電子技術(shù)口袋實(shí)驗(yàn)室電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

龐存鎖，楊 凌

(中北大學(xué),創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院,山西 太原 030051)

0 引言

現(xiàn)在許多高校的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在特定的場所特定的時(shí)間授課,具有一定的時(shí)效性,學(xué)生只能在課上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),沒有完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的學(xué)生只能隨著課堂的結(jié)束而終止,不利于學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提升。針對上述情況,本文預(yù)設(shè)計(jì)一種便于攜帶、價(jià)格低廉、學(xué)生可自選實(shí)驗(yàn)場地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的口袋實(shí)驗(yàn)室,以滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐需求,也可用于疫情等特殊時(shí)段在宿舍或家里自行實(shí)驗(yàn)。

1 基于STM32單片機(jī)的口袋實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由主控制部分(STM32單片機(jī))、電源部分、上位機(jī)通信部分、信號(hào)發(fā)生電路、顯示部分等組成,圖1所示為系統(tǒng)的整體框圖。

1.1 主控部分

本系統(tǒng)決定采用STM32F103ZET6作為主控制芯片,該芯片擁有72 MHz工作頻率,可以滿足高速信號(hào)采集的需要,支持串行單線調(diào)試(SWD)和JTAG接口;另外它還具有8個(gè)定時(shí)器,3個(gè)16位定時(shí)器,同時(shí)擁有3個(gè)12位ADC通道,滿足采集時(shí)的精度要求。它還內(nèi)置有3個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,1 μs轉(zhuǎn)換時(shí)間,符合系統(tǒng)高采樣頻率的要求[1-3]。

1.2 信號(hào)發(fā)生器部分

信號(hào)發(fā)生器部分主要采用ICL8038作為波形發(fā)生芯片,ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調(diào)整個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從 1 Hz～300 kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制[4]。

圖2所示為板載信號(hào)發(fā)生器部分的電路原理圖。通過改變電容,可以切換產(chǎn)生的頻率,ICL8038內(nèi)部有兩個(gè)可調(diào)恒流源,通過對外接電容進(jìn)行充電放電來起振,其后接LM358構(gòu)成的電壓跟隨器,增大輸入電阻,減少輸出電阻,降低信號(hào)損耗,接著信號(hào)再經(jīng)過一個(gè)OP07構(gòu)成反向比例放大器,放大倍數(shù)由RP7調(diào)節(jié),最終輸出10 V可調(diào)的信號(hào)。

圖2 信號(hào)發(fā)生器部分電路原理圖

1.3 上位機(jī)通信部分

系統(tǒng)與上位機(jī)之間通信采用的是USB方式,USB一般有4個(gè)引腳,一個(gè)VCC,一個(gè)GND,一個(gè)D+,一個(gè)D-。D+和D-是通信用的數(shù)據(jù)線。USB有主從機(jī)之分,由于STM32F103ZET6的USB口只能用做從機(jī),而從機(jī)的USB口,有高速和低速之分,如果在D+接了1.5 kΩ的上拉電阻,就是高速設(shè)備,如果是在D-接了1.5 kΩ的上拉電阻,就是低速設(shè)備,而板載的STM32F103ZET6芯片支持USB2.0協(xié)議,使用的是USB全速模式,因而是高速設(shè)備,因此在D+加入了一個(gè)上拉的電阻,使得主機(jī)在識(shí)別USB的時(shí)候?qū)TM32辨認(rèn)為高速設(shè)備,最后D+、D-再接入到32單片機(jī)的USB專用端口[5-7]。

1.4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)在整個(gè)工作過程中,DAC一直工作,不斷向外輸出波形,同時(shí)STM32單片機(jī)也隨時(shí)準(zhǔn)備接收來自上位機(jī)或者屏幕和按鍵的指令,整個(gè)系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程框圖

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 信號(hào)調(diào)理電路驗(yàn)證

將信號(hào)從SMA接口接入,并經(jīng)由USB口和電腦連接,測試信號(hào)經(jīng)過前端電路處理后進(jìn)入AD接口前信號(hào)的波形,從而檢查電路板信號(hào)調(diào)理部分的路性能,圖4所示為連接測試的實(shí)物。

圖4 測試連接實(shí)物圖

為了測試信號(hào)調(diào)理電路的衰減偏差,將幅值為3 V,頻率為1 kHz,偏置為1 V的正弦波信號(hào)接入系統(tǒng)中進(jìn)行測試,記錄測試所得的實(shí)驗(yàn)值如表1所示。

表1 測試結(jié)果表

對比測試值和理論值可以發(fā)現(xiàn)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差值都沒有超過0.1 V,基本滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 三極管放大電路實(shí)驗(yàn)

以常見的三極管放大電路實(shí)驗(yàn)為例,驗(yàn)證本系統(tǒng)的性能,圖5所示為搭建的三極管放大電路實(shí)物圖,設(shè)輸入信號(hào)VPP為150 mV的正弦波信號(hào),并經(jīng)過板載的衰減電路衰減為40 mV,將其作為三極管放大電路的輸入信號(hào);圖6給出了輸入信號(hào)經(jīng)過放大電路放大后變?yōu)?.241 V的正弦波信號(hào),并對比分析了示波器測量信號(hào)的幅值和頻率。由圖6中可知,信號(hào)被放大了1.241/0.04=31.025倍,并和示波器驗(yàn)證的測試結(jié)果基本一致,證明了本系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)儀器的可行性。

圖5 三極管放大電路

圖6 放大電路輸入信號(hào)檢測與示波器驗(yàn)證圖

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)的電子技術(shù)口袋實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對信號(hào)的采集、恢復(fù)與顯示,并且能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī),可進(jìn)行數(shù)據(jù)波形和參數(shù)的顯示。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有體積小、便攜性、低功耗的特點(diǎn),可作為實(shí)驗(yàn)室大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的有益補(bǔ)充,進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。