凌震乾，德煒佳

(贛南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，江西 贛州 341000)

1 引言

方波-三角波-正弦波變換電路的實驗教學(xué)通常在實驗箱上操作測試完成，或者在指定技術(shù)參數(shù)指標(biāo)后通過課程設(shè)計方式完成.在實驗箱上操作測試，學(xué)生無法自主創(chuàng)建實物電路，缺乏自由發(fā)揮空間，理論與實踐容易脫節(jié)[1].課程設(shè)計方式受實驗元器件、時間、設(shè)備和場地所限，有的仍停留在對理論的驗證上，有的實驗結(jié)果誤差較大，有的因元器件損壞導(dǎo)致設(shè)計失敗，學(xué)生的創(chuàng)新精神和科研動力得不到激發(fā)[2].將The National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite(美國國家儀器教育實驗室虛擬儀器套件，簡稱為NI ELVIS)引入實驗室，可以完成電路分析、模擬電路、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)等電子信息專業(yè)絕大部分課程的實驗教學(xué)[3-5]，甚至可以建成遠(yuǎn)程虛擬實驗室[6-7].文獻(xiàn)[3]針對的教學(xué)對象是研一學(xué)生，學(xué)生具有一定的理論基礎(chǔ)和實驗?zāi)芰Γ晃墨I(xiàn)[4]依然采用了固定的傳感器實驗板卡，重點在于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用LabVIEW軟件設(shè)計程序的能力；文獻(xiàn)[5]深入分析了精密整流電路實驗項目的綜合設(shè)計過程，設(shè)計內(nèi)容僅限于整流器的實現(xiàn)；文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]分別實現(xiàn)了選頻電路、四人搶答器和功率放大器的設(shè)計及其遠(yuǎn)程操作平臺的構(gòu)建.以模擬電路課程的實驗教學(xué)為例，其主要實驗內(nèi)容為晶體管放大電路、集成運算放大電路以及信號的運算和處理等，這些實驗具有分立元件多、實驗接線復(fù)雜、工程應(yīng)用范圍廣等特點，是實驗教學(xué)的重難點內(nèi)容[8].本文介紹的波形變換電路涉及到了模擬電路運算放大器的比較器、積分器的實驗和一階有源濾波器的設(shè)計過程，是模擬電路課程的綜合實驗，首先在Multisim軟件上對原理圖進(jìn)行了模擬仿真，然后在NI ELVIS II+上用數(shù)字萬用表對分立元件進(jìn)行了參數(shù)測試，用可調(diào)電源和示波器對方波-三角波-正弦波波形轉(zhuǎn)換進(jìn)行了虛實對比測試，用波特分析儀對三角波-正弦波變換的一階有源濾波器幅頻特性和相頻特性曲線進(jìn)行了虛實對比測試，并分析了實驗結(jié)果，指出了實際電子線路設(shè)計過程中應(yīng)注意的具體問題.

2 NI ELVIS II+簡介

NI ELVIS II+是一個完整的軟硬件教學(xué)實驗平臺[9]，軟件方面包括Multisim原理圖設(shè)計、Ultiboard印制電路板設(shè)計和圖形化的編程軟件LabVIEW，硬件方面包括一個custom-designed workstation(可定制設(shè)計的工作站)和prototyping board(原型板).要正常使用NI ELVIS II系列硬件，必須安裝NI ELVISmx軟件驅(qū)動，以提供一套電子設(shè)計實驗室儀器的功能.NI ELVISmx提供的LabVIEW soft front panels(軟前面板，簡稱SFP)，共包括常用的12種儀器，如表1所示.

表1 LabVIEW 軟前面板所支持的儀器列表

圖1顯示了在NI ELVIS II+上進(jìn)行實驗的整個流程.與一般的電子設(shè)計系統(tǒng)不同的是，基于NI ELVIS II+的電子系統(tǒng)設(shè)計增加了虛實對比測試功能.

圖1 ELVIS II+的實驗流程圖

3 實驗原理

波形變換電路的實現(xiàn)方式有很多，圖2是由滯回比較器、積分器和濾波器電路組成的方波、三角波和正弦波發(fā)生器之一.其中滯回比較器起開關(guān)作用，積分電路起延遲作用，濾波器提取基波[10].圖3、圖4分別為方波、三角波、正弦波變換原理框圖.

