（电路与系统专业论文）虚拟环境下的电子实验.pdf

生塑墅塑! 竺塑量壅墼 一 中文摘要 f 随着电子科学技术的迅猛发展，在电子信息的科学研究和新产品 的开发过程中，实验研究技术和手段日新月异。然而，我国电子信息 类专业教学却日益显得教学内容陈旧，特别是缺乏现代综合设计的实 验条件，严重地影响了学生工程实践能力的培养和创新能力的发挥。 网络虚拟实验具有丰富的辅助功能，实验者对实验的高度自主性；并 且是一个开放的实验平台，具有良好的灵活性。目前的现实条件下， 建立虚拟电子实验环境，是一项经济高效、切合实际的选择一 本文主要从四个方面详细论述了网络化虚拟电子实验的开发、研 究和应用：硬件电路板的制作、整个通用硬件平台的介绍、虚拟电子 实验应用环境的开发、网络化虚拟电子实验的实现。 在硬件电路板的制作中，主要论述了电路板的创意及特色、抗干 扰设计；整个通用硬件平台的介绍主要阐述了信号源( d d s ) 、数据采 集电路的实现和功能；在虚拟电子实验应用环境的开发中着重论述了 如何使用l a b w i n d o w s c v i 、开发的实验环境的特点、和实验结果以及 系统编程方法、流程图等；在网络化虚拟电子实验的实现中重点阐述 了基于l a b w i n d o w s c v i 开发平台的此网络化实验的结构和特点；同 时详细讲述了关键的编程细节以及技巧等，并配有相关的程序流程图 加以详细说明。 讳实验系统既能调动学生学习的主动性和积极性，又能培养学生 的创新能力，具有很高的实用价值。j 关键词： 、 虚拟电子实验；l a b w i n d o w s c v l ，s e r v e r c l l e n t 皇三型垫奎堂堡圭丝壅 一 a b s t r a o t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，t h et e c h n o l o g y a n d m e a r t so fe x p er i m e n ts t u d yisc h a n g i n gw i t he a c hp a s s i n gd a yi n t i r ec 0 1 1 ls eo f r e s e a r c h i n ge l e c t l o n i ci n f o l 。m a t i o na n de x p l o r i n gn e wp r o d a c t b u tt h ee x p e r i m e n t t e a c h i n g ist o o0 1 3 to fs e a s o ni om a k eb a di n f l u e n c eo nt r a i n i n g t h es t u d e n t s e n g i n e er i n g o ii e n t e da n di n n o v a t o r yc a p a c i t y t i l e v ir t u a le x p e li m e n to nn e th a sa g o o da ss i s t a n tf u n c t i o na n di t isa l lo p e n i n go p e r a t i n gp l a tw i t hg o o df l e x i b i l i l y ，s o u s e rh a s g o o d s e l f - d e t e r m i n a t i o nu n d e lt i l er e a l i s mc o n d i t i o n ，t o s e t u p a n e n v i l o n m e n to fv i i t u a le l e e r , o n i ce x p e r i m e n ti sae c o n o n l i c ，ag o o db e n e f i ta n da a c t i v es e l e c t i o a t h i sp a p erd i s c u s s e st i r e d e v e l o p m e n t ，r e s e a l c ha n da p p l i c a t i o no ft h ev i z t u a l e l e c l r o n i ce x p e r i m e n to nn e tf r o mf o u ra s p e c t s ，i n c l u d i n gt h ep c bo f t h eh a r d w a r e ， t h e d e v e l o p o ft i l e a p p l t e d c o n d i t i o n0 ft i l ev i r t u a le l e c t r o n i c e x p e l i 1 1 1 e n t ，t i l e r e a l i z a t i o no ft h ev i l t u a e l e c t r o n i c e x p e r i m c n t a n dt h e g u i d a n c e o fe a c h e x p