應用于數(shù)字示波器實驗的多功能實驗儀研制

苗永平，王 娜，孫二平，王慶國，劉維慧

(山東科技大學 電子信息工程學院，山東 青島 266590)

2018年10月教育部頒布的《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》[1]中明確指出，要求以學生發(fā)展為中心，通過教學改革促進學習革命，因課制宜選擇課堂教學方式方法，科學設計課程考核內(nèi)容和方式，不斷提高課堂教學質(zhì)量，以激發(fā)求知欲望，提高學習效率，提升自主學習能力。示波器實驗是目前很多理工類普通高等學校的必修公共基礎實驗項目[2,3]，在實際教學中多采用模擬示波器授課，且普遍存在重知識輕技能、重理論輕應用等問題，這種教學模式難以滿足現(xiàn)代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求[4]。近年來，各高校對示波器實驗開展了諸多研究改進工作[5-10]，為提高實驗教學質(zhì)量提供了很好的思路與參考。

在實驗教學中，實驗儀器和設備是實驗教學的基礎和保障，是實驗教師教學意圖賴以實施的載體。實驗設備的優(yōu)劣在一定程度上決定了實驗教學效果。山東科技大學物理實驗中心結(jié)合示波器實驗教學中存在的問題，采用數(shù)字示波器作為主體教學設備，自主設計開發(fā)了與之配套的多功能實驗儀，為電學信號測量和分析提供實戰(zhàn)訓練平臺，有助于激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)實踐技能和學以致用的科學意識。

1 系統(tǒng)思路

在整體功能和用途方面，實驗儀以提供數(shù)字示波器操作技能應用訓練場景為核心目標、以激發(fā)學生學習興趣和提高實驗課堂效率為根本目的，服務于電子電氣類專業(yè)人才培養(yǎng)和專業(yè)發(fā)展需求。據(jù)此，實驗儀設計三個電路單元，分別為心電單元、RC充放電單元、邏輯電平轉(zhuǎn)換單元。三個單元在激發(fā)學生興趣、訓練技能和專業(yè)服務等方面各有側(cè)重，在硬件設計上又相對獨立，這給實驗教師靈活而實用地安排實驗教學提供了極大的便利。

在實驗儀開發(fā)工作中，借鑒華為、海信、聯(lián)想等國際知名企業(yè)的電子類新產(chǎn)品開發(fā)流程，并根據(jù)學校實際資源狀況，因地制宜設計了五段式產(chǎn)品開發(fā)流程，包括需求輸入、方案設計、方案評價、樣機制作、樣機測試五個核心環(huán)節(jié)。特別地，在方案評價環(huán)節(jié)使用Multisim對設計方案進行模擬仿真，有效驗證設計方案可行性，提高了工作效率。

2 設計方案

本實驗儀的開發(fā)內(nèi)容由電源電路、心電單元、RC充放電單元和邏輯電平轉(zhuǎn)換單元四部分組成，整體設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計框圖

2.1 心電單元

心電單元從人體左手腕關節(jié)、右手腕關節(jié)、右腳腕關節(jié)采集人體電信號通過肢體夾輸入AD8232芯片。AD8232芯片集成了儀表放大器、增益放大器以及右腿驅(qū)動電路[11]，AD8232的內(nèi)部及周邊電路對低至微伏的心電信號進行兩級放大，對肌電干擾、工頻干擾以及基線漂移等噪聲信號進行濾波處理。

另外，在本單元信號輸出端另引一路，添加了以典型的RC串聯(lián)電路搭建的心電信號延遲電路[12]，將AD8232及其周邊電路處理好的心電信號延遲若干時間后輸出。該功能為學生提供了測量原始信號與延遲信號之間時間差的訓練，電路原理圖如圖2所示。

圖2 心電單元電路原理圖

該單元集合了對周期性電信號的頻率、周期、幅度的測量和對兩路信號的相位差等參數(shù)的測量的訓練，目的是讓學生練習數(shù)字示波器基本按鍵操作、水平與垂直方向位移和檔位調(diào)節(jié)、自動測量和光標輔助測量等常用功能，豐富示波器實驗教學內(nèi)容。