圖2 波形變換框圖

圖3 方波-三角波電路變換原理圖

圖4 三角波-正弦波電路變換原理圖

3.1 方波和三角波波形的主要參數(shù)[11]

由圖3可見，方波和三角波發(fā)生器由運放A1、A2和R1、R2、R4、RP1、RP2和C1組成.假設(shè)運放的正負(fù)電源分別為Vcc和VEE時，則方波正電壓為：

+U1o=Vcc

(1)

方波負(fù)電壓為：

-U1o=VEE

(2)

其輸入信號為方波U1o，則積分器的輸出U2o為：

(3)

故三角波輸出的幅度為：

(4)

方波和三角波的頻率為：

(5)

3.2 正弦波的主要參數(shù)[12]

由圖4可見，正弦波發(fā)生器由一階有源濾波器組成，其中R、C組成一階無源低通濾波器，運放和R1、RF組成同相比例放大電路.根據(jù)運放“虛短”和“虛斷”的特點，可求得該電路的電壓放大倍數(shù)為

(6)

其中Aup(通帶內(nèi)增益)為：

(7)

電路的角頻率為：

(8)

故其特征頻率，即該低通濾波器的上限截止頻率為

(9)

根據(jù)上述理論分析，即可布置設(shè)計任務(wù)，選擇符合技術(shù)指標(biāo)的元器件參數(shù).

4 實驗操作

4.1 在支持ELVIS II+的Multisim上繪制原理圖

本設(shè)計要實現(xiàn)的方波-三角波-正弦波頻率范圍約200～1 kHz，波形輸出幅度峰峰值在1 V以上.根據(jù)上一節(jié)分析，在支持NI ELVIS II+的Multisim上繪制的方波-三角波-正弦波波形變換原理圖如圖5所示.Rp1主要用來調(diào)節(jié)幅度便于起振(也會影響信號頻率)，改變C1容量用來頻率粗調(diào)，調(diào)節(jié)Rp2用來頻率細(xì)調(diào).

圖5 方波-三角波-正弦波波形變換電路原理圖

4.2 在支持NI ELVIS II+的Multisim上進(jìn)行模擬仿真

運行Multisim，雙擊繪圖工作空間上方的SCOPE虛擬示波器，在示波器的Instrument Control DEVICE(設(shè)備控制)上選擇Simulate NI ELVIS II+(虛擬ELVIS II+)，勾選示波器的2個通道，將Channel 0(通道0)和Channel 1(通道1)的幅度衰減分別選為5 V和2 V，并將通道0垂直方向的位置升高2 V，通道1垂直方向的位置降低2.5 V，并將通道0、通道1分別接到方波和三角波的輸出上，接著點擊軟件菜單的Simulate-Run進(jìn)行仿真，即可觀察到波形起振狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)波形分別如圖6、圖7所示.

圖6 方波和三角波起振狀態(tài)下的仿真波形 圖7 方波和三角波仿真波形

由圖可見，電路由零狀態(tài)起振至穩(wěn)定狀態(tài)時C1充放電過程與理論分析完全一致[12].調(diào)節(jié)RP1和RP2的數(shù)值，觀察波形的動態(tài)范圍，將結(jié)果填入表4.將三角波輸出接到正弦波電路的R6輸入端，通道0接到正弦波輸出V3上，點擊軟件的運行按鈕，記錄下如圖8所示不失真正弦波的動態(tài)范圍，將結(jié)果填入表4仿真欄內(nèi).

圖8 正弦波仿真波形

運行軟件菜單Reports-Bill of Material，生成電路的元件清單，如表2所示.

表2 方波-三角波-正弦波波形變換電路材料清單

4.3 在ELVIS II+的原型板上搭建電路

4.3.1 用DMM測量分立元件參數(shù)

首先將ELVIS II+與計算機(jī)通過USB連接好并接上電源.接著運行NI ELVISmx Instrument Launcher軟件，點擊Digital Multimeter圖標(biāo),對本實驗中各元件進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表3所示.

表3 方波-三角波-正弦波波形變換電路元件標(biāo)稱值與實測值

4.3.2 關(guān)閉原型板電源

用實測出來的元器件取代圖5中的仿真用元器件，搭建好的實物電路如圖9所示.圖中的開關(guān)在原型板上直接用跳線代替.

