應(yīng)柏青，趙彥珍，沈　瑤

(西安交通大學(xué)　電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，西安　710049)

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電路開放實(shí)驗(yàn)
——數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路的實(shí)現(xiàn)

應(yīng)柏青，趙彥珍，沈瑤

(西安交通大學(xué)電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，西安710049)

該文基于NI myDAQ教學(xué)平臺(tái)的數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路，介紹了在本科一年級(jí)電路課程中開設(shè)開放實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐過程。并就此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了詳細(xì)的論述，提出在技術(shù)基礎(chǔ)課程階段開設(shè)開放實(shí)驗(yàn)的做法是可行的，也是實(shí)驗(yàn)改革需堅(jiān)持的一個(gè)方向。

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

從事電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)多年來，由于其課程開設(shè)在大學(xué)一年級(jí)，學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備量有限，大多數(shù)高校沒有針對(duì)該階段的學(xué)生開設(shè)開放實(shí)驗(yàn)，一般到了大學(xué)二三年級(jí)，才有開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供學(xué)生選做。為配合國家級(jí)電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心建設(shè)的需要，也為了盡早培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)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(xué)電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心在電氣工程學(xué)院本科一年級(jí)學(xué)生中開展了電路開放實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，活動(dòng)得到了學(xué)生的積極響應(yīng)。本文以數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路的實(shí)現(xiàn)為例，介紹開放實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方法。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼網(wǎng)絡(luò)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(yīng)模擬量的器件。D/A轉(zhuǎn)換器基本上由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源和模擬開關(guān)4個(gè)部分組成。

本實(shí)驗(yàn)作為電路課程中含有運(yùn)算放大器的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用，要求學(xué)生查閱相關(guān)資料，自行設(shè)計(jì)由面包板、電阻、運(yùn)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(shí)驗(yàn)整體設(shè)想方案分為以下3個(gè)步驟。

1)硬件電路設(shè)計(jì)及仿真校驗(yàn)。

收集、查找資料設(shè)計(jì)完成4位數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路，并用Multisim軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行效驗(yàn)。

2)硬件搭建及調(diào)試。

在仿真校驗(yàn)正確的情況下，搭建硬件電路，調(diào)試取得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

3)實(shí)現(xiàn)解碼。

根據(jù)學(xué)生自身能力，本實(shí)驗(yàn)有以下2種解碼方案。

方案一，自編程序?qū)y(cè)量結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)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(xué)平臺(tái)采集進(jìn)計(jì)算機(jī)，用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)解碼。

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)例

數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路有多種設(shè)計(jì)方案，以下為本文完成的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。

1)電路原理。

由電阻、電源及運(yùn)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(jìn)制位。由此，可以將一個(gè)二進(jìn)制的4位電壓信號(hào)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(hào)還原為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)展現(xiàn)解碼結(jié)果。

在US=6.4V時(shí)，理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1　理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，在LabVIEW 環(huán)境下設(shè)計(jì)算法，將計(jì)算機(jī)采集的模擬信號(hào)還原為初始設(shè)置的數(shù)字信號(hào)，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(shè)置。

① 直流6.4 V電源信號(hào)產(chǎn)生。

數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路上的直流6.4 V電源信號(hào)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(hào)的采集。

數(shù)模轉(zhuǎn)換解碼電路上模擬輸出信號(hào)由NI myDAQ模擬輸入AI-0+接口采集送入計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)。

①程序前面板設(shè)計(jì)。

打開程序前面板，使之成為當(dāng)前活動(dòng)窗口，在其活動(dòng)窗口中，右鍵打開控件選板。

★ 添加兩個(gè)“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(jìn)制整數(shù)”：控件選板→新式→數(shù)值→數(shù)值顯示控件。

★ 添加一個(gè)“布爾量”數(shù)組控件用于顯示“解碼后的二進(jìn)制數(shù)”：控件選板→新式→數(shù)組，拖動(dòng)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(dòng)圓形指示燈放置在數(shù)組控件上。

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

設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。

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

★添加一個(gè)“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(biāo)在程序框圖中拖動(dòng)，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(hào)→模擬輸入→電壓→myDAQ1→aI0→完成。從aI0接口采集模擬電壓信號(hào)。

★添加“DAQ助手3”：函數(shù)選板→Express→輸出→選中DAQ助手→生成信號(hào)→模擬輸出→電壓→myDAQ1→aO0→完成。對(duì)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(hào)。

★添加“公式節(jié)點(diǎn)”：函數(shù)選板→編程→結(jié)構(gòu)→公式節(jié)點(diǎn)。在公式節(jié)點(diǎn)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(gè)分支，執(zhí)行分支的條件設(shè)置為數(shù)字0～15。

★在每一個(gè)條件結(jié)構(gòu)的分支中添加一個(gè)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(shè)置布爾型數(shù)組常數(shù)的值與分支條件相對(duì)應(yīng)。如分支條件為10，則布爾型數(shù)組常數(shù)設(shè)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(hào)→數(shù)字輸出→線輸出→myDAQ1→同時(shí)選中porto/line0～porto/line3共4個(gè)myDAQ數(shù)字接口→完成→確定。

★添加一個(gè)“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(wù)。

圖3　LabVIEW程序框圖

3　結(jié)束語

當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才的需求更加注重綜合能力和創(chuàng)新能力。電路實(shí)驗(yàn)也應(yīng)由教師占主導(dǎo)地位的灌輸式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较蛞詫W(xué)生為主導(dǎo)的自主實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ睫D(zhuǎn)變。

開放實(shí)驗(yàn)作為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的一種補(bǔ)充給學(xué)有余力的學(xué)生提供了一次實(shí)踐機(jī)會(huì)。結(jié)合大學(xué)一年級(jí)本科學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)開展開放實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐活動(dòng)對(duì)提升學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力的作用不可忽視。在一年級(jí)基礎(chǔ)課階段開設(shè)開放實(shí)驗(yàn)是技術(shù)基礎(chǔ)課程改革實(shí)驗(yàn)需堅(jiān)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(yīng)柏青(1964-)，女，高級(jí)工程師，主要從事技術(shù)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

TN701

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.003