苗永平，王 娜，孫二平，王慶國(guó)，劉維慧

(山東科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山東 青島 266590)

2018年10月教育部頒布的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》[1]中明確指出，要求以學(xué)生發(fā)展為中心，通過(guò)教學(xué)改革促進(jìn)學(xué)習(xí)革命，因課制宜選擇課堂教學(xué)方式方法，科學(xué)設(shè)計(jì)課程考核內(nèi)容和方式，不斷提高課堂教學(xué)質(zhì)量，以激發(fā)求知欲望，提高學(xué)習(xí)效率，提升自主學(xué)習(xí)能力。示波器實(shí)驗(yàn)是目前很多理工類(lèi)普通高等學(xué)校的必修公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[2,3]，在實(shí)際教學(xué)中多采用模擬示波器授課，且普遍存在重知識(shí)輕技能、重理論輕應(yīng)用等問(wèn)題，這種教學(xué)模式難以滿足現(xiàn)代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求[4]。近年來(lái)，各高校對(duì)示波器實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了諸多研究改進(jìn)工作[5-10]，為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提供了很好的思路與參考。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)和保障，是實(shí)驗(yàn)教師教學(xué)意圖賴以實(shí)施的載體。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的優(yōu)劣在一定程度上決定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。山東科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心結(jié)合示波器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，采用數(shù)字示波器作為主體教學(xué)設(shè)備，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了與之配套的多功能實(shí)驗(yàn)儀，為電學(xué)信號(hào)測(cè)量和分析提供實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練平臺(tái)，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)實(shí)踐技能和學(xué)以致用的科學(xué)意識(shí)。

1 系統(tǒng)思路

在整體功能和用途方面，實(shí)驗(yàn)儀以提供數(shù)字示波器操作技能應(yīng)用訓(xùn)練場(chǎng)景為核心目標(biāo)、以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和提高實(shí)驗(yàn)課堂效率為根本目的，服務(wù)于電子電氣類(lèi)專業(yè)人才培養(yǎng)和專業(yè)發(fā)展需求。據(jù)此，實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)三個(gè)電路單元，分別為心電單元、RC充放電單元、邏輯電平轉(zhuǎn)換單元。三個(gè)單元在激發(fā)學(xué)生興趣、訓(xùn)練技能和專業(yè)服務(wù)等方面各有側(cè)重，在硬件設(shè)計(jì)上又相對(duì)獨(dú)立，這給實(shí)驗(yàn)教師靈活而實(shí)用地安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了極大的便利。

在實(shí)驗(yàn)儀開(kāi)發(fā)工作中，借鑒華為、海信、聯(lián)想等國(guó)際知名企業(yè)的電子類(lèi)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，并根據(jù)學(xué)校實(shí)際資源狀況，因地制宜設(shè)計(jì)了五段式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，包括需求輸入、方案設(shè)計(jì)、方案評(píng)價(jià)、樣機(jī)制作、樣機(jī)測(cè)試五個(gè)核心環(huán)節(jié)。特別地，在方案評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)使用Multisim對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬仿真，有效驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案可行性，提高了工作效率。

2 設(shè)計(jì)方案

本實(shí)驗(yàn)儀的開(kāi)發(fā)內(nèi)容由電源電路、心電單元、RC充放電單元和邏輯電平轉(zhuǎn)換單元四部分組成，整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.1 心電單元

心電單元從人體左手腕關(guān)節(jié)、右手腕關(guān)節(jié)、右腳腕關(guān)節(jié)采集人體電信號(hào)通過(guò)肢體夾輸入AD8232芯片。AD8232芯片集成了儀表放大器、增益放大器以及右腿驅(qū)動(dòng)電路[11]，AD8232的內(nèi)部及周邊電路對(duì)低至微伏的心電信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大，對(duì)肌電干擾、工頻干擾以及基線漂移等噪聲信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

另外，在本單元信號(hào)輸出端另引一路，添加了以典型的RC串聯(lián)電路搭建的心電信號(hào)延遲電路[12]，將AD8232及其周邊電路處理好的心電信號(hào)延遲若干時(shí)間后輸出。該功能為學(xué)生提供了測(cè)量原始信號(hào)與延遲信號(hào)之間時(shí)間差的訓(xùn)練，電路原理圖如圖2所示。

圖2 心電單元電路原理圖

該單元集合了對(duì)周期性電信號(hào)的頻率、周期、幅度的測(cè)量和對(duì)兩路信號(hào)的相位差等參數(shù)的測(cè)量的訓(xùn)練，目的是讓學(xué)生練習(xí)數(shù)字示波器基本按鍵操作、水平與垂直方向位移和檔位調(diào)節(jié)、自動(dòng)測(cè)量和光標(biāo)輔助測(cè)量等常用功能，豐富示波器實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