e r i m e n to ft h ise x p e r i m e n ts y s t e m i nt h ea c t i o no ft i l e h a r d w a r e ，i t d is c u s s e s m a i n l y t h e o l i g i n a l i t y a n dt h e f e a t u r eo ft i r eh a r d w a r ea n dt i l e a n t i j a m m i n g i nt h ea c t i o no ft h e a p p l i c a t i o n e n v ir o n m e n to ft h ev ir t u a le l e c t l o n i ce x p e l i m e n t ，d i s c u s s e sm a i n l yh o wt ou s et h e l a b w i n d o w s c v ls o f t w a r ea n dd i s c us s e st hec h a r a c t e r i s t i co ft h e d e v e l o p i n g e n v i l o n m e n t ，t h er e s u i to ft h ee x p e l i m e n t ，t h ep r o g r a m m i n gw a ya n dt i l ef o l i o w i n g c h a l t0 f s y s l e i n 1 n t i l es e c t i o no ft h e1 e a 】i z a t j o no ft h e v i r t u a le l e c t t o n i c e x p e r i m e n to nn e t ，i td i s c u s s e sm a i n l yt h es t r u c t l 2 r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e e x p e li m e n to nn e tb a s e do nt i l ed e v e l o p i n gp l a to fl a bw i n d o w s c v lm e a n w h i l e i n t t + o d u c ct h ek e yp r o g r a ma n dt h es k i ja t l e n g t h ，a n dh a dg i v e nt i l e r e a l i v et h e f o l i o w i n gc h a l l k e y w o r d s ： v i i t u a le l e c t r o n i ce x p e r i m e n t ，l a b w i n d o w s c v l ，c l i e n t ，s e r v e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：奎i 二硷 日期：踢牟f 月d 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：垄生硷导师签名：童丞乏 日期：w n z 年6 月7 日 j r 一 宣丝堑生工塑皇王兰堕 第一章绪言 本课题来源于世行贷款2 l 世纪初高等教育教学改革项目：虚拟电 子技术实验教学环境建设与实验教学方式改革的研究与实践。 1 1 测试系统 众所周知，数字化、智能化和网络化是当今仪器仪表与自动化测试 系统的三大发展趋势，并将彻底改变传统仪器仪表与自动化测试系统 的概念。 1 1 1 虚拟仪器的发展 电子测量仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、分离元件 仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。 ( 1 ) 第一代模拟仪器 这类仪器在某些实验使人能看见，是以电磁感应基本定律为基础 的指针式仪器，如指针式万用表、指针式电压表、指针式电流表等， 这类指针是仪器借助指针来显示最终结果。 ( 2 ) 第二代分立元件式仪器 当2 0 世纪5 0 年代出现电子管、6 0 年代出现晶体管时，便产生了 以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代测试仪器一一分立元件式 仪表。 ( 3 ) 第三代数字化仪器 2 0 世纪7 0 年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯片为 基础的第三代仪器一一数字式仪器。这类仪器目前相当普及，如数字 电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号 测量，并以数字式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测 量。 ( 4 ) 第四代智能仪器 随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以微处理器为核心的 第四代仪器一一智能式仪表迅速普及。这类仪器内置微处理器，既能 自动测试，又具有一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动，习惯 上称为智能仪器。其缺点是它的功能块全部是以硬件( 或固化的软件) 皇王型垫查兰堡主丝苎 的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及 其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、测试方法、测试 领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的 概念，一种全新的仪器结构概念导致了新一代仪器一一虚拟仪器的出 现。 1 1 2 虚拟仪器的特点 在传统概念的测量中，所采用的仪器大多是实物，他们自成体系， 具有刻度盘、开关等固定的用户界面特征；传统的仪器设备不能与计 算机直接接口，因而配合数据采集与数据处理十分困难；传统仪器体 积庞大，多种数据测量时常常感到捉襟见肘，手足无措。如常常见到 硬件工程师的工作台上，堆满了纷乱的仪器，交错的电缆和繁多的待 测器件，显然传统仪器已经不能满足现代测试的要求。 现在，在集成的虚拟测量环境中，见到的是整洁的桌面，有序的操 作，不但使测量人员从繁杂的仪器当中解放出来，而且还可以实现数 据的自动测量、自动记录、自动处理。 虚拟仪器与传统仪器相比，有以下几个特点： ( 1 ) 传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操 作元件。由此导致许多认读与操作错误。虚拟仪器与之则不同，它可 以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个 分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简洁化，从而提 高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操 作元件的种类与形式不受标准件和加工工艺的限制，而由编程来实现， 设计者可以根据用户的认知要求和操作要求设计仪器面板。 ( 2 ) 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完 成仪器的功能。 ( 3 ) 仪器的功能是用户根据需要有软件来定义的，而不是事先由 厂家定义好的。 ( 4 ) 仪器性能的改进和功能扩展只需相关软件设计更新，而不需 要购买新的仪器。 ( 5 ) 研制周期较传统仪器大为缩短。 ( 6 ) 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它 宣型堑堡! 塑皇王茎墼 周边设备互联。 虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最 新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工 业生产，将产生不可估量的影响。 1 1 3 网络化 网络化则是虚拟仪器发展的一个新的阶段。计算机硬件和软件的渗 入给传统测试技术带来了新的革命，在计算机、微电子、传感器、通 信和网络等技术不断进步的有利支撑和多领域科研需求的激励下，测 试技术明显地表现出与高新技术深度融合，尤其是网络技术开始应用 到测试技术中，成为测试技术满足实际需求的关键支撑，因此网络化 必然是测试系统发展的大势所趋。而目前以网络为基础的测试系统已 经逐渐成熟，应用到工业生产实践中，取得了巨大的效益。网络化虚 拟仪器将传统仪器和单台计算机实现的三大功能：数据获取、数据分 析及图形化显示分开处理，分别使用独立基本的硬件模块实现传统仪 器的三大功能，以网线相连接，这不是简单的组合，测试网络的功能 将远远大于系统中单个独立个体的功能总和。随着网络化时代的到来 和信息化要求的不断提高，特别是i n t e r n e t 的不断普及，将计算机网络 技术和虚拟仪器技术相结合就有了必要性和可能性，测试技术网络化、 网络就是仪器成为大势所趋，而综合着测试技术的、以及适应现代远 程教育的、以计算机网络系统为载体的网络化虚拟实验成为时代的产 物也就应运而生。而其核心就是虚拟电子技术，即以计算机系统为核 心，利用软件提供的虚拟设备完成电子、电路实验的设计和结果分析 的分机处理。 1 2 虚拟网络实验的意义 传统的实验教学大多是结合课程开实验，实验教学分散在各门课程 中，处于从属地位，实验内容大多是验证性的，孤立而不连贯，实验 方式也大多是让学生按制定的步骤去做，学生很少有发挥主动能动性 的余地。实验仪器设备陈旧，规模小而不配套，每组实验的学生人数 多，动手机会少，有相当一部分的学生对实验不感兴趣。学生得不到 动手能力的培养，更谈不上创新能力的培养，并且仪器的品种、档次 均受到限制，难于增加实验内容及提高实验水平。 皇王型垫奎堂堡圭笙苎 同时我国电子信息类专业教学日益显得教学内容陈旧，教学模式 过时，培养学生创新能力的实验条件严重缺乏，特别是缺乏现代综合 设计的实验条件，严重地影响了学生工程实践能力的培养和创新能力 的发挥。 