萬云霞 馬小梅 魏 平 王 瑾 孫慧慧

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,長春 130061)

0 引 言

電子測量技術(shù)具有測量速度快、精度高的優(yōu)點,涉及經(jīng)濟、生活、工程、科研等多個領(lǐng)域?，F(xiàn)階段,電子測量技術(shù)發(fā)展迅速,逐漸向多功能和數(shù)字化方向發(fā)展[1]。電子測量儀器經(jīng)歷了從模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器的發(fā)展歷程,現(xiàn)在正在向通用化、模塊化、多技術(shù)融合和網(wǎng)絡(luò)化方向邁進[2-4]。電子測量技術(shù)人才培養(yǎng)也要與時俱進,不斷融合新的技術(shù)和手段,提供與工業(yè)實踐緊密相連的實驗平臺[5]。

高等教育教學(xué)中的電子測量技術(shù)課程是以理論課為基礎(chǔ),通過大量的實驗教學(xué)課程深化理論知識、培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的儀器設(shè)計開發(fā)能力。實驗教學(xué)平臺是實驗課程體系中主要的核心支撐,它可以為學(xué)生提供豐富而先進的硬件資源和設(shè)計思路,引導(dǎo)學(xué)生利用前沿科學(xué)技術(shù)實現(xiàn)電子測量儀器的設(shè)計與信號測量[6]。目前很多高校使用的電子測量實驗教學(xué)平臺是類似于“黑匣子”的實驗箱,學(xué)生在實驗教師或?qū)嶒炛笇?dǎo)書的指導(dǎo)下通過連線搭建系統(tǒng),觀察結(jié)果,無法獲取更前沿的科技進展以及實現(xiàn)創(chuàng)新能力及解決工程實際問題能力的培養(yǎng)與鍛煉[7]。在此背景下,筆者設(shè)計開發(fā)了一套融合多項電子測量技術(shù)如單片機、數(shù)字電子、總線接口、可移植的軟件平臺、虛擬測試技術(shù)等符合現(xiàn)代電子測量儀器設(shè)計理念的實驗教學(xué)平臺。該平臺可提供電子測量儀器設(shè)計中所需的控制器、接口電路及其他功能模塊所需的電子元器件資源。采用模塊化、開放式的設(shè)計思路,在滿足基礎(chǔ)測量實驗內(nèi)容的前提下,為更高層次的學(xué)生提供開放式的設(shè)計平臺與資源,進行綜合性設(shè)計實驗,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

筆者所設(shè)計的電子測量實驗教學(xué)平臺是為了補充實驗設(shè)備功能的欠缺,以開放式的設(shè)計思路引導(dǎo)學(xué)生了解掌握儀器設(shè)計、工作原理。同時,也為電子測量實驗過程提供測量對象。實驗平臺主要包括基于DDS(Direct Digital Freqiaency Synthesizers)技術(shù)的信號源、帶通濾波器、交流電壓參數(shù)測量、數(shù)字頻率計及供電、接口模塊等。

半開放式包含兩個層次的含義。一是指實驗平臺硬件資源的二次開發(fā)。DDS 信號源模塊既可以作為信號源給其他測量系統(tǒng)提供被測信號,同時可以作為硬件開發(fā)資源供學(xué)生進行二次開發(fā)。二是指可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新開放式設(shè)計思路。數(shù)字頻率計模塊為學(xué)生提供了固定的芯片資源,但并未進行連線,學(xué)生可自行設(shè)計方案,仿真驗證后進行連接,培養(yǎng)學(xué)生嘗試采用多種方法進行儀器設(shè)計。如圖1 所示為系統(tǒng)總體功能框圖。

圖1 系統(tǒng)總體功能框圖Fig.1 General functional block diagram of the system

2 半開放式功能模塊設(shè)計

2.1 DDS 信號產(chǎn)生模塊

基于DDS 技術(shù)的信號產(chǎn)生模塊,在實驗教學(xué)平臺中承擔(dān)兩個任務(wù):一是作為信號源模塊使用,產(chǎn)生的交流電壓信號(正弦信號、方波信號、三角波信號等)作為測量對象或激勵信號為示波器提供信號源,為帶通濾波器頻率特性測量提供激勵源等；二是作為一個開放式的開發(fā)平臺,為信號源設(shè)計、掃頻儀設(shè)計等綜合性設(shè)計實驗提供硬件平臺資源。

該模塊提供完整的硬件電路連接與開發(fā)調(diào)試完成的程序,可作為信號源使用。信號的波形、頻率、幅值等參數(shù)通過4×4 按鍵設(shè)置輸入至STM32F103ZET6 單片機,由單片機輸入控制字給DDS 芯片,產(chǎn)生所需的信號波形。DDS 芯片選用AD9833,該集成芯片是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器,可以產(chǎn)生正弦波、三角波和方波[8-9]。選用MCP41010 數(shù)字電位器對DDS 芯片產(chǎn)生信號的幅值進行調(diào)控,達到信號調(diào)幅的作用。同時,選用AD8051 這款低成本、高速、電壓反饋型放大器,將MCP41010 調(diào)幅后的信號進行一級放大并進行輸出[10]。信號產(chǎn)生模塊原理框圖如圖2 所示。圖3 所示為所設(shè)計的DDS 信號發(fā)生器產(chǎn)生的3 種不同波形(正弦波、方波、三角波)在示波器上的顯示。

