CN114267228B - 用于电子实验箱的模拟电路、检测电路及电路检查方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电子实验箱的模拟电路、检测电路及电路检查方法，其中模拟电路包括输入单元、输出单元、以及位于输入单元与输出单元之间的两运算放大器U1、U2、若干数字电位计及第一电容C1，本发明可以通过选择不同的输入端以及不同的电器元件从而搭建出目标环节的模拟电路进行实验，减少用户的接线动作，减少由于接线错误或元件错误导致实验结果不符合的情况发生；此外本发明的检测电路和电路检查方法能够进一步确保模拟电路的正确搭建。

Description

用于电子实验箱的模拟电路、检测电路及电路检查方法

技术领域

本发明涉及教学实验技术领域，特别涉及一种用于电子实验箱的模拟电路、一种用于电子实验箱的检测电路以及用于电子实验箱的模拟电路检查方法。

背景技术

自动控制原理是自动化类专业一门重要的基础课程。这门课程的特定数学计算和理论分析多。一个真实的自动控制系统用数学抽象为传输函数，这个传输函数通常由多个典型环节组成。不同类型和数量的典型环节用不同的方式连接起来，就构成了形形色色的自动控制系统。

单纯通过数学计算绘图进行学习，比较抽象，难以理解。为了提升学习效果，教学时通常会利用电子电路模拟自动控制系统的传输函数。学生搭建模拟电路，用信号发生器产生输入信号，用示波器查看输出信号，就能直观看到控制系统的输入关系。通过调节电路参数，就能深入体会了解控制参数会系统性能和稳定性的影响。

传统的电子实验箱都需要学生们根据目标环节进行元器件选择并通过插线进行连接，实现目标环节的模拟电路搭建，但对于自控专业学习自控原理的学生，就显得重点不突出。他们要学的控制系统的组成和关系，而不是实现控制系统的电路。从每个元器件开始搭建电路，浪费了学生的时间。而且一旦出错，调试和排错更是令很多学生为难。

发明内容

本发明的目的是：提供一种解决现有需要自主选择及逐一插线连接实验箱容易出现由于硬件问题导致电路出错问题的用于电子实验箱的模拟电路；本发明的另一目的是提供一种检测模拟电路的参数调试的用于电子实验箱的检测电路；本发明的再一目的是提供一种用于检测模拟电路的元件及参数选择是否正确的用于电子实验箱的模拟电路检查方法

本发明的技术解决方案是：一种用于电子实验箱的模拟电路，其特殊之处在于，包括：

输入单元，具有第一输入端IN1与第二输入端IN2；

输出单元，具有第一输出端OUT1与第二输出端OUT2；

位于输入单元与输出单元之间的两运算放大器U1、U2、若干数字电位计及第一电容C1；

所述第一输入端IN1与第一输出端OUT1之间通过线缆连接；

第一运算放大器U1的负输入端与数字电位计R1串联后与第一输入端IN1连接，所述第一运算放大器U1的正输入端与数字电位计R3串联后接地，所述第一运算放大器U1的输出端与第二输出端OUT2连接，所述第一运算放大器U1的负输入端与输出端之间还并联有数字电位计R2；

第二运算放大器U2的负输入端与数字电位计R4串联后与第二输入端IN2连接，所述第二运算放大器U2的正输入端与数字电位计R5串联后接地，所述第二运算放大器U2的输出端与第一输出端OUT1连接，所述第二运算放大器U2的负输出端与输出端之间还并联有数字电位计R6、R7及第一电容C1，所述数字电位计R6与所述第一电容C1并联后与所述数字电位计R7串联。

作为优选：位于第二输入端IN2与数字电位计R4之间还并联微分电路，所述微分电路包括并联设置的数字电位计R8、第一二极管D1及第二电容C2。

作为优选：位于微分电路与数字电位计R4之间还连接有第一接地线，所述接地线上还设有第二二极管D2。

作为优选：位于数字电位计R4与第二运算放大器U2之间还连接有第二接地线，所述第二接地线上设有数字电位计R9。

作为优选：所述第二运算放大器U2的负输入端与数字电位计R10串联后与第一输入端IN1连接，所述第二运算放大器U2的正输入端与第一输出端OUT1之间还并联有数字电位计R11，所述数字电位计R5与地之间还设有数字电位计R12，位于数字电位计R5与数字电位计R12之间还设有与第一输出端OUT1连接的支线，所述支线上还设有数字电位计R13。

作为优选：第一电容C1与第二电容C2分别包括若干并联的电容，并分别通过拨片开关进行选择。

本发明的另一技术解决方案是：一种用于电子实验箱的检测电路，其特殊之处在于，包括微处理器、权1-权6所述的若干数字电位计、权6所述的两拨片开关，上位机，所述若干数字电位计并联后通过I2C总线与所述微处理器串联，两拨片开关并联后与微处理器串联，所述微处理器通过USB线缆与所述上位机连接。

