CN103278669A - 多功能便携式实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能便携式实验装置，主要解决因实验室设备贵重且体积大而不能普遍应用的问题。该装置包括：信号发生模块、信号采集模块、万用表模块、供电模块、微处理器控制电路和通信驱动电路；微处理器控制电路与信号发生模块相连接，产生两路输出模拟信号；微处理器控制电路与信号采集模块相连接，采集两路输入模拟信号；微处理器控制电路与万用表模块相连接，对万用表模块采集的数据进行存储和处理；通信驱动电路与微处理器控制电路相连接，将微处理器控制电路中存储和处理后的数据上传到上位机进行双向通信；供电模块与其他模块相连接，输出直流稳定电压。本发明可实现信号源、示波器、直流稳压电源及万用表等仪器的基本功能。

Description

多功能便携式实验装置

技术领域

本发明属于实验设备技术领域，特别涉及一种随身携带的实验装置，可用于学生课内实验以及课外科技工程创新活动实验。

背景技术

随着技术的不断进步，不断有实验设备更加集成化，便携化。但是就高校实验室应用来说，目前实验设备如信号源、万用表、示波器和直流稳压电源等仪器均存在体积大、成本高和数量少的问题。设备体积大，就需要更大的空间来放置，设备成本高对高校的购置带来问题，设备数量少，就不能满足高校学生的实验需求。特别是随着高校对学生的实际动手能力要求，越来越多的学生需要进行实验测量。而目前，学生进行实验测量只能进入学校公共的硬件实验室才能进行，不但增加了学校实验室的压力，也限制了学生的工程创新。

发明内容

本发明的目的在于针对目前实验室设备贵重且体积大的问题，提出一种可置于口袋中随身携带的多功能便携式实验测试装置，以实现信号源、示波器、直流稳压电源以及万用表等仪器的主要功能，以便在实验室外的任何场所对实验所用电子装置进行测量。

为实现上述目的，本发明包括：

信号发生模块1，用于产生两路模拟输出信号AO，即第一模拟信号AO1和第二模拟输出信号AO2，以模拟信号发生器、随机波形生成器和Bode分析仪的输出信号；

信号采集模块2，用于采集两路模拟输入信号AI，即第一模拟输入信号AI1和第二模拟输入信号AI2，以模拟示波器、动态信号分析器和Bode分析仪的输入信号；

万用表模块3，用于测量交流电压信号、交流电流信号、直流电压信号和直流电流信号，以及测量电阻值，二极管电压降和电路的通断检测；

供电模块4，用于输出直流稳压电压；

控制与通信模块5，包含微处理器控制电路51和通信驱动电路52，该微处理器控制电路51与信号发生模块1单向连接，用于控制信号发生模块1产生信号的模式、幅度和频率；该微处理器控制电路51与信号采集模块2单向连接，用于对信号采集模块2采集到的信号进行处理；该微处理器控制电路51与万用表模块3双向连接，用于对万用表模块3采集到的数据进行处理；该通信驱动电路52与微处理器控制电路51双向连接，实现与上位机双向通信。

作为优选，所述的微处理器控制电路51，包含单片机511、时钟电路512和复位电路513，该时钟电路512与单片机511单向连接，为单片机511提供系统时钟；该复位电路513与单片机511单向连接，实现对单片机511系统复位。

作为优选，所述的信号发生模块1，包含D/A数据转换电路11和第一信号调理电路12，该D/A数据转换电路11通过单片机511内部的D/A转换器实现数字信号到模拟信号的转换；该第一信号调理电路12用于对转换后的模拟信号进行滤波、直流偏置和程控放大。

作为优选，所述的信号采集模块2，包含第二信号调理电路21和A/D数据转换电路22，该第二信号调理电路21用于对外部输入模拟信号进行衰减、直流偏置和程控放大；该A/D数据转换电路22通过单片机511内部的A/D转换器实现对程控放大后的模拟信号到数字信号的转换。

作为优选，所述的万用表模块3，包含测量芯片的最小系统31和外围测量电路32，该测量芯片的最小系统31分别于与单片机511和外围测量电路32双向连接，用于实现数据转换、自动量程转换、电池低电压检测以及蜂鸣器的功能。

作为优选，所述的供电模块4，包含USB接口41，电源保护电路42和电源分配电路43，该USB接口41分别通过USB连接线和普通连接线与上位机和电源保护电路42单向连接，该电源保护电路42通过连接线与电源分配电路43单向连接，用于对上位机进行保护，该电源分配电路43通过连接线分别与信号发生模块1、信号采集模块2、万用表模块3和控制与通信模块5单向连接，用于对信号发生模块1、信号采集模块2、万用表模块3和控制与通信模块5进行供电。