圖2 基于DDS 技術(shù)的信號發(fā)生器原理框圖Fig.2 Block diagram of signal generator based on DDS technology

圖3 DDS 信號發(fā)生器產(chǎn)生的3 種不同波形Fig.3 Three different waveforms produced by the signal generator

該模塊可產(chǎn)生幅值、頻率可控的正弦波、三角波、方波等信號,信號源帶寬為50 Hz～500kHz,頻率步進為1 Hz,可滿足電子測量實驗教學(xué)的要求。

2.2 帶通濾波器模塊

帶通濾波器模塊主要用于線性系統(tǒng)頻率特性的測量對象,可利用示波器進行點頻(靜態(tài))測量,也可利用掃頻儀進行掃頻(動態(tài))測量[11]。同時,該濾波器模塊在設(shè)計時利用可調(diào)電位器代替電阻,方便使用者通過調(diào)節(jié)電位器進行濾波器參數(shù)調(diào)整,如上、下截止頻率、帶寬、中心頻率等。在對濾波器模塊幅頻特性進行測量的過程中,不僅學(xué)習(xí)掌握線性系統(tǒng)頻率特性的測量方法,同時了解二階帶通濾波器的設(shè)計思路及幅頻特性,為濾波器的設(shè)計及使用提供了實踐指導(dǎo)。

帶通濾波器模塊為簡單的二階帶通濾波器,激勵源通過一個電阻R、電感L及電容C構(gòu)成一個串聯(lián)回路,并以電阻兩端的電壓作為響應(yīng),構(gòu)成了一個以二階微分方程描述的二階帶通濾波器[12]。根據(jù)信號濾波需求,實際設(shè)計的電路原理圖如圖4 所示。

圖4 二階帶通濾波器設(shè)計原理圖Fig.4 Schematic design of second-order bandpass filter

其中A1,A2,A3 分別為3 個運算放大器μA741。μA741 是一種應(yīng)用非常廣泛的通用型運算放大器。由于采用了有源負(fù)載,所以只要兩級放大就可以達到很高的電壓增益和很寬的共模、差模輸入電壓范圍。該電路采用內(nèi)部補償,電路比較簡單不易自激,工作點穩(wěn)定,使用方便,而且設(shè)計了完善的保護電路,不易損壞[13]。

帶通濾波器理論參數(shù)(中心頻率f0、Q值、增益AV及帶寬Δf)如下

根據(jù)理論設(shè)計參數(shù)及計算公式可以計算出電路中的電阻及電容值:R1=14 kΩ,R2=140 kΩ,R3=4 kΩ,R4=16 kΩ,C1=C2=0.01 μF。由于實際應(yīng)用時需要考慮電阻的標(biāo)稱值,仿真時將各電路參數(shù)調(diào)整如下:R1=14.1 kΩ,R2=141 kΩ,R3=4 kΩ,R4=15.6 kΩ,C1=C2=0.01 μF。如圖5 所示為仿真電路原理圖。

圖5 二階帶通濾波器仿真原理圖Fig.5 Simulation principle of second-order bandpass filter

在實際電路設(shè)計時,R1,R3,R4均采用100 kΩ 電位器代替,R2采用200 kΩ的電位器代替,以便于調(diào)試改變系統(tǒng)參數(shù)進行不同的設(shè)計與應(yīng)用。如圖6 所示為所設(shè)計的帶通濾波器的理論與實測幅頻特性曲線。

圖6 二階帶通濾波器的理論與實測幅頻特性曲線Fig.6 Theoretical and measured amplitude-frequency characteristic curves of second-order bandpass filters

從圖6 中可看出,實測幅頻特性曲線與理論曲線形態(tài)相近。由于實際電路中的電位器調(diào)整無法做到與理論完全一致,另外由于電位器精度等的影響,導(dǎo)致實際電路的中心頻率和帶寬與理論值有所差異。

2.3 交流電壓測量模塊

交流電壓測量模塊主要用于測量交流電壓的峰值、有效值、平均值等參數(shù),由峰值檢波電路、平均值檢波電路、有效值檢波電路及A/D 轉(zhuǎn)換電路、單片機處理電路和數(shù)碼管顯示電路等構(gòu)成。不同的檢波電路輸出通過3 段撥碼開關(guān)進行控制,送入A/D 轉(zhuǎn)換電路進行處理顯示。檢波電路功能框圖如圖7 所示。

