沈 雪，楊鼎成

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院,江西 南昌 330031)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是為了讓學(xué)生對(duì)理論原理知識(shí)進(jìn)行鞏固和吸收[1]。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)在于借助新的設(shè)備和技術(shù)改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[2-4]。以電子類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程為例，目前許多學(xué)校的課程實(shí)驗(yàn)主要基于實(shí)驗(yàn)箱以及昂貴笨重的實(shí)驗(yàn)儀器來完成，學(xué)生需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)，很難針對(duì)錯(cuò)誤設(shè)計(jì)或者設(shè)備故障對(duì)結(jié)果的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。在傳統(tǒng)的電子類專業(yè)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場地、時(shí)間等諸多因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)量和質(zhì)量都有一定的制約。傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)缺乏靈活性，學(xué)生根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)利用實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證結(jié)果，缺乏主觀的思考，難以鍛煉扎實(shí)的工程實(shí)踐能力。學(xué)校對(duì)昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行定期地檢修更新，承擔(dān)著很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[5]。

基于移動(dòng)套件和虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)安全性高、投入成本低、不受時(shí)間地點(diǎn)的約束，只需要一套移動(dòng)套件和PC機(jī)，學(xué)生便可以在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，在任何時(shí)間地點(diǎn)自主高效地設(shè)計(jì)和調(diào)試電路，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的分析和改進(jìn)也非常方便，有利于加深對(duì)理論原理的理解[6]。這種實(shí)驗(yàn)方式有效地避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的約束，通過在電子類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。

1 Analog Discovery 平臺(tái)介紹

Analog Discovery是Digilent公司最新推出的一款模擬電路設(shè)計(jì)套件，這款套件是由Digilent公司和Analog Device公司聯(lián)合開發(fā)的，旨在通過該套件建立一種新的實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中部分代替專用的昂貴儀器，并設(shè)計(jì)了配套的模擬配件工具包和多種教學(xué)資料、參考設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)工程等，能夠?qū)σ恍┖诵牡墓こ探逃n程進(jìn)行有力的支持。

Analog Discovery可以配置為多種實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，包括示波器、信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀等，生成實(shí)時(shí)波形曲線、復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)，并且有10種測量信號(hào)提供給示波器通道，數(shù)據(jù)和圖片都可以被導(dǎo)入或?qū)С?，支持多種數(shù)據(jù)格式，非常適合用來搭建實(shí)驗(yàn)室。用戶可以通過數(shù)據(jù)線將儀器連接至PC的USB接口，利用Waveforms 軟件配置實(shí)驗(yàn)設(shè)備并顯示測量信號(hào)。在Analog Discovery 套件實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，系統(tǒng)的理論、設(shè)計(jì)、原型到實(shí)現(xiàn)的開發(fā)流程如圖1所示[5]。

圖1 從理論、設(shè)計(jì)、原型到實(shí)現(xiàn)的開發(fā)流程

2 多功能有源濾波器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的多功能有源濾波器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括Multisim仿真、Analog Discovery平臺(tái)電路搭建和Waveforms軟件處理三部分。整個(gè)系統(tǒng)的流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

學(xué)生可以在Multisim環(huán)境下對(duì)設(shè)計(jì)好的電路進(jìn)行仿真、修改以及結(jié)果對(duì)比[7]。仿真結(jié)果符合理論預(yù)期后在Analog Discovery平臺(tái)搭建電路原型，借助Analog Discovery的函數(shù)發(fā)生器功能為多功能有源濾波器提供輸入信號(hào)，利用Analog Discovery的邏輯分析儀功能，學(xué)生可以方便地測試電路原型，在PC機(jī)上顯示，實(shí)現(xiàn)多功能有源濾波器輸入和輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示、處理及存儲(chǔ)。

2.1 Multisim電路設(shè)計(jì)與仿真

按照以上電阻和電容值的確定原則，對(duì)相關(guān)元器件參數(shù)進(jìn)行取值：R1=R2=R3=R4=R6=R7=10 kΩ，R5=8.9 kΩ；電容C1=C2=0.01 μF；N1～N3為集成運(yùn)放TL084CN。多功能有源濾波器在Multisim環(huán)境下的仿真圖如圖3所示。

圖3 多功能有源濾波器電路設(shè)計(jì)

對(duì)Simulate選項(xiàng)下的Analyses菜單進(jìn)行分析設(shè)置，選擇AC Analyses進(jìn)行交流分析，得到頻率特性曲線如圖4所示。將電路進(jìn)行仿真與測試，連接至波特圖儀，得到仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 濾波后頻率特性仿真圖

(a)高通

(b)低通

(c)帶通

圖5 幅頻特性仿真圖

應(yīng)用Multisim的Parameter Sweep Analyses 掃描分析濾波電路中的電阻值，應(yīng)用AC頻率分析改變參數(shù)對(duì)電路性能的影響，也就是多次取不同的參數(shù)，并分析電路的頻率特性，從而快速檢測電路性能[10]。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行修改，并觀察結(jié)果，從而更好地理解電路各個(gè)部分的原理及具體功能。