2.2 RC充放電單元

該單元采用典型的RC電路搭建，設(shè)計(jì)有1個(gè)電容和五個(gè)不同阻值的電阻，采用+5 V作為驅(qū)動(dòng)電源，有1個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)和多個(gè)連接端子。學(xué)生通過(guò)導(dǎo)線將不同阻值的電阻與電容相連，并將電容正極接入數(shù)字示波器。將數(shù)字示波器的“時(shí)基”設(shè)定為“ROLL”。在閉合/斷開(kāi)電源時(shí)可在示波器上觀察到電容兩端電壓的實(shí)時(shí)變化曲線，基本電路如圖3所示。

圖3 RC充放電電路原理圖

該單元重點(diǎn)讓學(xué)生練習(xí)數(shù)字示波器“時(shí)基”的設(shè)定，還可探究RC充放電規(guī)律，深入理解RC充放電的基本原理。

2.3 邏輯電平轉(zhuǎn)換單元

該單元主要由單片機(jī)STM32F103RET6、線性穩(wěn)壓器SGM2019-3.3YC5G/TR和分壓電路構(gòu)成，共產(chǎn)生8路占空比為50%的方波信號(hào)。如圖4(a)所示電路提供第1～7路方波信號(hào)輸出，其信號(hào)幅度通過(guò)Rx設(shè)定為0.4～2.2 V；如圖4(b)所示電路提供第8路方波信號(hào)輸出，其信號(hào)幅度可通過(guò)3 KΩ的可變電阻實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。學(xué)生可將這8路方波信號(hào)接至數(shù)字示波器的模擬輸入接口實(shí)時(shí)顯示并測(cè)量基本參數(shù)，還可通過(guò)示波器自帶的邏輯電平分析模塊連接至數(shù)字示波器的數(shù)字輸入接口，顯示各路模擬電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的邏輯電平信號(hào)。該單元能夠讓學(xué)生練習(xí)數(shù)字輸入通道的使用，體驗(yàn)?zāi)M電壓信號(hào)和數(shù)字邏輯電平之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

(a)

另外，該單元設(shè)計(jì)了程序下載和調(diào)試硬件接口[14]，控制輸出方波信號(hào)的有無(wú)、占空比等，可供學(xué)生更進(jìn)一步練習(xí)單片機(jī)控制相關(guān)操作。

2.4 電源模塊

該多功能試驗(yàn)儀由直流5 V適配器提供供電電源,線性穩(wěn)壓器BL1117-33CX將5 V直流電轉(zhuǎn)換為兩路3.3 V直流電，分別輸出至單片機(jī)與其他用電模塊，這樣設(shè)計(jì)可以在滿足整個(gè)系統(tǒng)的用電需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電源隔離，減少其他電路對(duì)MCU的驅(qū)動(dòng)能力的影響。電源電路原理如圖5所示。

圖5 電源電路原理圖

3 可行性驗(yàn)證

在進(jìn)行理論性分析及原理圖的繪制后，為保證整個(gè)設(shè)計(jì)方案的可實(shí)施性以及完整性，在進(jìn)行實(shí)際電路板的加工之前，使用仿真軟件Multisim進(jìn)行仿真以驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方案可行性，考慮到仿真軟件的局限性，只模擬部分電路的各項(xiàng)性能、虛擬測(cè)試并分析改進(jìn)。

3.1 RC充放電模塊驗(yàn)證

以100 Ω電阻與100 uF的電解電容為例進(jìn)行RC充電電路的仿真。

根據(jù)RC充放電基本原理，計(jì)算充電時(shí)間常數(shù)τ為：

τ=RC=100Ω*100uF=100 ms

電容充滿電的時(shí)間為5τ，即50 ms。

在Multisim中仿真，測(cè)量仿真波形得到電容充滿電的時(shí)間為50.284 ms，如圖6所示。

圖6 RC充電電路仿真結(jié)果

以上可知，通過(guò)電路仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，且充放電時(shí)間與理論計(jì)算值非常接近，證明設(shè)計(jì)方案是可行的。

3.2 邏輯電平轉(zhuǎn)換單元驗(yàn)證

由于Multisim仿真軟件的器件庫(kù)暫時(shí)沒(méi)有電壓轉(zhuǎn)換芯片，故使用信號(hào)發(fā)生器直接產(chǎn)生幅度為3 v、周期為1 s的方波信號(hào)代替線性穩(wěn)壓器，并通過(guò)電阻分壓產(chǎn)生不同電壓，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 邏輯電平轉(zhuǎn)換模塊仿真結(jié)果

用仿真軟件的電壓表或示波器測(cè)量各通道的模擬信號(hào)電壓值，與上圖邏輯分析儀結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果符合預(yù)期門(mén)限電平TTL設(shè)置范圍，故邏輯電平轉(zhuǎn)換部分電路方案滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 心電信號(hào)采集模塊驗(yàn)證