知识经济时代要求实验教学具有国际水平的现代电子技术实验环 境。优化实验教学手段，搭建一个具有综合性、阶段性、创造性、开 放性、先进的实验平台，是一项经济高效、切合实际的选挥，有着十 分重要的意义。 无疑虚拟网络实验平台就是现代电子技术实验教学最佳选择。在 虚拟实验环境下，学生自己随心所欲设计实验仪器、实验内容和组建 实验系统，充分发挥自己的想象力、创造力。虚拟的实验打破了传统 的实验模式，不仅丰富了实验内容，而且便于维护和升级换代，节约 了实验投资。同时，利于开展远程教学。 优秀的通用虚拟网络实验平台应该具有以下功能： 1 生成测试方案。实验平台应能提供友好的人机交互界面，方便 用户手工或根据用户提供的参数自动生成相应的网络实验方案。 2 扩展测试功能。用户能方便地嵌入实验模块到实验平台中，取 代过时的模块或增加新的功能。 3 提供网络接口。为了提供网络实验环境，虚拟网络实验平台应 能无缝地将实验内容入网络中。 4 可视化。从实验方案的生成、网络模型的运行、以及到实验数 据分析全过程均在可视化实验平台上进行。 虚拟环境下的电子实验与传统电子实验一样，应按照教学计划中 的实验教学大纲进行。但虚拟实验框架是灵活的，具有良好的交互性 和自主性。实验者按照实验教学大纲的要求，根据自己的需要和兴趣 从虚拟实验模型中选择实验，对实验仪器仪表常规实验方法与步骤进 行自助学习、自主练习，实验者具有高度自主性。而且，网络实验具 有极好的开放性。网上虚拟实验是储存了大量的实验模式、虚拟实验 环境，实验者可根据自己的需要自由地选择使用。 1 3 本课题设计的内容 本课题设计一个良好的、实用的、针对高等学校电子专业的虚拟 生型墅塑! 塑皇王壅堕一 实验环境，具有以下特色和功能。 采用虚实并举的办法，用硬件系统和软件系统两部分共同组成实 验平台。硬件系统包括具有运行图形化编程软件的能力配置的个人计 算机；通过标准总线与计算机进行通信的通用硬件平台；系列化的实 验模板，按功用划分的各种实验电路板插在通用硬件平台上。在实验 过程中，使用者对实验电路板实施信号激励和观测实验结果，如同真 实电子实验环境一样。 软件系统包括运行在w i n d o w s 环境下的虚拟仪器开发平台，虚拟 仪器库( 有任意波形信号发生源、示波器、数字多用表、电子技术器、 频谱分析仪、逻辑分析仪、集成电路测试仪、元器件参数测试仪等多 种虚拟仪器) ；元器件库( 上千种元器件数据图、特性即上百种产品电 路即源程序) ；实验数据分析处理的工具软件库和支持学生写实验报告 的工具软件。配比芯片级、电路板级、系统级的设计工具和模拟软件。 学生通过在本地或异地操作个人计算机，完成确定实验内容和实 验方案，建立实验电路和设置电路参数，确定实验电路的激励信号源 和相应的测试点，选用相应的虚拟仪器和通过仪器面板设置工作状态 与工作参数，启动实验过程和采集实验数据、波形，进行实验数据的 分析及书写实验报告等全过程。 概括的说，此项目实施主要包括两个方面： 1 虚拟电子实验平台由通用硬件平台、系列化的实验电路板，p c 机及外围设备( 打印机等) 组成，其核心部分是通用硬件平台和虚拟 软件平台两部分。实验电路板是根据实验内容设计和制作的。 2 远程教学互联网的建立( 如图l 一】所示) 在此项目中我承担了系列化电路板的设计及制作、实验环境的应 用软件开发和实验网络化软件开发等工作。论文将从以下四个方面进 行阐述： 1 ) 详细阐述系列化电路板的创意及其实现的电路实验。 2 ) 整个通用硬件平台的介绍。 3 ) 介绍本虚拟实验的本地应用环境软件。 4 ) 详细介绍实验网络化软件及其特色。 皇王型垫查堂堡主丝羔一 图1 1 远程实验教学示意图 6 壁塑堑塑! 塑皇王壅堕一 第二章硬件电路的设计 电子实验是学生实验教学中的一大类，模拟电子实验课件在电子 实验教学中十分重要。虚拟网络实验环境建设的质量好坏，与其实验 课件建设密切相关，本章重点阐述课件的硬件设计的思想、方案。 2 1 概述 为了设计个真正实用的电子课件，我们在硬件设计中主要考虑 以下方面： 一实验项目经典。根据电子专业的教学大纲，既重视基本技能、 基本测试方法，又要适应电子技术发展的需要，力图从认识的规律出 发，由浅入深，循序渐进，以利于提高学生的学习积极性，培养学生 分析问题和解决问题的能力，同时为了适应不同专业、不同层次学生 的教学需要，精选了共十一个较为典型的基础实验，包含了模拟电路、 电路分析等基础实验。分别为：单级放大电路、双级放大电路、负反 馈放大电路、射极跟随器、低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、 反相比例放大器、反相加法器、同相比例放大器、差分放大器。其电 路原理图见附录附图2 1 。 二实验智能化。通过软件给定控制信号控制模拟开关自动切换来 选取实验项目：同时，在每个实验中，既可以选取每个实验的工作参 数( 如静态工作点等) ，又可以自动选取测试点进行测试，实现实验程 控化。 三实验结果直观。在实验中，实验结果直接显示在计算机屏幕上， 十分直观。如正弦波的峰峰值，有效值、所测试的工作点电压等。 四实验效果明显。本次设计十分注重电路元件参数选取，确保实 验效果突出，学生很容易理解实验的所证明的原理。 五电路板简洁优化。