2.2 Analog Discovery 平臺(tái)硬件電路搭建

仿真結(jié)束后進(jìn)入硬件電路的搭建部分，在Analog Discovery套件上搭建電路原型[11]。根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路在面包板上連接各個(gè)電子元器件，留好電源以及信號(hào)輸入輸出端的引線。

圖6 Analog Discovery

同一般的虛擬儀器，Analog Discovery 也采用了USB接口，并配有排針，用于通過杜邦線連接實(shí)驗(yàn)電路或者待測設(shè)備，如圖6所示，從左至右分別是示波器輸入、電源輸出、信號(hào)發(fā)生器、觸發(fā)輸入輸出和數(shù)字輸入輸出。本實(shí)驗(yàn)利用信號(hào)發(fā)生器接口為電路提供模擬信號(hào)，電路中運(yùn)算放大器所需工作電壓由電源輸出接口提供，濾波后的信號(hào)經(jīng)示波器輸入接口采集后，通過Waveforms 軟件在PC機(jī)上顯示。完成后的電路如圖7所示。

圖7 實(shí)物電路搭建

Waveforms 2015是一款多功能儀器軟件應(yīng)用程序，它可無縫連接到USB便攜式示波器、邏輯分析儀和函數(shù)發(fā)生器等產(chǎn)品，為每個(gè)工具設(shè)計(jì)了一個(gè)易于操作的圖形化界面，與硬件儀器一起組成強(qiáng)大的工具套件。如圖8所示，為Waveforms打開后的界面，左側(cè)依次排列各儀器。電源可以提供0～5 V和0～-5 V的直流電壓，本實(shí)驗(yàn)為運(yùn)算放大器提供+5V和-5V的電壓。

圖8 Waveforms 界面

信號(hào)發(fā)生器內(nèi)置了標(biāo)準(zhǔn)的正弦波、方波、三角波、隨機(jī)噪聲等，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置振幅為5 V，頻率為12 kHz的正弦信號(hào)作為濾波輸入信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)分析儀可以準(zhǔn)確地顯示濾波后信號(hào)的頻率特性，本實(shí)驗(yàn)中將測量的起始頻率設(shè)為100 Hz,終止頻率設(shè)置為100 kHz。

3 多功能有源濾波器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際測試結(jié)果

在連接好電路后，將設(shè)置好的各儀器的開關(guān)打開，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開始運(yùn)行。濾波后的結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，正弦信號(hào)經(jīng)過多功能有源濾波器處理后，得到相應(yīng)的高通、帶通和低通信號(hào)，波形清晰明顯，結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

(a)高通

(b)低通

(c)帶通

圖9 幅頻特性實(shí)測圖

4 結(jié)束語

相對(duì)于傳統(tǒng)儀器在實(shí)驗(yàn)和教學(xué)中存在的不足，結(jié)合虛擬儀器的應(yīng)用優(yōu)勢和特點(diǎn)，本文在Analog Discovery虛擬套件平臺(tái)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套基于虛擬儀器技術(shù)的多功能有源濾波器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過充分利用虛擬儀器的靈活與開放性，以及Analog Discovery實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的多功能性、高度可操作性，有效地改變了實(shí)驗(yàn)手段單一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)的時(shí)間空間受限等問題，極大提高了實(shí)驗(yàn)效率，增加了學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會(huì)，幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)的理論原理，同時(shí)，簡化了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中復(fù)雜的連線和調(diào)試過程，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中每個(gè)步驟都直觀而又清晰，提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和工程實(shí)踐能力，取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

[1]張若愚,李金穎.實(shí)驗(yàn)教學(xué)作用的再認(rèn)識(shí)[J].中國電力教育,2007(9):88-89.

[2]潘蕾.深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,適應(yīng)人才培養(yǎng)需要[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2002,19(3):96-99.

[3]任明秀.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)課改革思考[J].中國電力教育,2013(2):135-136.

[4]張敬南,張镠鐘.實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(12):101-104.

[5]林奕戎.基于NI虛擬儀器的直流電機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[D].廣東：汕頭大學(xué),2011.

[6]陸鵬飛.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的探索與實(shí)踐[C]//北京高教學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室工作研究會(huì)2008年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.北京：北京高教學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室工作研究會(huì),2008.

[7]黃悅微.虛擬電路實(shí)驗(yàn)場景的研究與實(shí)現(xiàn)[D].浙江：浙江大學(xué),2005.

[8]朱小龍,周剛.一種多功能有源濾波器電路仿真設(shè)計(jì)與分析[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,24(2):42-45.

[9]牛寶良.基于單自由度振動(dòng)模型的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào),2014,12(5):702-706，725.

[10]李澤彬,姚有峰,汪明珠,等.功率放大器的Multisim仿真研究[J].皖西學(xué)院學(xué)報(bào),2013(5):41-45.

[11]范文佳,何璐雅,李菡蔚,等.基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)物電路演示系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用實(shí)踐[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2015(11):197-200.

[12]李志瑞,程萬里.高校虛擬儀器電工電子實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究[J].安陽工學(xué)院學(xué)報(bào),2015(2):57-58，82.