圖7 交流電壓檢波電路功能框圖Fig.7 Functional block diagram of AC voltage detector circuit

該模塊可作為測量儀器對交流信號進行測量,同時可通過開放式的電路設(shè)計結(jié)構(gòu)使學(xué)生在使用時全程觀察檢波過程,了解檢波電路的設(shè)計與工作原理。

相對于峰值檢波和平均值檢波電路,交流電壓有效值檢波電路的設(shè)計在測量與教學(xué)中的意義顯得更為重要。在實際應(yīng)用及教學(xué)中,受限于儀器設(shè)備,對非正弦信號的有效值測量一般采用平均值轉(zhuǎn)換法對其進行測量,但這種方法存在較大的理論誤差。為實現(xiàn)對交流信號電壓有效值的精密測量,并使之不受被測波形的限制,可采用真有效值轉(zhuǎn)換技術(shù),即不通過平均折算而是直接將交流信號的有效值按比例轉(zhuǎn)換為直流信號。交流電壓的真有效值是通過電路對輸入交流電壓進行平方→求平均值→開平方的運算而得到的。在有效值檢波模塊中選用AD736 芯片作為精密真有效值A(chǔ)C/DC 轉(zhuǎn)換器。該芯片靈敏性好、頻率特性好、輸入阻抗高、輸出阻抗低,測量正弦波電壓的綜合誤差不超過±3%[14]。工作時,被測信號電壓加到輸入放大器的同相輸入端,而輸出電壓經(jīng)全波整流后送到RMS(Root Mean Square)單元并將其轉(zhuǎn)換成代表真有效值的直流電壓,然后再通過輸出放大器的Vo端輸出。

如表1 所示為交流電壓測量模塊正弦波理論值、仿真值和實測值的對比及誤差。

表1 交流電壓測量模塊正弦波理論值、仿真值、實測值及誤差分析Tab.1 Theoretical value,simulation value,measured value and error analysis of sinusoidal wave in AC voltage measurement module

表1 中所測數(shù)據(jù)為500 Hz 正弦波的峰值、平均值及有效值。該測量模塊可以直接測量交流電壓的峰值、平均值及有效值參數(shù),彌補了以往實驗中采用平均值響應(yīng)的“有效值”萬用表進行非正弦波測量時的波形轉(zhuǎn)換。同時,在操作過程中學(xué)生也對各種檢波電路的工作原理有了更加深入的了解,加深了對理論知識的掌握。

2.4 數(shù)字頻率計模塊

數(shù)字頻率計是電子測量系統(tǒng)中常用且比較重要的測量系統(tǒng),它以時間(或頻率)的比較電路--主門為中心,再配置相應(yīng)的周邊電路構(gòu)成,包括:被測信號的脈沖形成電路(放大整形),計數(shù)、存儲和顯示電路,測量過程控制邏輯電路等[15-16]。筆者提到的數(shù)字頻率計模塊在實踐教學(xué)中的作用主要是通過該模塊的搭建,構(gòu)建一個數(shù)字頻率測量模塊,實現(xiàn)常用信號的頻率測量；同時,通過實驗過程,使學(xué)生了解頻率測量原理,為以后的儀器設(shè)計打下堅實的理論與實踐基礎(chǔ)。因此,該模塊采用常見的電子元器件進行搭建,方便觀察信號的處理過程。如圖8 所示為數(shù)字頻率計模塊的總體方案設(shè)計。

圖8 數(shù)字頻率計模塊總體設(shè)計方案Fig.8 Design scheme of digital frequency meter module

晶振(32.768 MHz)經(jīng)過分頻電路后產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號,經(jīng)過邏輯信號合成模塊產(chǎn)生閘門、清零信號。外部信號源經(jīng)過放大整形電路后產(chǎn)生同頻脈沖信號,與閘門、清零信號進行邏輯與非,產(chǎn)生計數(shù)脈沖,送至74LS192的計數(shù)端,完成計數(shù)。由74LS48 譯碼后送至數(shù)碼管進行顯示。當(dāng)閘門時間為2 s(0.5 Hz)時,所計數(shù)結(jié)果最大值為測量信號的頻率。如表2 所示為數(shù)字頻率計測量的信號發(fā)生器產(chǎn)生的不同波形和不同頻率的結(jié)果及測量誤差。

3 結(jié) 語

針對現(xiàn)有電子測量實驗教學(xué)平臺中存在的問題與不足,研制開發(fā)了一套模塊化、半開放式的電子測量實驗教學(xué)平臺。該平臺引入了單片機、數(shù)字電子等電子測量與儀器設(shè)計前沿技術(shù),完成了基于DDS 技術(shù)的信號源、帶通濾波器、交流電壓參數(shù)測量、數(shù)字頻率計及供電、接口模塊設(shè)計,為電子測量實驗教學(xué)提供實踐教學(xué)平臺。同時,所設(shè)計的半開放式功能模塊也應(yīng)用于電子設(shè)計競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目等課外實踐項目中,為學(xué)生提供硬件訓(xùn)練資源,為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供了平臺支撐。