与现有技术相比较，具有如下优点：

1.本发明的微处理器控制电路51，由于采用单片机511作为主控芯片，实现了信号源、示波器等实验设备的基本功能，解决了因信号源、示波器等实验设备体积大、成本高难于满足高校学生的实验需求的问题。

2.本发明的万用表模块3，由于采用集成多种功能数字万用表集成芯片，故只需要简单的外围测量电路，就可以实现万用表的基本功能。

3.本发明的供电模块4，由于采用USB接口41对便携式实验装置供电，所以该便携式实验装置可以方便的在任何带有USB接口41的场合进行实验。

4.本发明的通信驱动电路52，由于采用USB接口芯片和USB接口41对便携式实验装置进行通信，所以该便携式实验装置可以随时进行热插拔，而且具有高达12Mb/s数据传输速率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明中的信号发生模块电路框图；

图3是本发明中的信号采集模块电路框图；

图4是本发明中的万用表模块电路框图；

图5是本发明中的供电模块电路框图；

图6是本发明中的微处理器控制电路框图；

图7是本发明中的通信驱动电路框图。

具体实施方式

参照图1，本发明包括信号发生模块1、信号采集模块2、万用表模块3、供电模块4和控制与通信模块5。在这五个模块中，以控制与通信模块5作为中心控制模块与其他四个模块相互连接。

所述的控制与通信模块5，包含微处理器控制电路51和通信驱动电路52，该微处理器控制电路51分别与信号发生模块1、信号采集模块2、万用表模块3、供电模块4相连接；该通信驱动电路52分别与微处理器控制电路51、供电模块4相连接。其中：

微处理器控制电路51与信号发生模块1单向连接，用于控制信号发生模块1产生信号的模式、幅度和频率；微处理器控制电路51与信号采集模块2单向连接，用于对信号采集模块2采集到的数据进行存储和处理；微处理器控制电路51与万用表模块3双向连接，用于对万用表模块3采集到的数据进行存储和处理；微处理器控制电路51与供电模块4单向连接，通过供电模块4对该微处理器控制电路51提供直流稳定电压；

通信驱动电路52与微处理器控制电路51双向连接，通过并行数据线将微处理器控制电路51中存储和处理后的数据同步上传到上位机，实现与上位机的双向通信；通信驱动电路52与供电模块4单向连接，通过供电模块4对该通信驱动电路52提供直流稳定电压。

参照图2，所述的信号发生模块1，包含D/A数据转换电路11和第一信号调理电路12，该D/A数据转换电路11分别与中心处理单元CPU和第一信号调理电路12相连接。其中：

D/A数据转换电路11与中心处理单元CPU单向连接，用于将数字信号转换成模拟信号；D/A数据转换电路11与第一信号调理电路12单向连接，用于对转换后的模拟信号进行滤波、直流偏置和程控放大；

第一信号调理电路12包含滤波器、第一直流偏置电路、第一程控放大器和第一跟随器四个部分。该滤波器采用无源电容电感或有源放大器网络搭建，带宽限制在200±20KHz，以实现对D/A转换器输出信号的平滑滤波；该第一直流偏置电路通过运算放大器TL082搭建成相减器，使平滑滤波后信号与参考直流信号相减，以实现滤波后信号的直流偏置；该第一程控放大器通过模拟开关和D/A转换器输出位数的改变，实现对直流偏置后信号幅度的控制；该第一跟随器器通过运算放大器OP07搭建，以实现阻抗匹配。

参照图3，所述的信号采集模块2，包含第二信号调理电路21和A/D数据转换电路22，该A/D数据转换电路22分别与中心处理单元CPU和第二信号调理电路21相连接。其中：

A/D数据转换电路22与第二信号调理电路21单向连接，用于对外部输入模拟信号进行衰减、直流偏置和程控放大；A/D数据转换电路22与中心处理单元CPU单向连接，用于将程控放大后的模拟信号转换成数字信号；

第二信号调理电路21，包括第二跟随器、衰减器、第三跟随器、第二直流偏置电路、第二程控放大器五个部分。该第二跟随器通过运算放大器TL082搭建，以增大输入阻抗；该衰减器通过无源电阻网络搭建，以实现将±12V的电压信号衰减成±1.25V；第三跟随器通过运算放大器TL082搭建，以实现衰减器与直流偏置电路的阻抗匹配；第二直流偏置电路通过运算放大器TL082搭建成相加器，使经过第三跟随器后信号与参考直流信号相加，以实现滤波后信号的直流偏置；第二程控放大部分电路通过程控放大芯片PGA113搭建，以实现对直流偏置后信号幅度的控制。

