CN107945634A - 积木式模拟电路实验装置 - Google Patents

Abstract

积木式模拟电路实验装置，包括至少一个具有一种模拟电路的基本功能模块和基本功能扩展模块，以及信号多通模块。各基本功能模块、基本功能扩展模块和信号多通模块都采用统一的输入输出插口，可以很方便的按照设计意图将各种模块依次插接串联在一起，或利用信号多通模块与相关模块构成串并联相结合的各种模拟信号处理电路。需要修改设计时，只需将涉及的模块插接串入或者移出电路即可，不需要焊接。可用于开展演示性实验和设计性实验，给电子、电气类学生所必修的模拟电子实验课程，以及科研实验、仪器设计等提供了一种新型工具。结构简单、使用连接灵活方便、可靠性高、性能稳定、便于组成各种不同复杂功能的模拟信号处理电路、应用范围广。

Description

积木式模拟电路实验装置

技术领域

本发明涉及应用于教学和科研的模拟电子实验设备的改进，具体说是一种积木式模拟电路实验装置，属电子技术领域。

背景技术

模拟电子实验是电子、电气类学生所必修的课程，也是科研实验、仪器设计时很重要的设计内容。目前的模拟电子实验，常见的实验设备和方式有：电子学综合实验台、电子实验箱、面包板和洞洞板。采用电子实验箱和电子综合实验台进行实验时，都是把各种模块固定在箱体内部，在外部面板上画出原理图，预留插线孔，实验时用导线连接各个模块，实现一定的功能，这种实验可以直观的观察到原理图，接插比较方便，但实验项目比较固定，可开发性差，而且导线较长、容易引入干扰、容易出错、性能较差。采用面包板进行实验时，需要把直插封装的电子元件接插在面包板上，并用导线进行插接构建各种电路，虽然能够灵活设计实验，但可靠性较差，电路复杂时容易插错，而且不容易排查错误。采用洞洞板进行实验时，虽然是采用焊接方式，可靠性可以得到保证，但是飞线较多，不容易排查错误。发现有一些关于模块化积木式微型电子电路实验装置的报道，但大都仍然存在着结构比较复杂、可靠性差、难于组成复杂功能的电路等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提供一种结构简单、电路连接灵活方便、可靠性高、性能好、便于组成复杂功能电路的积木式模拟电路实验装置。

实现本发明目的的技术方案是：这种积木式模拟电路实验装置，包括至少一个基本功能模块和至少一个信号多通模块。

基本功能模块，由具有一种模拟电路的电路板构成，在电路板一端设有与模拟电路输入端电连接的输入插口，在电路板另一端设有与模拟电路输出端电连接的输出插口，输入插口和输出插口是相同方向设置的相互匹配、相同结构、相同规格、相同芯数和相同线序的对偶接插件。

信号多通模块，由电路板构成，在电路板的一端设有输入插口，在电路板的其它端分别设有输出插口，输入插口和输出插口经电路板上的线路同芯同线序电连接，输入插口和输出插口是与基本功能模块相同方向设置的相互匹配、相同结构、相同规格、相同芯数和相同线序的对偶接插件。

所述的基本功能模块电路板上的模拟电路，是由包括电阻、电容、运放芯片等电子电路元器件组成的可以单独实现某种基本信号处理功能的模拟电路，其输入插口和输出插口的接口管脚采用统一的线序电连接。

所述的基本功能模块电路板上输入插口和输出插口的接口管脚，包括可以与模拟电路相互电连接的正电源管脚、地线管脚、信号输入管脚、信号输出管脚、负电源管脚或参考电平管脚。

所述的基本功能模块电路板上的模拟电路，包括前置仪表放大电路、电流与电压转换电路、低通滤波电路、高通滤波电路、全波整流电路、包络检波电路、反相加法电路、同相加法电路、减法电路、程控增益放大电路、压控增益放大电路、光电模拟隔离电路、比较器电路、滞回比较器电路、正弦波发生器电路、方波三角波发生器电路、锯齿波发生器电路、电压与频率变换电路、电压与电流变换电路、电平抬升电路、参考电平发生器电路。

本发明结构简单，可以根据教学和科研的内容和目的，选用印刷电路板、模拟电路模块、对偶接插件等原材料及通用电子元器件，采用常规的焊接工艺加工制作出具有多种模拟电路的基本功能模块，以及信号多通模块，容易实施。