本发明的再一技术解决方案是：一种用于电子实验箱的模拟电路检查方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

⑴用户在上位机软件中选择待进行试验；

⑵用户根据上位机软件中显示的电路图，完成模拟电路的元器件选择，并依据上位机软件的预设数据进行参数修改；

⑶所述上位机软件将元器件的选择及预设参数发送至微处理器；

⑷微处理器通过I2C总线和GPIO配置数字电位计和开关，使实际电路与用户设置相同。

⑸用户顺次选择全部器件并修改参数后，启动电路；

⑹上位机将用户配置好的电路与实验所要求的电路进行对比，若元器件选择或参数与预设数据不匹配，则显示报错信号；若元器件选择或参数与预设数据匹配，则进入下一步；

⑺用户在电路上施加测试输入信号，并用示波器查看电路输出信号，记录试验参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明将自控专利的自控原理中的常见环节的模拟电路集成在电子实验箱内，利用数字电位计代替常规的电阻，因此可以通过调节数字电位计的参数从而得到目标环节的模拟电路，模拟电路的搭建环节仅需要选择输入单元与输出单元的接线，无需插接额外的连接线，模拟电路整体搭建简洁，同时辅以检测电路及电路检查方法能够进一步确保选用的元件与参数的正确，减少出错的机会，减少出错后的调试及排错的耗时。

附图说明

图1是本发明的模拟电路的电路原理图；

图2是模拟电路调节为比例环节的电路原理图；

图3是模拟电路调节为惯性环节的电路原理图；

图4是模拟电路调节为积分环节的电路原理图；

图5是模拟电路调节为比例积分环节的电路原理图；

图6是模拟电路调节为微分环节的电路原理图；

图7是模拟电路调节为比例微分环节的电路原理图；

图8是模拟电路调节为死去非线性环节的电路原理图；

图9是模拟电路调节为饱和非线性环节的电路原理图；

图10是模拟电路调节为滞环非线性环节的电路原理图；

图11是检测电路的电路原理图。

具体实施方式

本发明下面将结合附图作进一步详述：

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

请参阅图1所示，一种用于电子实验箱的模拟电路，其特征在于，包括：

输入单元，具有第一输入端IN1与第二输入端IN2；

输出单元，具有第一输出端OUT1与第二输出端OUT2；

位于输入单元与输出单元之间的两运算放大器U1、U2、若干数字电位计及第一电容C1；

所述第一输入端IN1与第一输出端OUT1之间通过线缆连接；

第一运算放大器U1的负输入端与数字电位计R1串联后与第一输入端IN1连接，所述第一运算放大器U1的正输入端与数字电位计R3串联后接地，所述第一运算放大器U1的输出端与第二输出端OUT2连接，所述第一运算放大器U1的负输入端与输出端之间还并联有数字电位计R2；

第二运算放大器U2的负输入端与数字电位计R4串联后与第二输入端IN2连接，所述第二运算放大器U2的正输入端与数字电位计R5串联后接地，所述第二运算放大器U2的输出端与第一输出端OUT1连接，所述第二运算放大器U2的负输出端与输出端之间还并联有数字电位计R6、R7及第一电容C1，所述数字电位计R6与所述第一电容C1并联后与所述数字电位计R7串联。

位于第二输入端IN2与数字电位计R4之间还并联微分电路，所述微分电路包括并联设置的数字电位计R8、第一二极管D1及第二电容C2。

位于微分电路与数字电位计R4之间还连接有第一接地线，所述接地线上还设有第二二极管D2。

位于数字电位计R4与第二运算放大器U2之间还连接有第二接地线，所述第二接地线上设有数字电位计R9。

所述第二运算放大器U2的负输入端与数字电位计R10串联后与第一输入端IN1连接，所述第二运算放大器U2的正输入端与第一输出端OUT1之间还并联有数字电位计R11，所述数字电位计R5与地之间还设有数字电位计R12，位于数字电位计R5与数字电位计R12之间还设有与第一输出端OUT连接的支线，所述支线上还设有数字电位计R13。

第一电容C1与第二电容C2分别包括若干并联的电容，并分别通过拨片开关进行选择。

请参阅图2所示，根据上位机软件中显示的电路图，分别插接第一输入端IN1与第二输出端OUT2，选取第一运算放大器U1、数字电位计R1、R2、R3进行比例环节的模拟电路的搭建；