参照图4，所述的万用表模块3，包含测量芯片的最小系统31和外围测量电路32，该测量芯片的最小系统31分别与微处理器控制电路51和外围测量电路32相连接。其中：

测量芯片的最小系统31与微处理器控制电路51双向连接，以实现微处理器控制电路51对测量芯片的最小系统31采集到的数据进行存储和处理；测量芯片的最小系统31与外围测量电路32双向连接，以实现数据转换、自动量程转换、电池低电压检测以及蜂鸣器的功能。

外围测量电路32包含直流电压/电流与电阻测量电路、交流电压/电流测量电路、二极管电压降测试电路和通断检测电路。该直流电压/电流与电阻测量电路通过比例法测量电阻，以标准电阻压降作为基准电压，将被测电阻上的压降作为输入电压，测量电压时，通过标准电阻分压后，通过测量其电压大小，再乘以相应系数以实现测量电压的目的；该交流电压/电流测量电路通过精密运算放大器LM358搭建，经过同相放大器、半波整流器和RC滤波器，实现交流电压/电流到直流电压/电流的转换；该二极管电压降测试电路通过将被测二极管的电压转化为直流电压，再经过电阻分压进入测量芯片最小系统31；该通断检测电路通过低功耗运算放大器LM234搭建成比较器，通过其同相端和反相端输入电压的比较检测出LED是否发光，蜂鸣器是否发出声音。

参照图5，所述的供电模块4，包含USB接口41，电源保护电路42和电源分配电路43，该电源保护电路42分别与USB接口41和电源分配电路43相连接，该电源分配电路43分别与信号发生模块1、信号采集模块2、万用表模块3和控制与通信模块5相连接。其中：

电源保护电路42与USB接口41单向连接，实现对上位机的保护；电源保护电路42与电源分配电路43单向连接，实现对电源分配电路的保护；该电源分配电路43分别与信号发生模块1、信号采集模块2、万用表模块3和控制与通信模块5单向连接，用于对信号发生模块1、信号采集模块2、万用表模块3以及控制与通信模块5进行供电。

电源保护电路42，包括保险丝421和集成保护芯片422；电源分配电路43包括集成稳压电路431和集成电压反转电路432。该保险丝421采用响应电流为1.25A、尺寸大小为5×20mm的保险丝，对过流进行保护；该集成保护芯片422采用CSD25302Q保护芯片，用于限制反向电流和电压进入USB接口41；该集成稳压电路431通过集成稳压芯片AMS1117产生+3.3V的直流电压信号；该集成电压反转电路432通过集成电压反转芯片ICL7660、TPS2553和TPS61170产生±5V,±12V的直流电压信号。

参照图6，所述的微处理器控制电路51，包括单片机511、时钟电路512和复位电路513，其中单片机511内部集成了八通道12位A/D转换器、双通道12位D/A转换器和三通道存储器直接寻址传输方式。

单片机511分别与时钟电路512和复位电路513相连接。其中：

单片机511与时钟电路512单向连接，通过外部的8MHZ晶振，用于系统的时钟控制；单片机511与复位电路513单向连接，通过高电平复位的工作方式，用于为系统提供复位的功能。

参照图7，所述的通信驱动电路52，包括通信驱动芯片521和外围滤波电路522。其中：

通信驱动芯片521通过PDIUSBD12集成芯片和外围滤波电路522，实现对USB数据传输的控制，该PDIUSBD12集成芯片提供了高达12Mb/s的传输速率，能进行存储器直接寻址，既加大了数据吞吐量，同时也提高了数据传输速度。

本发明的工作原理如下：

本发明结合上位机可以实现信号源、示波器、直流稳压电源以及万用表等仪器的基本功能。其中：

当作为信号源、随机波形生成器等仪器使用时，其工作原理是：上位机控制信号通过USB接口41进入通信驱动电路52，经过通信驱动电路52的驱动后，通过并行数据线进入微处理器控制电路51，经过微处理器控制电路51处理后去控制信号发生模块1产生信号的模式、幅度和频率等功能，用于模拟信号发生器、随机波形生成器和Bode分析仪的输出信号，供待测电路使用。

当作为示波器、动态信号分析器等仪器使用时，其工作原理是：待测电路输出信号经过信号采集模块2的调理和转换后，进入微处理器控制电路51，经过微处理器控制电路51处理后，通过并行数据线进入通信驱动电路52，经过通信驱动电路52驱动后，通过USB接口41进入上位机，通过上位机对软件的配置进行显示。

当作为万用表使用时，其工作原理是：待测信号通过外围测量电路32的转换和驱动后，进入测量芯片最小系统31，经过测量芯片最小系统31的处理后进入微处理器控制电路51，经过微处理器控制电路51存储和处理后，通过并行数据线进入通信驱动电路52，经过通信驱动电路52驱动后，通过USB接口41进入上位机，通过上位机对软件的配置进行显示；