在教学和科研过程中使用时，可以按照设计意图将不同的基本功能模块，像积木一样以任意顺序依次首尾之间相互串接在一起，组成不同的模拟信号处理电路，从而实现多种不同的功能。还可以根据需要利用信号多通模块，按照电路设计意图，将一个基本功能模块的输出信号分配到多个基本功能模块的输入插口中，实现基本功能模块中模拟电路的并联连接，从而组合出更多具有不同功能的模拟信号处理电路。

为了提高基本功能模块中模拟电路的灵活性，还可以根据教学和科研的需要在电路板的模拟电路中增加设置若干个输入信号接头或输出信号接头，形成基本功能扩展模块。基本功能扩展模块由与基本功能模块相同的具有一种模拟电路的电路板构成，在电路板的两端分别设有与基本功能模块相同的输入插口和输出插口，并采用与基本功能模块相同方向设置的相互匹配、相同结构、相同规格、相同芯数和相同线序的对偶接插件，在电路板的模拟电路中设有至少一个输入信号接插件或输出信号接插件，使用时可利用杜邦线与其它基本功能扩展模块上的输入信号接插件或输出信号接插件实现模块之间的快速连接，也可利用杜邦线将输入信号或输出信号与其它仪器仪表等设备快速连接，进一步提高组合不同功能模拟信号处理电路的灵活性，扩展了教学和科研实验的范围。

与现有技术相比本发明的优点在于：各种基本功能模块、基本功能扩展模块和信号多通模块都采用统一的输入输出插口，可以很方便的按照设计意图、将基本功能模块、基本功能扩展模块依次插接串联在一起，或利用信号多通模块与相关基本功能模块、基本功能扩展模块构成串并联相结合的各种模拟信号处理电路。当需要修改设计时，只要将需要修改的基本功能模块或基本功能扩展模块插接串入或者移出模拟信号处理电路中即可，而且插接串入或移出的过程中只需要利用对偶接插件的插接和拔出即可完成，不需要焊接，因此可以很方便对组成的模拟信号处理电路进行修改和重新设计。如果需要调节某个模拟信号处理电路的功能参数时，无需改变模拟信号处理电路的整体连接，只需要将所涉及的基本功能模块或基本功能扩展模块拔出，对模拟电路中的电阻、电容、运放芯片等元器件进行调节更换，调节完毕后将拔出的模块重新插接在模拟信号处理电路中即可。

各种基本功能模块、基本功能扩展模块和信号多通模块都采用统一的对偶接插件，保证在插接过程中不容易出错。每个基本功能模块、基本功能扩展模块的内部电路都采用固定的经典电路，并且固定焊接在电路板上不存在飞线，设计过程中已经考虑了电源退耦等问题，组装过程中也不需要飞线，不存在插接不牢靠、飞线很乱、不容易排查错误等问题，保证了组装后整体模拟信号处理电路的可靠性。

各基本功能模块、基本功能扩展模块和信号多通模块都可以在一次实验结束后拆解下来备用，在以后的实验中根据需要重新使用，既节约大量的实验元器件，简化模拟电子实验的实验过程，提高实验效率，降低了工作成本和时间成本，又有利于扩展使用者的视野，进行多种模拟信号处理电路的开发和设计，应用范围广。

本发明设计合理、使用便捷，可以选用已有的基本功能模块、信号多通模块以及基本功能扩展模块自由拼接出不同的模拟信号处理电路，用于开展演示性实验和设计性实验，给电子、电气类学生所必修的模拟电子实验课程，以及科研实验、仪器设计等工作，提供了一种新型的工具。具有结构简单、连接灵活方便、可靠性高、性能好、便于组成各种不同复杂功能的模拟信号处理电路、应用范围广等优点。

附图说明

图1是本发明一种实施例基本功能模块的结构示意图。

图2是本发明一种实施例信号多通模块的结构示意图。

图3是本发明一种实施例基本功能扩展模块的结构示意图。

图4是基本功能模块的电路示意图。

图5是信号多通模块的电路示意图。

图6是基本功能扩展模块的电路示意图。

图7是各种模块之间相互组合时的连接状态示意图。

图8是“日光灯频闪信号检测实验”实验系统的原理框图。

图9是“日光灯频闪信号检测实验”实验系统各模块之间相互组合的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和给出的实施例对本发明作进一步描述。

