CN112447083A - 一种多功能模/数电实验仪 - Google Patents

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洪若昕
李威远
金豫
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Abstract

本发明提出了一种多功能模/数电实验仪测量模块，其由模拟电路模块，数字电路模块，控制器模块和电源模块构成，另有八个探针；所述控制器模块以及所述电源模块集成在一块电路板上，并外接八个测试探针；所述测量模块，控制器模块，模拟电路模块以及数字电路模块由所述电源模块统一供电。

Description

一种多功能模/数电实验仪
技术领域
本发明涉及电子仪器技术领域。具体来说，主要是一种适用于实验教学的新型多功能模/数电实验仪。它能对当前实验进度进行远程监控、对实验器材故障进行实时分析以及促进学生实验技能的提升。
背景技术
在电子信息类专业实验中，模拟电路实验与数字电路实验是最为基础的入门实验，目前实验室常配备的电子仪器有万用表、示波器、电源等，学生需要使用这些器材来完成基本的硬件调试工作。
但是，对于初次接触专业实验的学生来说，在实际实验过程中，由于其调试经验不足，许多学生面对实验中出现的问题往往不知从何下手，不清楚如何用万用表，示波器等专业仪器查找故障点，导致实验进度停滞不前，常需要在老师以及助教的帮助下才能找出问题，顺利完成实验。在这个过程中，因为学生数量众多，出问题的方式千奇百怪，老师以及助教查找问题的工作量会十分巨大，而学生则无法收获自主调试成功的成就感以及提高自身专业技能的收获感，所以学生常把专业实验称为“魔鬼电子实验”。在这种状况下，常有学生知难而退，丧失专业兴趣。
因此，设计一款针对初次接触专业实验的学生的特点的模/数电实验仪十分必要，这款多功能模/数电实验仪通过模块化的设计，软硬件的相互配合，能帮助同学们提高调试效率以及调试能力，让学生告别“魔鬼电子实验”，同时，减轻老师和助教的工作量。
发明内容
本发明由测量模块，模拟电路模块，数字电路模块，控制器模块和电源模块构成，另有八个探针。本发明将控制器模块以及电源模块集成在一块电路板上，并外接八个测试探针。
本发明的优越性在于可根据所得数据为学生分析可能出现的问题，如某支路短路，某支路断路，电源错误等问题，帮助学生进行初步排查，提高其调试的效率，减轻老师的工作量。模/数电实验仪也会把每次测量得到的数据上传至云端，形成样本库并不断扩大样本库，当样本数足够多的时候，就可以更为精确的统计各种错误的概率，提高判断的准确性。将数据上传到云端摆脱了单片机计算能力的局限性，同时，老师可以远程从云端获取数据，监控学生实验进度。综上，本发明具有易教易学，功能强大实用的特点。
本发明的具体实现方案是：
所述测量模块，控制器模块，模拟电路模块以及数字电路模块由电源模块统一供电；所述测量模块可分别与模拟电路模块和数字电路模块以探针连接，探针可在模拟电路模块和数字电路模块上的多个区域灵活选择接入位置。
所述测量模块上设有供电端口，电源指示灯，USB接口，八个滤波电路。
所述模拟电路模块设有三端稳压器实验电路，集成运算放大器实验电路，二阶低通滤波器实验电路，方波和三角波发生器实验电路，OCL音频功率放大器实验电路，简易电子琴设计实验电路，每块电路对应有多个插孔用于连接测量模块。
所述数字电路模块上设有编码器电路，存储器电路，显示电路，波形发生器电路，比较器电路，加法器电路，计数器电路，数据选择器电路以及译码器电路，每款电路对应有多个插孔用于连接测量模块。
所述控制器模块以ARM微控制器、触摸屏等构成，该微控制器具有体积小、低功耗、低成本、高性能的特点。
使用者可根据当前正在进行的实验选择测试方案，然后根据指示将测试探针放在指定节点上。试验仪有交流和直流模式供学生选择。在交流模式下，将在屏幕上显示指定节点的波形；在直流模式下，则显示当前节点的电压值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为测量模块结构示意图。
图3为模拟电路模块结构示意图。
图4为数字电路模块结构示意图。
图5为实施例1中反向放大电路电路图。
图6为实施例2中组合逻辑电路电路图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，没有特别限制内容。
参阅附图1，本发明的控制器模块1与测量模块2直接相连，控制器模块1，测量模块2，模拟电路模块4，数字电路模块5均由电源模块6进行统一供电。模拟电路模块4与数字电路模块5分别由探针3与测量模块2相连。具体连接方式依照实验内容决定。
参阅附图2，在采样之前，为防止采样信号发生混叠，从而影响数据的准确性，导致判断错误，故在采样之前，需经过滤波器7，8，9，10，11，12，13，14进行预滤波，再将信号送进ADC的八个通道，分别是15，16，17，18，19，20，21，22，将从模拟电路模块4或数字电路模块5采集的模拟信号转换为数字信号。
参阅附图3，模拟电路板上包含三端稳压器实验电路23，集成运算放大器实验电路24，二阶低通滤波器实验电路25，方波和三角波发生器实验电路26，OCL音频功率放大器实验电路27，简易电子琴设计实验电路28以及供电电路29，每部分电路有对应多个插孔用于连接测量模块。
参阅附图4，数字电路板上包含编码器电路30，存储器电路31，显示电路32，波形发生器电路33，比较器电路34，加法器电路35，计数器电路36，数据选择器电路37以及译码器电路38。每部分电路对应有多个插孔用于连接测量模块。
本实验仪的工作机制是这样的：本实验仪是针对模/数电基础实验而设计的仪器。首先，学生需根据实验内容和实验原理图自主焊接电路，焊接完成后，将各模块与供电模块连接，根据触摸屏上的提示语选择相应的实验，选择实验后，触摸屏上会提示当前实验所需连接的线路，根据提示用探针连接模/数电电路板与测量模块，控制器模块根据此时各个节点的电压值，判断结果是否正确。若不正确，学生可选择查看调试意见，并根据给出的调试意见进行初步电路排查。
多功能模/数电实验仪实施实例1：
以模拟电路实验中的反向放大电路为例，该电路的原理图参阅附图5。该电路的VCC为5V供电，放大器的正向端B通过电阻分压，提供偏置电压。反向端C由一个可调直流电源作为输入信号，若该电路正常工作，F点的电压应满足一下关系式：
Figure BDA0002180717590000041
按照A-15,B-16,C-17,D-18,E-19,F-20的顺序连接附图2的测量模块和附图5的电路部分，若检测到的各节点电压值满足以上关系式，则判断该实验结果正确；若A点电压不为5V，则判断电源未接，或与电源连接的管教焊接不牢靠；若B点电压为0V，则判断可能为R4断路，若B点电压为5V，则可能出现的错误是R4短路；若输出电压F的值与输入电压不满足以上比例关系，则建议建议使用者检查R1,R3的阻值是否焊错；若无供电异常，无输入异常，则建议排查芯片本身的错误，可尝试换一颗芯片。最后，多功能模/数电实验仪会将数据结果上传至云端数据库。
多功能模/数电实验仪实施实例2：
以数字电路实验中的基础实验——组合逻辑电路实验为例。假设有某路口有红黄绿三色灯，若出现红灯亮(其他灯灭)，绿灯亮(其他灯灭)，绿灯与黄灯同时亮(其他灯灭)之外的情况，则视为故障，需发送故障报警信号，提醒维修人员前来维修，排除故障。
用符号R,Y,G表示红黄绿三色灯，1表示亮，0表示灭，用符号F表示是否故障，1表示故障，0表示无故障。真值表如表所示：
表1实例2真值表
Figure BDA0002180717590000042
将以上真值表经过卡诺图化简，可得最后的F的最简与或式：
Figure BDA0002180717590000043
其电路图如附图6所示。
首先，将探针按照R-1,G-2,Y-3,F-4的方式连接附图2的测量模块与附图6的数字电路，改变R,G,Y的输入值，若F的输出满足上述逻辑，则判断该实验电路工作正常。若不满足上述逻辑，将探针按照R-1,G-2,Y-3,A-4,B-5,C-6,D-7,E-8的方式连接测量模块与数字电路。按照从左到右的顺序，根据逻辑关系判断是该电路中的哪个部分出了问题。如：若A点信号与输入信号R不是反向关系，则说明u1不正常工作，可能的原因有供电不正常，芯片管脚焊接不牢靠等，学生可通过实验仪给出的调试意见快速找到问题所在。
本发明的保护内容不局限于以上实施实例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (7)