当作为直流稳压电源使用时，其工作原理是：上位机通过USB接口41与本发明的电源保护电路41相连，经过电源保护电路41的保护进入电源分配模块，用于系统内部供电和外部稳压源输出。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能便携式实验装置，其特征在于，包括：

信号发生模块（1），用于产生两路模拟输出信号AO，即第一模拟信号AO1和第二模拟输出信号AO2，以模拟信号发生器、随机波形生成器和Bode分析仪的输出信号；

信号采集模块（2），用于采集两路模拟输入信号AI，即第一模拟输入信号AI1和第二模拟输入信号AI2，以模拟示波器、动态信号分析器和Bode分析仪的输入信号；

万用表模块（3），用于测量交流电压信号、交流电流信号、直流电压信号和直流电流信号，以及测量电阻值，二极管电压降和电路的通断检测；

供电模块（4），用于输出直流稳压电压；

控制与通信模块（5），包含微处理器控制电路（51）和通信驱动电路（52），该微处理器控制电路（51）与信号发生模块（1）单向连接，用于控制信号发生模块（1）产生信号的模式、幅度和频率；该微处理器控制电路（51）与信号采集模块（2）单向连接，用于对信号采集模块（2）采集到的信号进行处理；该微处理器控制电路（51）与万用表模块（3）双向连接，用于对万用表模块（3）采集到的数据进行处理；该通信驱动电路（52）与微处理器控制电路（51）双向连接，实现与上位机双向通信。

2.根据权利要求1所述的多功能便携式实验装置，其特征在于所述的微处理器控制电路（51），包含单片机（511）、时钟电路（512）和复位电路（513），该时钟电路（512）与单片机（511）单向连接，为单片机（511）提供系统时钟；该复位电路（513）与单片机（511）单向连接，实现对单片机（511）系统复位。

3.根据权利要求1或2所述的多功能便携式实验装置，其特征在于所述的信号发生模块（1），包含D/A数据转换电路（11）和第一信号调理电路（12），该D/A数据转换电路（11）通过单片机（511）内部的D/A转换器实现数字信号到模拟信号的转换；该第一信号调理电路（12）用于对转换后的模拟信号进行滤波、直流偏置和程控放大。

4.根据权利要求1或2所述的多功能便携式实验装置，其特征在于所述的信号采集模块（2），包含第二信号调理电路（21）和A/D数据转换电路（22），该第二信号调理电路（21）用于对外部输入模拟信号进行衰减、直流偏置和程控放大；该A/D数据转换电路（22）通过单片机（511）内部的A/D转换器实现对程控放大后的模拟信号到数字信号的转换。

5.根据权利要求1或2所述的多功能便携式实验装置，其特征在于所述的万用表模块（3），包含测量芯片的最小系统（31）和外围测量电路（32），该测量芯片的最小系统（31）分别与单片机（511）和外围测量电路（32）双向连接，用于实现数据转换、自动量程转换、电池低电压检测以及蜂鸣器的功能。

6.根据权利要求1所述的多功能便携式实验装置，其特征在于所述的供电模块（4），包含USB接口（41），电源保护电路（42）和电源分配电路（43），该USB接口（41）分别通过USB连接线和连接线与上位机和电源保护电路（42）单向连接，该电源保护电路（42）通过连接线与电源分配电路（43）单向连接，用于对上位机进行保护，该电源分配电路（43）通过连接线分别与信号发生模块（1）、信号采集模块（2）、万用表模块（3）和控制与通信模块（5）单向连接，用于对信号发生模块（1）、信号采集模块（2）、万用表模块（3）和控制与通信模块（5）进行供电。

7.根据权利要求6所述的多功能便携式实验装置，其特征在于所述的电源保护电路（42），包含保险丝（421）和集成保护芯片（422），该保险丝（421）通过连接线与集成保护芯片（422）单向连接，用于限制进入电源保护电路（42）电流的最大值，该集成保护芯片（422），用于限制反向电流和电压进入USB接口（41）。

8.根据权利要求6所述的多功能便携式实验装置，其特征在于所述的电源分配电路（43），包含集成稳压电路（431）和集成电压反转电路（432），该集成稳压电路（431）用于输出正向的直流稳压信号，该集成电压反转电路（432）用于输出反向的直流电压信号。

9.根据权利要求1或2或6所述的多功能便携式实验装置，其特征在于所述的通信驱动电路（52），包含通信驱动芯片（521）和外围滤波电路（522），该通信驱动芯片（521）分别通过连接线与USB接口（41）和单片机（511）双向连接，用于对USB接口（41）进行驱动。

10.根据权利要求5或7或9所述的多功能便携式实验装置，其特征在于：

所述的测量芯片的最小系统（31）采用数字万用表集成芯片，

所述的集成保护芯片（422）采用绝缘栅场效应管，

所述的通信驱动芯片（521）采用USB接口芯片。

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