综合考虑，将以上十一个实验归类，通过共 用元器件，减少了元件数目，简化了电路板。例如，运算放大部分， 只用了一个运算放大器实现了同相、反相、差分等多个实验。 本章中将以部分实验电路为例来说明本实验电路板的创意及内容 皇王型垫查堂堡主堡塞 分别进行说明。 2 2 电路的组成 电路设计原理框图如图2 2 所示。电路共用了八个模拟多路开关 c d 4 0 5 2 ，选择信号输入通道、选择测试点( 信号输出：含d c 、a c 模 拟信号) 、切换各个实验项目参数，以实现自动选取实验项目和自动测 试实验参数。 输入信号 ( 来自于信号 源) 输出信号 ( 送数据采集卡) 制信号 。 ( 来自于计算 己) 拟信号输入通道选择 出信号选择( d c a c ) 拟开关 验项目选择 关电路 验项目 实验内容 电路工作点 输入信号选择 输出测试点 图2 - 2 实验电路板原理框图 具体原理图见附录附图2 1 。其中用u 1 、u 2 、u 5 、u 6 的x 端输 出组合，以及u 7 的x 和y 输出来实现实验一：单级放大电路；实验 二：双级放大电路；实验三：负反馈放大电路；实验四：射极跟随器 堕塑至垫! 塑皇王茎墅一 等四个实验项目的切换和每个实验的实验内容的切换。用u 1 、u 2 、 u 5 、u 6 的y 端输出组合，以及u 4 、u 9 的x 端和y 端输出来实现实 验五：低通滤波器；实验六：高通滤波器：实验七：带通滤波器；实 验八：反相比例放大器；实验九：反相加法器；实验十：同相比例放 大器；实验十一：差分放大器等七个实验项目的切换和每个实验的实 验内容的切换。用u 8 来实现输出信号的切换。 2 3 模拟多路开关 电路共用了八个模拟多路开关c d 4 0 5 2 ，进行输入输出及各个实验 电路参数的切换。本课题采用模拟多路开关作为整个电路板能程控的 元器件基于以下理由。 开关器件可以是继电器，也可以是固体模拟开关。电磁继电器导 通电阻低，关断电阻大，可以流过较大电流，开关特性与温度无关： 其缺点是速度慢，使用寿命短，功耗大，体积大，触点吸合后容易产 生抖动，以及与输入逻辑电平不兼容等。固体继电器的优点是比电磁 式继电器可靠，输入可与标准的逻辑电平兼容，嗣振动，响应速度快， 接通时无触点的抖动问题；缺点是导通时两端的压降大，只适合功率 电路的控制。固体模拟开关使用传输门来接通或断开模拟信号的开关。 它具有功耗低、速度快、体积小、无机械触点以及使用寿命长等优点。 模拟多路开关具有信号衰减小、失真小的性能，优良的串扰和关断性 能，信噪比高；先断后合开关功能可以保证不会同时连接两个通道的 输入，因此避免了对输入信号源的潜在危害。这是从技术方面的考虑， 另外从经济的角度考虑，因为本系统用于实验教学，廉价的模拟开关 可以达到技术指标要求，所以综合两方面的因素，最后选定用c d 4 0 5 2 。 它使用两输入的数字信号来控制四个通道的模拟开关，可以开关 比控制信号逻辑振幅( v d d v s s ) 大的振幅为v d d v e e 的模拟信号。例 如：若设v d d = 5 v ，v s s = 0 v ，v e e = 5 v ，就能从5 v 单电源逻辑电路中，关开 一5 v + 5 v 间的信号。它能传输电压范围广的数字信号和模拟信号，其中 数字信号范围：3 2 0 v ，模拟信号范围：2 0 v p p ；导通电阻1 2 5q ( t y p ) ( v d d = 15 v ) 或者4 7 0q ( t y p ) ( v d d = 5 v ) ；关断电阻、通断漏电流 lo o p a ( t y p ) ( v d d v e e = 1 8 v ) ，f 1 1 a x 3 d b = 1 0 0 m h z ( t y p e ) 。 塑三型垫壁婴圭兰塞一 2 4 单级放大电路 单级放大电路是电子实验中十分基本实验内容。通过本实验的训 练，使学生熟悉常用虚拟电子仪器的使用方法，掌握放大器静态工作 点对放大器性能的影响；掌握测量、调试放大器静态工作点、放大倍 数、输入和输出电阻的方法；深入掌握单极放大电路的工作原理及学 习放大器的频率特性。 实验电路采用共发射极、分压式带直流负反馈的偏置电路。如图 图2 3 单极放大电路 2 ，3 所示。 工作点调节 理论上，调整三极管基极偏置电阻，改变静态工作点，可以观察 到静态工作点对电路的影响。在本实验电路中，设置了四个阻值不同 的电阻( r 3 = 3 k ，r 4 = 4 7 k ，r 5 = 6 8 k ，r 2 = l k ) ，通过模拟开关u 1 切换，使 电路分别工作在不同的静态工作点，在虚拟示波器( 见第四章软件部 分) 上观察到正常放大、截止失真、饱和失真。 在实验电路中设置了交流测试点a c o u t l 、a c o u l 2 以及直流测试点 d c o u t l 、d c o u t 2 、d c o u t 3 ，利用虚拟数字万用表( 见第四章软件部分) 读出电路失真和正常放大时静态工作点的值。 频率特性 频率特性的测试是模拟电子实验中非常重要的内容。学生在实验 中通过输入不同频率信号，观察放大电路的频率响应情况。放大器的 0 生型堕垄! 