这种积木式模拟电路实验装置，由若干个基本功能模块1、若干个信号多通模块2和若干个基本功能扩展模块3组成。

基本功能模块参照附图1，由具有一种模拟电路4的电路板5构成，在电路板一端设有与模拟电路输入端电连接的输入插口1.1，在电路板另一端设有与模拟电路输出端电连接的输出插口1.2，输入插口和输出插口是相同方向设置的相互匹配、相同结构、相同规格、相同芯数和相同线序的对偶接插件。

信号多通模块参照附图2，由电路板5构成，在电路板的一端设有输入插口2.1，在电路板的另三端分别设有输出插口2.2，输入插口和输出插口经电路板上的线路同芯同线序电连接（为图面清晰，图中只画出一个线序的连线），输入插口和输出插口是与基本功能模块相同方向设置的相互匹配、相同结构、相同规格、相同芯数和相同线序的对偶接插件。

基本功能扩展模块参照附图3，由与基本功能模块相同的具有一种模拟电路4的电路板5构成，在电路板的两端分别设有与基本功能模块相同的输入插口3.1和输出插口3.2，并采用与基本功能模块相同方向设置的相互匹配、相同结构、相同规格、相同芯数和相同线序的对偶接插件，在电路板的模拟电路4中设有2个输入信号接插件或输出信号接插件3.3。

本发明申请人按上述实施例实施一套用于“模拟电子技术”教学和实验的积木式模拟电路实验装置。

这套积木式模拟电路实验装置，由至少20个基本功能模块、5个信号多通模块和6个基本功能扩展模块组成。

基本功能模块1的结构如图1所示，这里的输入插口采用四排针连接器的插头1.1，输出插口采用与其相互匹配、相同结构、相同规格、相同芯数和相同线序的四排针连接器的插座1.2。并且所有基本功能模块的输入插口和输出插口均按上述相同的方向设置。

基本功能模块电路板上输入插口和输出插口的四排针连接器的接口管脚，包括可以与模拟电路相互电连接的正电源管脚、地线管脚、信号输入管脚、信号输出管脚、负电源管脚或参考电平管脚等。基本功能模块电路板上的模拟电路，由电阻、电容、运放芯片等电子电路元器件组成，可以单独实现一种基本信号处理功能。电路板上的模拟电路包括前置仪表放大电路、电流与电压转换电路、低通滤波电路、高通滤波电路、全波整流电路、包络检波电路、反相加法电路、同相加法电路、减法电路、程控增益放大电路、压控增益放大电路、光电模拟隔离电路、比较器电路、滞回比较器电路、正弦波发生器电路、方波三角波发生器电路、锯齿波发生器电路、电压与频率变换电路、电压与电流变换电路、电平抬升电路、参考电平发生器电路等。

附图4给出一个具有“高通滤波电路”的基本功能模块的电路示意图。其中：V+为正电源插口，GND为地线插口，V-为负电源插口，In为信号输入插口，Out为信号输出插口。该模拟电路中，电阻R1和R2用于确定电路的放大倍数，电阻R3、R4和电容C1、C2用于确定电路的截至频率，所有的电阻电容均可根据需要进行替换，另外运放U1也可以根据需要替换不同性能的芯片。所有基本功能模块上模拟电路的输入插口和输出插口均按上述相同线序设置，模块中的元器件也都可根据需要进行替换，其它各种基本功能模块上的模拟电路不一一绘制。

信号多通模块2的结构如图2所示，在电路板的一端设有输入插口，输入插口采用与基本功能模块相同的四排针连接器的插头2.1，在电路板的另三端分别设有三个输出插口，输出插口同样采用与基本功能模块相同的四排针连接器的插座2.2，且输入插口和输出插口经电路板上的线路同芯同线序电连接。

附图5给出一个与基本功能模块配合使用的信号多通模块的电路示意图。其中：与基本功能模块相同线序设置有V+正电源插口，GND地线插口，V-负电源插口，In信号输入插口，Out信号输出插口，且输入插口和输出插口经电路板上的连线同芯同线序电连接，为图面清晰，图中只画出In信号输入插口和另外三个Out信号输出插口一个线序的连线。