圖9 NI ELVIS II+平臺上搭建的實物電路 圖10 可調(diào)電源前面板

4.4 在ELVIS II+原型板上進(jìn)行電路的虛實對比測試

在電路調(diào)試過程中調(diào)整三角波的輸出幅度與振蕩周期時，應(yīng)該先選擇R1和調(diào)整電阻RP1使輸出幅度達(dá)到規(guī)定值，然后再調(diào)整RP2和C1使振蕩周期滿足要求.調(diào)試主要分為以下3個步驟:

4.4.1 設(shè)置±12 V可調(diào)電源

將Multisim原理圖中所用的虛擬電源VCC、VEE改為ELVIS II+平臺提供的±12 V可調(diào)電源，運行NI ELVISmx Instrument Launcher軟件，打開可調(diào)電源,如圖10所示為該電源的軟前面板和前面板.在軟前面板中同時勾選“Manual(手動模式)”和“Measure Supply Outputs(測量輸出)”，則設(shè)備前面板上相應(yīng)的“MANUAL MODE”指示燈將會發(fā)亮，旋轉(zhuǎn)設(shè)備旋鈕使Supply-為-12 V、Supply+為12 V，取消“測量輸出”的勾選.

4.4.2 方波、三角波的虛實對比測試

在原型板上將方波輸出V1連接至示波器通道0，將三角波輸出V2連接至示波器通道1，打開Multisim軟件中的示波器，在示波器的設(shè)備控制中選擇物理設(shè)備Dev1(NI ELVIS II+)，設(shè)置其時基為5 ms，同時選中2個通道，并把通道0的采集信號源設(shè)置為AI0，幅度衰減為5 V，垂直位移為2 V，把通道1的采集信號源設(shè)置為AI1，幅度衰減為2 V，垂直位移為-2 V同時勾選Simulated Data(仿真數(shù)據(jù))和Real Data(實時數(shù)據(jù))，點擊運行示波器，觀察方波和三角波虛實對比波形，如圖11所示.其虛線為仿真波形，實線為電路實測波形.調(diào)節(jié)原型板上的RP1和RP2，測試電路不失真波形的頻率和幅值的動態(tài)范圍，并將其值填入表4.

圖11 方波、三角波虛實對比波形

接著測試正弦波.將V2連接至R6，在原型板上將V1方波輸出連線拆除，接上正弦波V3的輸出至示波器Channel 0，其它設(shè)置保持不變，點擊示波器運行Run，觀察正弦波和三角波波形，如圖12所示.

圖12 三角波、正弦波的實測波形

調(diào)節(jié)原型板上的RP1和RP2，測試電路不失真波形的頻率和幅值的動態(tài)范圍，并將其值填入表4.當(dāng)RP2≥19.6 kΩ時，正弦波出現(xiàn)削頂失真.

調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，方波、三角波在RP2分別為最小阻值和最大阻值時，波形基本不失真，而正弦波頻率較小時容易出現(xiàn)削頂失真現(xiàn)象，頻率較高時波形不失真，但幅度較小.

4.4.3 對一階有源低通濾波電路的虛實對比測試[13]

為了解正弦波失真問題的原因，觀察一階有源低通濾波電路的幅頻特性，需要使用ELVIS II+的波特分析儀.其具體操作過程如下：

①將原型板上的FGEN連接到到R6輸入端，將電路地連接到原型板上的GROUND.

②將原型板上的FGEN信號連接到AI0+，將AIGND連接到原型板上的GROUND.

③將原型板上的正弦波輸出接入AI1.

④打開原型板電源.

⑤按(1)步驟設(shè)置好可調(diào)電源輸出±12 V直流電壓.

⑥連接原理圖中的CH0和FGEN，連接CH1和正弦波的輸出V3.

⑦雙擊打開原理圖中的FGEN,掃頻區(qū)間設(shè)置為10 Hz至10 KHz，步長設(shè)置為100 Hz，幅度為1 Vp-p,波形選擇為三角波，保持顯示面板為OFF(關(guān)機(jī)狀態(tài))，由波特分析儀自動調(diào)用該FGEN.

⑧雙擊打開原理圖中的波特分析儀.設(shè)備選擇為Dev1 NI ELVIS II+，掃描間隔設(shè)置為10 Hz至10 KHz，步長設(shè)置為100左右,其余設(shè)置不變.

⑨點擊波特分析儀的運行按鍵，同時勾選下方Real Data(實測數(shù)據(jù))和Simulated Data(仿真數(shù)據(jù))可以同時顯示虛實對比幅頻特性和相頻特性曲線，仿真結(jié)果如圖13所示.