因Multisim 14.0仿真軟件的器件庫(kù)中缺少心電信號(hào)處理芯片AD8232，并且軟件自帶的函數(shù)發(fā)生器不包含心電信號(hào)的產(chǎn)生，無(wú)法實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)測(cè)量模塊的仿真，故心電信號(hào)測(cè)量模塊的硬件設(shè)計(jì)參考AD8232數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行。

4 樣機(jī)搭建與評(píng)價(jià)

4.1 樣機(jī)搭建

可行性通過(guò)檢驗(yàn)后，利用電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工具Altium designer進(jìn)行PCB的繪制、布局，并進(jìn)行加工、焊接組裝、調(diào)試，成為一臺(tái)功能完備、運(yùn)行正常的實(shí)驗(yàn)儀，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)儀外觀及測(cè)試圖示

4.2 樣機(jī)效果及評(píng)價(jià)

4.2.1 心電單元

將一次性AgCl電極或四肢夾固定于左手腕關(guān)節(jié)、右手腕關(guān)節(jié)及右腳腕關(guān)節(jié)，另一端連接至實(shí)驗(yàn)儀對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸入端口。通過(guò)示波器探頭將原始心電信號(hào)和延遲信號(hào)分別連接至數(shù)字示波器的CH1和CH2通道，信號(hào)在示波器上顯示如圖9所示。其中，波形a(黃色)為原始心電信號(hào)、波形b(青色)為延遲信號(hào)。經(jīng)測(cè)量可得心電信號(hào)頻率為64 Hz，原始心電信號(hào)與延遲信號(hào)之間的時(shí)間差為22 ms。測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖9 心電信號(hào)及延遲信號(hào)圖示

4.2.2 RC充放電單元

將RC充放電單元中的測(cè)試點(diǎn)經(jīng)探頭連接至數(shù)字示波器，設(shè)定數(shù)字示波器“時(shí)基”為“ROLL”模式，撥動(dòng)單刀雙擲開(kāi)關(guān)使之處于“充電”或“放電”狀態(tài)，并將不同阻值的電阻接入電路進(jìn)行測(cè)試，可在示波器上觀察到完整的電容充電和放電過(guò)程，結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期。如圖10所示為100 Ω電阻接入電路、充電時(shí)電容電壓實(shí)測(cè)波形。

圖10 電容充放電過(guò)程

4.2.3 邏輯電平轉(zhuǎn)換單元

使用數(shù)字信號(hào)電纜和模擬信號(hào)探頭連接示波器實(shí)驗(yàn)儀測(cè)試點(diǎn)與數(shù)字示波器，將電壓信號(hào)顯示在示波器上并進(jìn)行測(cè)量對(duì)比。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，各信號(hào)均符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

以其中1路信號(hào)為例，CH1通道接模擬電壓信號(hào)，按數(shù)字示波器的“AUTO”按鈕后顯示波形(圖11中黃色波形)，測(cè)得其幅度為2.0 V，頻率為50 Hz，上升沿為46 ms；D5通道接數(shù)字電平信號(hào)，將數(shù)字示波器的“LA”門(mén)限類(lèi)型設(shè)定為“TTL”，數(shù)字電平信號(hào)顯示在屏幕上(圖11中紅色波形)。當(dāng)模擬電壓為0 V和2.0 V時(shí)，其數(shù)字電平分別為“0”和“1”，對(duì)應(yīng)關(guān)系正確。該路信號(hào)模擬電壓信號(hào)和數(shù)字電平信號(hào)波形如圖11所示。

圖11 模擬電壓與數(shù)字電平波形圖示

通過(guò)上述測(cè)試，確定實(shí)驗(yàn)儀各模塊的功能及性能達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，能夠滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

從數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于電信號(hào)測(cè)量和分析技能訓(xùn)練的多功能實(shí)驗(yàn)儀，包括心電信號(hào)、RC充放電以及邏輯電平轉(zhuǎn)換三個(gè)單元。經(jīng)方案設(shè)計(jì)、可行性驗(yàn)證、樣機(jī)組裝和測(cè)試等環(huán)節(jié)，驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)儀的功能和性能完全達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。該實(shí)驗(yàn)儀應(yīng)用于數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一方面讓學(xué)生測(cè)試自身的心電指標(biāo)，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面學(xué)生能夠在觀察、測(cè)量、分析信號(hào)的過(guò)程中通過(guò)實(shí)踐加深對(duì)電學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，達(dá)到在實(shí)踐中學(xué)習(xí)理論、理解理論的效果。

綜上所述，該實(shí)驗(yàn)儀能夠有效豐富數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)，有助于提高人才培養(yǎng)能力，具有較高的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。