基本功能扩展模块的结构如图3所示，其结构与基本功能模块相同，输入插口采用与基本功能模块相同的四排针连接器的插头3.1，输出插口同样采用与基本功能模块相同的四排针连接器的插座3.2，不同的是在电路板的模拟电路4中设有2个输出信号的插针3.3。

附图6给出一个与基本功能模块配合使用的“电流/电压转换电路”的基本功能扩展模块的电路示意图。其中：与基本功能模块相同线序设置有V+正电源插口，GND地线插口，V-负电源插口，In1信号输入插口，Out信号输出插口，不同的是在电路板的模拟电路中还设有2个信号输入插针In2和GND，可以在使用过程中与传感器的输出端电连接。所有基本功能扩展模块上模拟电路的输入插口和输出插口均按上述相同线序设置，模块中的元器件也都可根据需要进行替换，其它各种基本功能扩展模块上的模拟电路不一一绘制。

本实施例中，所有基本功能模块、基本功能扩展模块和信号多通模块均采用16×25毫米的电路板制作，并配有相同结构的四排针连接器的插头和插座，体积小、重量轻，使用非常灵活方便。

使用过程中可以将不同基本功能模块、信号多通模块和基本功能扩展模块像积木一样，按照一定顺序依次首尾之间相互串接、并接等连接，组成实现某种设计功能的模拟信号处理电路，必要时还可以利用基本功能扩展模块上的输入信号插针或输出信号插针扩展组成模拟信号处理电路的功能。各种模块之间相互插接，组成模拟信号处理电路的连接状态如附图7所示。

试验例：利用本发明实施例的积木式模拟电路实验装置，作“日光灯频闪信号的检测实验”。

实验目的：使用传感器获取日光灯发出的光线中的闪烁信号，使用滤波电路分离不同频率范围的分量，评估日光灯发出光的闪烁程度。

实验电路设计：在实验之前，我们不知道日光灯发出的光中包含的闪烁的频率成分，不能确定电路结构，也不能确定具体的电路是否可以达到需要的功能。于是我们设想：用硅光电池采集日光灯的光信号，硅光电池输出的电流信号经电流/电压转换电路转换成电压信号。之后将电压信号分为三条通路：第一条通路提取直流分量；第二条通路提取工频信号，经高通滤波电路滤除直流分量，再经低通滤波电路滤除高频分量，所得信号再分为两路，分别经包络检波电路和滞回比较器电路得低频幅值分量和低频脉冲信号；第三条通路提取高频信号，经高通滤波电路滤除高频分量，所得信号再分为两路，分别经包络检波电路和滞回比较器电路得高频幅值分量和高频脉冲信号。然后将得到的直流、低频和高频幅值分量信号分别送单片机，把低频脉冲和高频脉冲信号送单片机用于测量频率，从而对日光灯发出光的频闪程度进行分析评估。在此基础上选用1个电流/电压转换电路的基本功能扩展模块，2个低通滤波电路、2个高通滤波电路、以及2个包络检波电路、2个滞回比较器电路等8个基本功能模块，以及3个信号多通模块，将这些模块经简单的插接操作，组成实验电路从而确定附图8所示的实验系统原理框图。

实验结果：经试验确定实验系统各模块的具体电路参数，各模块之间相互组合的电路如附图9所示：首先用光电传感器硅光电池采集日光灯的光信号，硅光电池输出的电流信号经“电流/电压转换电路”转换成电压信号。之后，经信号多通模块将电压信号分为三条通路：第一条通路提取直流分量，经“低通滤波电路”，得到信号里的直流分量。“低通滤波电路”中截至频率根据需要确定，本次实验我们将其设置为16Hz，再根据确定好的16Hz的截至频率计算出电路中所用电阻和电容的值；第二条通路提取工频信号（主要为50Hz信号），首先经“16Hz高通滤波电路”滤除直流分量，再经“1.6kHz低通滤波电路”滤除高频分量，所得信号经信号多通模块再分为两路，分别经“包络检波电路”和“滞回比较器电路”得低频幅值分量和低频脉冲信号；第三条通路提取高频信号，首先经“高通滤波电路”滤除高频分量。“高通滤波电路”的截至频率的确定与“低通滤波电路”方法相同，本次实验我们将其设定为1.6kHz，经过“1.6kHz高通滤波电路”所得信号经信号多通模块再分为两路，分别经“包络检波电路”和“滞回比较器电路”得高频幅值分量和高频脉冲信号。之后将得到的直流、低频和高频幅值分量信号分别送单片机A/D ，把低频脉冲和高频脉冲信号送单片机、用于测量频率，从而完成对日光灯发出光的频闪程度的分析和评估。

