的Bode分析儀可以對放大電路進(jìn)行頻率特性分析，將AI0接到放大電路的輸入端，將AI1接到放大電路的輸出端，同時將MyDAQ的模擬輸出端口AO0作為信號源接口，啟動Bode分

圖10 測量上下限頻率的輸入輸出波形

析儀，可以看到放大電路的頻率響應(yīng)曲線如圖11所示。

圖11 放大電路的頻率響應(yīng)測試

由Bode圖可以看到，上下限截止頻率和放大倍數(shù)和前面的測量結(jié)果在誤差允許范圍之內(nèi)[4]。

由于圖5電路引入的是電流串聯(lián)負(fù)反饋，放大電路可近似相當(dāng)于一個恒流源，負(fù)反饋放大電路的增益為[5]

由圖12可以看出，輸出電壓減小，上限頻率同樣仍為3.8 kHz，這是因?yàn)殡娐芬氲姆答伣M態(tài)是電流串聯(lián)負(fù)反饋。在輸入電壓不變的情況下，增益

圖12 去掉旁路電容Ce放大電路的頻率響應(yīng)測試

通過對上述各項(xiàng)的測試數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，所有誤差都在允許的范圍內(nèi)，說明該實(shí)驗(yàn)平臺測試效果良好，對于兩級共射極放大電路，場效應(yīng)管放大電路，差分放大電路，信號發(fā)生器以及運(yùn)放的線性應(yīng)用經(jīng)過實(shí)際的測試，所得數(shù)據(jù)均符合理論要求。

3 結(jié)語

本文開發(fā)了一個針對“模擬電子技術(shù)”基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的便攜式口袋實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)平臺具有以下優(yōu)點(diǎn)：體積小，容易攜帶，學(xué)生可以在任何地點(diǎn)任何時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，擺脫了實(shí)驗(yàn)室的束縛，大大提高了學(xué)習(xí)效率。通過實(shí)驗(yàn)測試，該實(shí)驗(yàn)平臺操作簡單，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及波形容易獲取和分析，實(shí)驗(yàn)精度完全得到保證。學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)平臺反饋意見良好，該平臺在應(yīng)用中取得了很好的教學(xué)效果。

[1] 童詩白．模擬電子線路[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1996:58-65.

[2] 姚福安，徐向華.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計與仿真[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2015:166-170.

[3] 姚福安.電子電路設(shè)計與實(shí)踐[M]. 濟(jì)南：山東科學(xué)出版社，2005:23-31.

[4] 梁秀梅，于平義.模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008:48-55.

[5] 劉貴棟,王淑娟. 基于NI myDAQ的電子技術(shù)基礎(chǔ)課堂教學(xué)[J]. 北京：現(xiàn)代教育技術(shù). 2012(09):108-111.

[6] 孫暉,路揚(yáng),劉俊延. 基于myDAQ和Multisim的信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計[J]. 上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索. 2013(12):13-15.