塑皇王壅翌 频率特性与放大器的上限频率和下限频率有关，其频带的上限频率由 三极管的结间电容决定，因本设计中采用9 0 1 4 ，其频带较宽，只有当 输入信号频率很高时才能观察到放大器的高频段频率特性曲线明显下 落，由于采集卡采样频率较低( 1 0 0 k h z ) 无法采集高频信号，所以为 了观察放大器的上限频率响应，在三极管的集单极和发射极之间并联 一个电容来虚拟三极管的结间电容；下限频率由c 1 ，c 3 ，c 7 共同决 定，若想拓展频带可以更换这几个电容，将其容量增大。为了使学生 明显地观察到放大器下限频率特性，课题设计中选择了较为适当的参 数( 如图2 3 所示) 。 通过虚拟信号发生器( 见第四章软件部分) 改变输入信号的频率， 通过虚拟仪器测试测试a c o u t l 、a c o u t 2 信号，计算放大器的放大倍数、 以及通过虚拟扫频仪( 见第四章软件部分) 显示出频率响应特性，观 察其频率响应。 负载与空载 电路通过模拟开关u 2 的切换，使得三极管的输出分别接上了不同 的负载( 空载，r 1 1 ，r 1 2 ) 可以观察到负载对放大器输出的影响。控制 信号来源于计算机。 输入电阻和输出电阻及放大倍数的测量。 在此实验电路中设置了交流测试点a c o u t 】( 测试放大器输入端的电 压v i ) 、a c o u t 2 ( 测试放大器的输出电压v o 或者v 1 ) 。 输入电阻r i = ( v i ( v s v i ) ) * r s 其中v s 、r s 是信号源的输出信号和信 号源的内阻即实验电路板上的r 3 8 。 输出电阻r o = ( ( v o v 1 ) v 1 ) * r i ，其中v 】、r 1 分别是放大器带载时的 输出电压和负载电阻。 放大器的放大倍数a v = v o v i 。 2 5 负反馈电路 本实验目的是使学生了解负反馈对放大器性能的影响。其实验电 路如图2 - 4 所示。电路由双级放大器和一个负反馈环节组成，其中第 一级为单级放大器( 实验一) ，上节已经介绍。第一级放大器与第二级 放大器组成了两级放大器用来完成双级放大实验( 实验二) ，由于其工 作原理与单级放大电路大致相同，这里不作说明。本节重点阐述反馈 皇王型垫查堂堡主丝l 一 图2 4 实验三负反馈放大电路图 环节的作用。而负反馈对放大电路的影响主要有几个方面： 提高放大倍数的稳定性 在放大电路中，当外界条件如环境温度、管子老化、电源波动以 及负载等发生变化时，即使输入信号一定，也会引起放大倍数的改变， 而引入负反馈便减弱这些变化对放大倍数的影响。本实验设置了两个 不同的负载电阻，可以让学生在界面上切换实验二( 开环时) 和实验 三( 闭环时) ，即可观察到开环和闭环时负载对放大器的影响。 减小非线性失真 当放大器第二级基极电阻接r 13 、开环时，学生观察到开环时电路 出现饱和失真，当模拟开关选通负反馈电阻时，第二级输出波形不失 真；同理，当放大器第二级基极电阻接r 1 4 、学生观察到开环时电路 出现饱和失真，当模拟开关选通负反馈电阻时，第二级输出波形不失 真。通过屏幕上的虚拟实验界面选择开环和闭环，同时选择不同的反 馈电阻改变反馈深度，观察不同的反馈深度对电路失真的改善作用。 扩展通频带 本实验通过电路中设置的测试点，学生在虚拟实验界面上切换实 验二( 开环时) 和实验三( 闭环时) 选择开环和闭环，分别测试放大 器的频率特性即可观察到负反馈的此特性。 减小放大倍数 本实验电路中设置的测试点，学生通过虚拟实验界面切换实验二 ( 开环时) 和实验三( 闭环时) 选择开环和闭环，分别测试放大器开 2 生型堑望工堕皇兰窒堕 一 环时和闭环时的输出波形，即可观察到负反馈的此特性。 2 6 低通滤波器 滤波器是通过有用频率信号、同时抑制无用信号的一种具有频率 选通性的电子装置。通过实验应该让学生了解低通滤波器的功能和幅 频特性。 图2 5 低通滤波器 基于此目的本实验电路( 如图2 5 所示) 采用的是一种产生正相 增益的常用二阶低通滤波器电路，它是使用元件数最少的一种正向增 益电路，具有输出阻抗低，放大能力比较高的优点。同时本实验主要 让学生观察低通滤波器的幅频特性，由于同阶数的切比雪夫滤波器的 幅频特性优于巴特沃斯滤波器( 前者的过渡带比较窄) ，再综合考虑采 集、现象观察等方面的因素，选用二阶切比雪夫形式。 设计参数时选定截止频率f c 为1 0 0 0 h z ，增益k 为2 6 ，通道波动 范围0 1 d b ，归一化系数b 为2 3 7 2 3 5 6 、c 为3 3 1 4 0 3 7 ，然后选定c l 、 c 2 ，其中c 1 - 1 0 f c ，c 2 【b 2 + 4 c ( k 一1 ) 】+ c 1 4 c ，接着通过以下各式来选 择电路电阻： r l = 2 ( b e 2 + b 2 + 4 c + ( k 一1 ) c 1 2 - 4 c c l c 2 “2 ) 4 c ) r 2 = 1 ( cc 】c 2r l c 。) r 3 = k ( r i + r 2 ) ( k 一1 1 r 4 = k ( r 1 + r 2 ) 另外设置了两个反馈电阻，使学生通过改变虚拟实验软面板上的反馈 电阻，可以得到通带内不同放大倍数的二阶低通有源滤波器，改变输 皇三型垫查兰塑主堡奎 入信号的频率可以在虚拟实验面板上观察到不同放大倍数下滤波器输 出信号以及它的幅频特性，检验滤波器的滤波性能。 