龐存鎖，楊 凌

(中北大學,創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院,山西 太原 030051)

0 引言

現(xiàn)在許多高校的電子技術(shù)實驗教學是在特定的場所特定的時間授課,具有一定的時效性,學生只能在課上進行實驗,沒有完成實驗任務的學生只能隨著課堂的結(jié)束而終止,不利于學生學習能力的提升。針對上述情況,本文預設(shè)計一種便于攜帶、價格低廉、學生可自選實驗場地進行實驗的口袋實驗室,以滿足學生的學習、實驗和實踐需求,也可用于疫情等特殊時段在宿舍或家里自行實驗。

1 基于STM32單片機的口袋實驗室系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由主控制部分(STM32單片機)、電源部分、上位機通信部分、信號發(fā)生電路、顯示部分等組成,圖1所示為系統(tǒng)的整體框圖。

1.1 主控部分

本系統(tǒng)決定采用STM32F103ZET6作為主控制芯片,該芯片擁有72 MHz工作頻率,可以滿足高速信號采集的需要,支持串行單線調(diào)試(SWD)和JTAG接口;另外它還具有8個定時器,3個16位定時器,同時擁有3個12位ADC通道,滿足采集時的精度要求。它還內(nèi)置有3個12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,1 μs轉(zhuǎn)換時間,符合系統(tǒng)高采樣頻率的要求[1-3]。

1.2 信號發(fā)生器部分

信號發(fā)生器部分主要采用ICL8038作為波形發(fā)生芯片,ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調(diào)整個別的外部元件就能產(chǎn)生從 1 Hz～300 kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制[4]。

圖2所示為板載信號發(fā)生器部分的電路原理圖。通過改變電容,可以切換產(chǎn)生的頻率,ICL8038內(nèi)部有兩個可調(diào)恒流源,通過對外接電容進行充電放電來起振,其后接LM358構(gòu)成的電壓跟隨器,增大輸入電阻,減少輸出電阻,降低信號損耗,接著信號再經(jīng)過一個OP07構(gòu)成反向比例放大器,放大倍數(shù)由RP7調(diào)節(jié),最終輸出10 V可調(diào)的信號。

圖2 信號發(fā)生器部分電路原理圖

1.3 上位機通信部分

系統(tǒng)與上位機之間通信采用的是USB方式,USB一般有4個引腳,一個VCC,一個GND,一個D+,一個D-。D+和D-是通信用的數(shù)據(jù)線。USB有主從機之分,由于STM32F103ZET6的USB口只能用做從機,而從機的USB口,有高速和低速之分,如果在D+接了1.5 kΩ的上拉電阻,就是高速設(shè)備,如果是在D-接了1.5 kΩ的上拉電阻,就是低速設(shè)備,而板載的STM32F103ZET6芯片支持USB2.0協(xié)議,使用的是USB全速模式,因而是高速設(shè)備,因此在D+加入了一個上拉的電阻,使得主機在識別USB的時候?qū)TM32辨認為高速設(shè)備,最后D+、D-再接入到32單片機的USB專用端口[5-7]。

1.4 系統(tǒng)程序設(shè)計

STM32單片機在整個工作過程中,DAC一直工作,不斷向外輸出波形,同時STM32單片機也隨時準備接收來自上位機或者屏幕和按鍵的指令,整個系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程框圖

2 實驗驗證

2.1 信號調(diào)理電路驗證

將信號從SMA接口接入,并經(jīng)由USB口和電腦連接,測試信號經(jīng)過前端電路處理后進入AD接口前信號的波形,從而檢查電路板信號調(diào)理部分的路性能,圖4所示為連接測試的實物。

圖4 測試連接實物圖

為了測試信號調(diào)理電路的衰減偏差,將幅值為3 V,頻率為1 kHz,偏置為1 V的正弦波信號接入系統(tǒng)中進行測試,記錄測試所得的實驗值如表1所示。

表1 測試結(jié)果表

對比測試值和理論值可以發(fā)現(xiàn)每一個實驗數(shù)據(jù)的偏差值都沒有超過0.1 V,基本滿足設(shè)計要求。

2.2 三極管放大電路實驗

以常見的三極管放大電路實驗為例,驗證本系統(tǒng)的性能,圖5所示為搭建的三極管放大電路實物圖,設(shè)輸入信號VPP為150 mV的正弦波信號,并經(jīng)過板載的衰減電路衰減為40 mV,將其作為三極管放大電路的輸入信號;圖6給出了輸入信號經(jīng)過放大電路放大后變?yōu)?.241 V的正弦波信號,并對比分析了示波器測量信號的幅值和頻率。由圖6中可知,信號被放大了1.241/0.04=31.025倍,并和示波器驗證的測試結(jié)果基本一致,證明了本系統(tǒng)作為實驗儀器的可行性。

圖5 三極管放大電路

圖6 放大電路輸入信號檢測與示波器驗證圖

3 總結(jié)

本文設(shè)計了基于STM32單片機的電子技術(shù)口袋實驗室系統(tǒng),實現(xiàn)了對信號的采集、恢復與顯示,并且能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C,可進行數(shù)據(jù)波形和參數(shù)的顯示。設(shè)計的系統(tǒng)具有體積小、便攜性、低功耗的特點,可作為實驗室大型實驗設(shè)備的有益補充,進一步提高學生的實踐動手能力。