2.2 RC充放電單元

該單元采用典型的RC電路搭建，設計有1個電容和五個不同阻值的電阻，采用+5 V作為驅(qū)動電源，有1個單刀雙擲開關和多個連接端子。學生通過導線將不同阻值的電阻與電容相連，并將電容正極接入數(shù)字示波器。將數(shù)字示波器的“時基”設定為“ROLL”。在閉合/斷開電源時可在示波器上觀察到電容兩端電壓的實時變化曲線，基本電路如圖3所示。

圖3 RC充放電電路原理圖

該單元重點讓學生練習數(shù)字示波器“時基”的設定，還可探究RC充放電規(guī)律，深入理解RC充放電的基本原理。

2.3 邏輯電平轉(zhuǎn)換單元

該單元主要由單片機STM32F103RET6、線性穩(wěn)壓器SGM2019-3.3YC5G/TR和分壓電路構成，共產(chǎn)生8路占空比為50%的方波信號。如圖4(a)所示電路提供第1～7路方波信號輸出，其信號幅度通過Rx設定為0.4～2.2 V；如圖4(b)所示電路提供第8路方波信號輸出，其信號幅度可通過3 KΩ的可變電阻實時調(diào)節(jié)。學生可將這8路方波信號接至數(shù)字示波器的模擬輸入接口實時顯示并測量基本參數(shù)，還可通過示波器自帶的邏輯電平分析模塊連接至數(shù)字示波器的數(shù)字輸入接口，顯示各路模擬電壓信號對應的邏輯電平信號。該單元能夠讓學生練習數(shù)字輸入通道的使用，體驗模擬電壓信號和數(shù)字邏輯電平之間的轉(zhuǎn)換關系。

(a)

另外，該單元設計了程序下載和調(diào)試硬件接口[14]，控制輸出方波信號的有無、占空比等，可供學生更進一步練習單片機控制相關操作。

2.4 電源模塊

該多功能試驗儀由直流5 V適配器提供供電電源,線性穩(wěn)壓器BL1117-33CX將5 V直流電轉(zhuǎn)換為兩路3.3 V直流電，分別輸出至單片機與其他用電模塊，這樣設計可以在滿足整個系統(tǒng)的用電需求的同時實現(xiàn)電源隔離，減少其他電路對MCU的驅(qū)動能力的影響。電源電路原理如圖5所示。

圖5 電源電路原理圖

3 可行性驗證

在進行理論性分析及原理圖的繪制后，為保證整個設計方案的可實施性以及完整性，在進行實際電路板的加工之前，使用仿真軟件Multisim進行仿真以驗證本設計方案可行性，考慮到仿真軟件的局限性，只模擬部分電路的各項性能、虛擬測試并分析改進。

3.1 RC充放電模塊驗證

以100 Ω電阻與100 uF的電解電容為例進行RC充電電路的仿真。

根據(jù)RC充放電基本原理，計算充電時間常數(shù)τ為：

τ=RC=100Ω*100uF=100 ms

電容充滿電的時間為5τ，即50 ms。

在Multisim中仿真，測量仿真波形得到電容充滿電的時間為50.284 ms，如圖6所示。

圖6 RC充電電路仿真結(jié)果

以上可知，通過電路仿真驗證設計方案能夠?qū)崿F(xiàn)預期功能，且充放電時間與理論計算值非常接近，證明設計方案是可行的。

3.2 邏輯電平轉(zhuǎn)換單元驗證

由于Multisim仿真軟件的器件庫暫時沒有電壓轉(zhuǎn)換芯片，故使用信號發(fā)生器直接產(chǎn)生幅度為3 v、周期為1 s的方波信號代替線性穩(wěn)壓器，并通過電阻分壓產(chǎn)生不同電壓，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 邏輯電平轉(zhuǎn)換模塊仿真結(jié)果

用仿真軟件的電壓表或示波器測量各通道的模擬信號電壓值，與上圖邏輯分析儀結(jié)果進行對比，結(jié)果符合預期門限電平TTL設置范圍，故邏輯電平轉(zhuǎn)換部分電路方案滿足設計要求。