所有的实验以及每个实验的实验内容都通过各个模拟开关的控制 值不同来切换( 见附表2 5 ) ，附表2 - 5 给出了各个实验项目和相应的 实验内容对应的控制信号。 2 7 电路设计中的抗干扰设计 抗干扰设计对电路设计来说是非常重要的。设计上只考虑原理的 正确性，而忽略线路的抗干扰能力，工作无法达到理想的要求 电路的能量来源于电源，电源给电路提供能量的同时，噪声也通 过电源进入电路，因而，电路受到干扰。由于电路分为模拟和数字电 路，在模拟电路中往往含有放大电路，当电源的干扰串入放大器的前 级放大器，使得前级放大器的输出受到干扰，其输出又经后级放大器 放大，这样干扰信号将累积。 电源干扰还有电源本身带来的干扰，例如电源电路产生的纹波， 自击振荡，开关电源所产生的尖峰脉冲噪声等，都对电子电路造成严 重的干扰。 本次实验电路板设计中，采用了模拟开关，因此需要电源去耦， 有效地减少电源本身的干扰。 印制电路板布板、布线的设计和制作对抗扰十分重要，印制线条 一般长而细，阻抗高，当电源线上有冲击电流流过时，线条上的压降 较大，在低电压供电的系统中影响尤其明显。由于本次设计用到很多 控制信号，布线时尽量使控制信号线最短，避免产生误动作。 生型堡塑! 塑皇王茎墼一 第三章信号源和数据采集电路 本章简单分析信号源电路和数据采集电路的功能要求和工作原 理。 3 1 概述 图3 1 是系统整体框图示意图。系统中实验课件是一个程控的实验 电路板，已经在第二章中阐述过。信号源是程控信号源( d d s ) ，接受 图3 一】系统工作原理框图 计算机控制，用来产生方波、正弦波、三角波，且频率、幅值均可调 整的各种信号。数据采集电路主要完成将实验课件输出的模拟信号数 字化，以便计算机实现信号处理。电源模块分别给信号源、数据采集 模块、实验电路板提供+ 12 v 、一1 2 v 、+ 5 v 、5 v 等电源。下面分别对实 验课件与通用硬件平台接口信号、信号源和数据采集模块进行说明。 3 2 实验电路板与通用硬件平台接口信号 实验课件与通用硬件平台交换信息主要有：模拟信号、控制数据 信息( 1 6 路，c 1 c 16 ) 、模拟信号( 包含2 路交流模拟输入信号i n l ， i n 2 和8 路直流模拟输出信号d c o u t l d c o u t 8 ) 。模拟信号由信号源模 块产生，控制信号由计算机e p p 接口发送的控制量经通用硬件平台接 口电路解读译码产生。这里特别注意，实验电路板上需要的电源全部 由通用硬件平台提供，板上只对电源去耦。实验课件与通用硬件平台 皇三型堇查堂堕主丝墨一 接口采用a t 6 2 的接插件连接，各个信号线在图中进行了标记。其中没 有标号的端子作为预留，留待将来扩展。接口电路如图3 2 所示。 妒 象i 釜l 忌i 肇i 岛i & f 盆1 8 i 舌l l 吞营璺垦裔墨蛩吾璺营蚕蚕詈蓍富羞基蚤富蓍看鸯昌蓦高吕罱鬲昌譬昌 c o na t 6 2 爱量量骂量誊鼋吾垦冒曩曼耋蓦毫善善羞呈窖i 誊叠罨妄善翟罨雹翟； 挫川。他f 譬l 乱- 5 嗵 图3 - 2 实验电路板与通用硬件平台接口信号图 3 3 程控信号源( d o s ) 的电路 信号源是本课题的重要组成部件，由于本次课题是虚拟电子网络 实验，针对的是高等学校学生，因此课题对信号源有三个要求：( 1 ) 方 波、正弦波、三角波等波形输出，( 2 ) 频率范围程控调整( 1 0 h z 1 0 k h z ) ， 频率步幅也可程控调整，最小步幅为1 h z ，( 3 ) 幅值大小可程控调整 ( 4 v ，4 v ) ，幅值步幅也可程控调整，最小步幅为1 1 1 1 v 。 信号源电路框图如图3 3 所示。 图3 3 信号源产生电路原理框 计算机通过e p p 接口与外部的计数器r a m 进行数据交换。其中 计数器实现频率大小，r a m 中存放一个周期的信号样点数( 样点数为 l r l ) 的数字值。通过计数器分频，得到一个周期为t 的脉冲，此脉冲用 作控制从内存中取数进行d a 转换的时间间隔，从而达到控制、调整 信号源的频率。信号源的频率： f = 1 ( 1 1 1 t ) 盆口i l 【tl 9 白 m丁i 虚拟环境下的电子实验 d a 转换器的参考电压v 。f ，是一个标准电压源，信号源的幅值v ( t ) 由v 。f ，r a m 中的样点数字值d a t a ( i ) 、d a 的有效位数n 共同 决定。 v ( t ) = v e f * d a t a ( i ) 2 “ 为了输出高质量的信号波形，电路中设计了滤波级，信号经过滤 波后输出给实验课件电路板。 由于实验课件板要求两路模拟信号输入，所以要求信号源能够提 供两路模拟信号源。产生两路模拟信号的方法很多，如采用两路上述 电路，或者，通过信号分配器产生。后者比前者电路简单，成本低， 但是不能产生频率不同的多路信号。本课题虽然要求两路信号源，但 不要求同时提供频率不同的多路信号源，所以采用后一种方式实现多 路信号产生电路。 3 4 采集电路 数据采集电路的主要功能是完成多路信号采集和存储。即将实验 课件输出的两路模拟交流信号、8 路直流信号离散，经a d 转换器转 换为数字信号，送入计算机进行处理，以便通过虚拟仪器显示。 电路要求采样频率达到1 m h z ，采集精度为1 m v 。 