结论：经过上述实验验证，在教学和科研过程中使用本发明，可以按照设计意图直接将选用的基本功能模块、基本功能扩展模块，再配合适当的信号多通模块，像积木一样按一定顺序依次连接在一起，几分钟时间即可轻松完成模拟信号处理电路的组合，并且现场就可以直接验证设计思路是否正确，从而大大节约设计的时间。电路连接灵活方便、耗时短，可靠性高、性能稳定，使用过程中调节方便，需要调节元件参数只需将某个模块拆分下来即可，无需改变其它模块的连接。与现有方法对比，如果根据经验，采用现有传统的实验设备和设计方法的话，可能至少需要两周左右的时间才能完成直接设计电路、绘制电路图、制作PCB、再焊接调试等过程，如果设计的电路有考虑不周的地方，需要重复上述这些工作，那就需要更多的时间。

综上所述，本发明与现有技术相比，结构简单成本低，容易实施，使用连接灵活方便，可靠性高，性能稳定，便于组成各种不同复杂功能的模拟信号处理电路，极大的提高了实验和工作效率，可长期保存重复使用，不易被损坏，使用安全可靠，给教学和科研的模拟电子实验设备带来显著的创新，极具实用和推广价值。

Claims (5)

1.一种积木式模拟电路实验装置，其特征在于：包括至少一个基本功能模块和至少一个信号多通模块；基本功能模块，由具有一种模拟电路的电路板构成，在电路板一端设有与模拟电路输入端电连接的输入插口，在电路板另一端设有与模拟电路输出端电连接的输出插口，输入插口和输出插口是相同方向设置的相互匹配、相同结构、相同规格、相同芯数和相同线序的对偶接插件；信号多通模块，由电路板构成，在电路板的一端设有输入插口，在电路板的其它端分别设有输出插口，输入插口和输出插口经电路板上的线路同芯同线序电连接，输入插口和输出插口是与基本功能模块相同方向设置的相互匹配、相同结构、相同规格、相同芯数和相同线序的对偶接插件。

2.根据权利要求1所述的积木式模拟电路实验装置，其特征在于：基本功能模块电路板上的模拟电路，是由包括电阻、电容、运放芯片等电子电路元器件组成的可以单独实现某种基本信号处理功能的模拟电路，其输入插口和输出插口的接口管脚采用统一的线序电连接。

3.根据权利要求1所述的积木式模拟电路实验装置，其特征在于：基本功能模块电路板上输入插口和输出插口的接口管脚，包括可以与模拟电路相互电连接的正电源管脚、地线管脚、信号输入管脚、信号输出管脚、负电源管脚或参考电平管脚。

4.根据权利要求1所述的积木式模拟电路实验装置，其特征在于：基本功能模块电路板上的模拟电路，包括前置仪表放大电路、电流与电压转换电路、低通滤波电路、高通滤波电路、全波整流电路、包络检波电路、反相加法电路、同相加法电路、减法电路、程控增益放大电路、压控增益放大电路、光电模拟隔离电路、比较器电路、滞回比较器电路、正弦波发生器电路、方波三角波发生器电路、锯齿波发生器电路、电压与频率变换电路、电压与电流变换电路、电平抬升电路、参考电平发生器电路。

5.根据权利要求1所述的积木式模拟电路实验装置，其特征在于：还可以包括基本功能扩展模块，基本功能扩展模块由与基本功能模块相同的具有一种模拟电路的电路板构成，在电路板的两端分别设有与基本功能模块相同的输入插口和输出插口，并采用与基本功能模块相同方向设置的相互匹配、相同结构、相同规格、相同芯数和相同线序的对偶接插件，在电路板的模拟电路中设有至少一个输入信号接插件或输出信号接插件。