3.3 心電信號采集模塊驗證

因Multisim 14.0仿真軟件的器件庫中缺少心電信號處理芯片AD8232，并且軟件自帶的函數(shù)發(fā)生器不包含心電信號的產(chǎn)生，無法實現(xiàn)心電信號測量模塊的仿真，故心電信號測量模塊的硬件設計參考AD8232數(shù)據(jù)手冊進行。

4 樣機搭建與評價

4.1 樣機搭建

可行性通過檢驗后，利用電子產(chǎn)品開發(fā)工具Altium designer進行PCB的繪制、布局，并進行加工、焊接組裝、調(diào)試，成為一臺功能完備、運行正常的實驗儀，如圖8所示。

圖8 實驗儀外觀及測試圖示

4.2 樣機效果及評價

4.2.1 心電單元

將一次性AgCl電極或四肢夾固定于左手腕關節(jié)、右手腕關節(jié)及右腳腕關節(jié)，另一端連接至實驗儀對應的信號輸入端口。通過示波器探頭將原始心電信號和延遲信號分別連接至數(shù)字示波器的CH1和CH2通道，信號在示波器上顯示如圖9所示。其中，波形a(黃色)為原始心電信號、波形b(青色)為延遲信號。經(jīng)測量可得心電信號頻率為64 Hz，原始心電信號與延遲信號之間的時間差為22 ms。測試結(jié)果符合設計預期。

圖9 心電信號及延遲信號圖示

4.2.2 RC充放電單元

將RC充放電單元中的測試點經(jīng)探頭連接至數(shù)字示波器，設定數(shù)字示波器“時基”為“ROLL”模式，撥動單刀雙擲開關使之處于“充電”或“放電”狀態(tài)，并將不同阻值的電阻接入電路進行測試，可在示波器上觀察到完整的電容充電和放電過程，結(jié)果符合設計預期。如圖10所示為100 Ω電阻接入電路、充電時電容電壓實測波形。

圖10 電容充放電過程

4.2.3 邏輯電平轉(zhuǎn)換單元

使用數(shù)字信號電纜和模擬信號探頭連接示波器實驗儀測試點與數(shù)字示波器，將電壓信號顯示在示波器上并進行測量對比。經(jīng)實驗表明，各信號均符合設計預期。

以其中1路信號為例，CH1通道接模擬電壓信號，按數(shù)字示波器的“AUTO”按鈕后顯示波形(圖11中黃色波形)，測得其幅度為2.0 V，頻率為50 Hz，上升沿為46 ms；D5通道接數(shù)字電平信號，將數(shù)字示波器的“LA”門限類型設定為“TTL”，數(shù)字電平信號顯示在屏幕上(圖11中紅色波形)。當模擬電壓為0 V和2.0 V時，其數(shù)字電平分別為“0”和“1”，對應關系正確。該路信號模擬電壓信號和數(shù)字電平信號波形如圖11所示。

圖11 模擬電壓與數(shù)字電平波形圖示

通過上述測試，確定實驗儀各模塊的功能及性能達到設計預期，能夠滿足實驗教學要求。

5 結(jié) 語

從數(shù)字示波器實驗課堂教學需求出發(fā)，設計了一款應用于電信號測量和分析技能訓練的多功能實驗儀，包括心電信號、RC充放電以及邏輯電平轉(zhuǎn)換三個單元。經(jīng)方案設計、可行性驗證、樣機組裝和測試等環(huán)節(jié)，驗證該實驗儀的功能和性能完全達到了設計預期。該實驗儀應用于數(shù)字示波器實驗教學中，一方面讓學生測試自身的心電指標，能夠有效激發(fā)學生的學習興趣，另一方面學生能夠在觀察、測量、分析信號的過程中通過實踐加深對電學基礎理論知識的理解，達到在實踐中學習理論、理解理論的效果。

綜上所述，該實驗儀能夠有效豐富數(shù)字示波器實驗課堂教學，有助于提高人才培養(yǎng)能力，具有較高的實用價值和借鑒意義。