1.一种多功能模/数电实验仪，其特征在于，其由模拟电路模块，数字电路模块，控制器模块和电源模块构成，另有八个探针。
2.如权利要求1所述的多功能模/数电实验仪，其特征在于，所述控制器模块以及所述电源模块集成在一块电路板上，并外接八个测试探针。
3.如权利要求1所述的多功能模/数电实验仪，其特征在于，所述测量模块，控制器模块，模拟电路模块以及数字电路模块由所述电源模块统一供电；所述测量模块可分别与所述模拟电路模块和所述数字电路模块以探针连接，所述探针可在模拟电路模块和数字电路模块上的多个区域灵活选择接入位置。
4.如权利要求1所述的多功能模/数电实验仪，其特征在于，所述测量模块上设有供电端口，电源指示灯，USB接口，八个滤波电路。
5.如权利要求1所述的多功能模/数电实验仪，其特征在于，所述模拟电路模块设有三端稳压器实验电路，集成运算放大器实验电路，二阶低通滤波器实验电路，方波和三角波发生器实验电路，OCL音频功率放大器实验电路，简易电子琴设计实验电路，每块电路对应有多个插孔用于连接测量模块。
6.如权利要求1所述的多功能模/数电实验仪，其特征在于，所述数字电路模块上设有编码器电路，存储器电路，显示电路，波形发生器电路，比较器电路，加法器电路，计数器电路，数据选择器电路以及译码器电路，每款电路对应有多个插孔用于连接测量模块。
7.如权利要求1所述的多功能模/数电实验仪，其特征在于，所述控制器模块以ARM微控制器、触摸屏构成。
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