圖13 濾波電路的波特分析儀虛實對比測試

5 實驗結(jié)果分析

將RP1、RP2和電路中各參數(shù)值代入式(4)(5)，可求得方波、三角波的頻率范圍為42.89 Hz～3.2 kHz，三角波的幅值范圍約為3.52 V至12 V之間.由式(7)可知，通帶內(nèi)正弦波的幅值約為三角波的2倍，即在7 V至24 V之間，通帶外的信號衰減很大，可以不必計算.由式(9)可知其通帶截止頻率為1.6 kHz.將上述數(shù)據(jù)填入表4計算欄內(nèi).

表4 波形變換電路理論值與實測值對照表

由表3可見，即使電路采用了精密度高誤差小的精密電阻元件，實測值與理想值之間仍然存在一定差異，特別是微型精密電位器不適合用于經(jīng)常調(diào)節(jié)使用的場合，它的最小值和最大值邊界很難確定.實測發(fā)現(xiàn)瓷片電容的溫度特性很差，只能用于濾除一些高頻信號，不適合用在函數(shù)信號發(fā)生器中作為標(biāo)準(zhǔn)電容使用.在低頻電路中，性能最為穩(wěn)定的是獨石電容，它的溫度特性穩(wěn)定，頻率漂移現(xiàn)象小.上述元件的測試結(jié)果與元器件使用常識完全一致.

由表4可見，以UA741為核心的簡單波形變換電路中，各項指標(biāo)滿足技術(shù)參數(shù)要求，波段內(nèi)各指標(biāo)相對誤差不大于12%，誤差較大的地方出現(xiàn)在可調(diào)電位器的邊緣地帶，即頻段的最小值或最大值附近，實際電路設(shè)計中完全可以通過增加電容數(shù)量，分頻段解決誤差問題，但該電路僅適合用于實驗演示或精度要求不高的設(shè)備使用.

由圖11可見，實測波形和仿真波形具有一定的相位差，這是由電路元件仿真模型與實際元件的物理參數(shù)不完全一致所造成的.另外，仿真圖中三角波的輸出幅度小于實測幅度，其原因在于實測與仿真對比測試的過程中，實測時斷開了三角波與R6的連線，而仿真圖中并沒有斷開與R6的連線，導(dǎo)致三角波實測與仿真時的負(fù)載不同所致.

由圖12(a)和圖13可見，采用精密金屬膜電阻和獨石電容的波形轉(zhuǎn)換電路，其低通特性良好，在其頻率低端，由于三角波輸入信號太強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了運放的線性范圍導(dǎo)致運放工作于非線性狀態(tài)，從而出現(xiàn)了波形的頂、底失真現(xiàn)象.當(dāng)輸入信號頻率超過了濾波器截止頻率時，正弦信號的衰減巨大，呈現(xiàn)了良好的低通特性.為了解決方波輸出信號太強(qiáng)的問題，實際設(shè)計中普遍給出了在方波輸出處接入反向串接雙穩(wěn)壓二極管的方案[10-11].

6 結(jié)束語

在電子線路的設(shè)計過程中，不僅要通過軟件模擬實現(xiàn)技術(shù)參數(shù)，也要通過實際電路的搭建進(jìn)行理論和實際的對比分析.如果能根據(jù)芯片測試原理圖，搭建測試芯片主要技術(shù)參數(shù)的功能電路，并以此為依據(jù)，重新設(shè)計仿真模型，必將對仿真結(jié)果的真實性有所加強(qiáng).在ELVIS II+平臺實驗過程中，當(dāng)所有元器件測試完成后，必須修改原來的原理圖，對原理圖中的元器件的數(shù)值用實測值替換，對芯片模型進(jìn)行修改，以便在原型機(jī)上進(jìn)行更進(jìn)一步的虛實對比測試，而這一步在實驗箱的操作中幾乎是無法實現(xiàn)的，也是在課程設(shè)計等實際工作中極為容易被忽視的地方.當(dāng)產(chǎn)品樣機(jī)制作完成后，應(yīng)當(dāng)再重新用NI ELVIS+和其它技術(shù)手段對產(chǎn)品特性進(jìn)行綜合測試.基于NI ELVIS II+平臺的實驗教學(xué)具有完整的軟硬件集成，可以完成從元件模型構(gòu)建、元器件參數(shù)測試、電路原理分析與仿真和原型驗證的完整工程設(shè)計流程，不但具有靈活的硬件搭接方式，也便于對電路的及時修改和更新，為電子產(chǎn)品的設(shè)計提供了便利，從而實現(xiàn)了教學(xué)與科研、理論與實踐的無縫銜接.