数据采集电路如图3 - 4 所示。 c 多路 转换 数器分频产生 集控制时钟 a d 转 换 2 4 5 翠选、垒塑掣读、片选、 由兰型堡兰 图3 4 数据采集电路原理框图示意图 输入的模拟信号首先经过多路选择器选出其中一路，送a d 转换 器转换。a d 转化器的位数选择12 位数，选择理由见3 4 节误差分 皇王型垡茎芏堡圭堡壅一 析。采集时钟控制电路为a d 转换器提供工作时钟。采集b , t 钟控制电 路由计数器组成，它的控制信号来源于计算机，当虚拟仪器上给定采 集频率时就给采集时钟电路中的计数器设置了采集频率初值( 见第四 章软件部分) ，计数器产生周期为采集频率的时钟。a d 转换器输出的 数据经过缓冲器送入内存中存储，计算机从r a m 中读取数据。r a m 的地址由计数器产生。 在实际设计时，我们利用计算机中的内存存储数据，采集时钟控 制电路也由计算机替代，这样可以简化电路，节约成本，同时也不影 响虚拟网络实验运行效果。 3 5 误差分析 数据采集系统的主要技术指标是噪声或信噪比。它由a d c 的动态 特性决定的。a d c 的动态特性是指输入为正弦交变信号的性能技术指 标。在理想情况下它是由量化引起的等效量化噪声。而实际a d c 的动 态特性指标则是由a d c 的非线性等因素所产生的失真、噪声、频响误 差等。这里主要讨论量化误差。 理想a d c 采用均匀量化，其转换交流信号的误差仅仅是量化误差。 理想a d c 产生的最大量化误差是1 2 v q ( 量化电压) 。当a d c 的满 量程范围为( 。1 v ，+ 1 v ) 时，n 位a d c 的量化电压v q 等于： v q = 2 v 2 “ 当采用输入满量程为1 v 的8 位a d c 。其量化电压为：v q = l 2 8 4 m v其量化噪声约为2 m y 。 本系统采用输入满量程为1 v 的12 位a d c 。其量化电压为：v q = 1 2 “o 2 5 m y其量化噪声约为土0 1 2 5 m y 。 在个包含a d c 的数字采集系统中，当输入噪声电平较低时，可 以看作是理想情况，此时系统嗓声主要是量化噪声。 由于以上电路没有同期完成，实际调试过程中本实验电路板的信 号源使用外接信号源，信号采集用美国n i 公司的插入式数据采集卡 p c i 一12 0 0 。p c i 1 2 0 0 卡是用于p c i 总线计算机的高性能、多功能的模 拟、数字和定时模板。它包含8 个单端输入或4 个差分输入；1 个l 2 位的逐次逼近式a d c ；两个】2 位d a c ；2 4 条与t t l 兼容的数字i 0 ； 3 个与i o 定时的16 位计数定时器。p c i 】2 0 0 的每一个通道都带有一 壁垫至塑! 塑! 堡墨堕一 片1 24 , 2 的逐次逼近式a d c ，允许的输入范围是0 - 1 0 v ，或者_ 5 v 5 ”， 最大的数据采集率是1 0 0 k h z 。本实验电路板将主要用到它的8 个模拟 输入通道、16 条数字i o 等。 皂! 型垫奎堂堡主丝苎 第四章本地实验应用环境软件的设计与编程 如前所述，本项目所设计的虚拟实验环境包括系列化实验电路板、 通用硬件平台、实验环境的应用软件等。本实验应用环境软件( 也即 为本地虚拟实验环境) 的开发是基于n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 的开 发平台。 虚拟实验室的灵魂即为虚拟仪器。虚拟仪器可以在相同的硬件平 台下，通过不同的软件实现功能完全不同的各种仪器，即软件是虚拟 仪器的核心，因此可以说“软件就是仪器”。虚拟仪器的设计必须要根 据仪器的三大功能，解决好人机接口( 即用户接口) 和机机接口( 即 计算机与仪器模块接口) 。因此虚拟仪器软件有三个主要功能，即提供 一个集成的开发环境、一个与仪器硬件的高级标准接口和一个与用户 图形的接口。v i 的标准软件有两大类：编程设计的软件，如n i 公司 的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i ；仪器驱动程序与用户接口开发工具软 件，主要软件模块有数据采集、数据分析、数据显示、文件管理、硬 件拷贝输出等。 常用的虚拟仪器开发环境有n i 公司的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v l 和h p 公司的v e e 以及v b 、v c + + 、d e l p h i 等。而n i 公司的l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c v i 主要适用于测试技术、控制技术、虚拟仪器技术以及 信号分析处理和故障诊断技术，是相关领域的技术人员首选的软件开 发工具。其中l a b v i e w 是完全图形化的开发工具，具有使用方便、易 于学习的特点，但是缺乏开发灵活性；l a b w i n d o w s c v i 则是半图形化 的开发工具，它以标准c 语言为基础，提供了灵活的开发手段和强大 的开发功能。因此本实验应用环境软件的开发选择了n i 公司的 l a b w i n d o w s c v i 的开发平台。 4 1 l a b w ；n d o w s c