第一运算放大器U1的负输入端与数字电位计R1串联后与第一输入端IN1连接，所述第一运算放大器U1的正输入端与数字电位计R3串联后接地，所述第一运算放大器U1的输出端与第二输出端OUT2连接，所述第一运算放大器U1的负输入端与输出端之间还并联有数字电位计R2。

请参阅图3所示，根据上位机软件中显示的电路图，分别插接第二输入端IN2与第一输出端OUT1，选取第二运算放大器U2、数字电位计R4、R5、R6、第一电容C1进行惯性环节的模拟电路的搭建；

第二运算放大器U2的负输入端与数字电位计R4串联后与第二输入端IN2连接，所述第二运算放大器U2的正输入端与数字电位计R5串联后接地，所述第二运算放大器U2的输出端与第一输出端OUT1连接，所述第二运算放大器U2的负输入端与输出端之间还分别并联有数字电位计R6和第一电容C1，所述数字电位计R6与第一电容C1并联。

请参阅图4所示，根据上位机软件中显示的电路图，分别插接第二输入端IN2与第一输出端OUT1，选取第二运算放大器U2、数字电位计R4、R5、第一电容C1进行积分环节的模拟电路的搭建；

第二运算放大器U2的负输入端与数字电位计R4串联后与第二输入端IN2连接，所述第二运算放大器U2的正输入端与数字电位计R5串联后接地，所述第二运算放大器U2的输出端与第一输出端OUT1连接，所述第二运算放大器U2的负输入端与输出端之间还并联有第一电容C1。

请参阅图5所示，根据上位机软件中显示的电路图，分别插接第二输入端IN2与第一输出端OUT1，选取第二运算放大器U2、数字电位计R4、R5、R7、第一电容C1进行比例积分环节的模拟电路的搭建；

第二运算放大器U2的负输入端与数字电位计R4串联后与第二输入端IN2连接，所述第二运算放大器U2的正输入端与数字电位计R5串联后接地，所述第二运算放大器U2的输出端与第一输出端OUT1连接，所述第二运算放大器U2的负输入端与输出端之间还分别并联有数字电位计R7和第一电容C1，所述数字电位计R7与第一电容C1串联。

请参阅图6所示，根据上位机软件中显示的电路图，分别插接第二输入端IN2与第一输出端OUT1，选取第二运算放大器U2、数字电位计R4、R5、6、第二电容C2进行微分环节的模拟电路的搭建；

第二运算放大器U2的负输入端依次与数字电位计R4、第二电容C2串联后与第二输入端IN2连接，所述第二运算放大器U2的正输入端与数字电位计R5串联后接地，所述第二运算放大器U2的输出端与第一输出端OUT1连接，所述第二运算放大器U2的负输入端与输出端之间还分别并联有数字电位计R6。

请参阅图7所示，根据上位机软件中显示的电路图，分别插接第二输入端IN2与第一输出端OUT1，选取第二运算放大器U2、数字电位计R4、R5、R6、R8、第二电容C2进行比例微分环节的模拟电路的搭建；

第二运算放大器U2的负输入端依次与数字电位计R4、微分电路串联后与第二输入端IN2连接，所述第二运算放大器U2的正输入端与数字电位计R5串联后接地，所述第二运算放大器U2的输出端与第一输出端OUT1连接，所述第二运算放大器U2的负输入端与输出端之间还分别并联有数字电位计R6；

所述微分电路包括并联的数字电位计R8和第二电容C2。

请参阅图8所示，根据上位机软件中显示的电路图，分别插接第二输入端IN2与第一输出端OUT1，选取第二运算放大器U2、数字电位计R4、R5、R6、第一二极管D1进行死区非线性环节的模拟电路的搭建；

第二运算放大器U2的负输入端依次与数字电位计R4、第一二极管D1串联后与第二输入端IN2连接，所述第二运算放大器U2的正输入端与数字电位计R5串联后接地，所述第二运算放大器U2的输出端与第一输出端OUT1连接，所述第二运算放大器U2的负输入端与输出端之间还分别并联有数字电位计R6。

请参阅图9所示，根据上位机软件中显示的电路图，分别插接第二输入端IN2与第一输出端OUT1，选取第二运算放大器U2，数字电位计R4、R5、6、R8、第二二极管D2进行饱和非线性环节的模拟电路的搭建；

第二运算放大器U2的负输入端依次与数字电位计R4、R8串联后与第二输入端IN2连接，所述第二运算放大器U2的正输入端与数字电位计R5串联后接地，所述第二运算放大器U2的输出端与第一输出端OUT1连接，所述第二运算放大器U2的负输入端与输出端之间还分别并联有数字电位计R6；

位于数字电位计R4与R8之间，还连接有第一接地线，所述接地线上还设有第二二极管D2。

请参阅图10所示，分别插接第一输入端IN1与第一输出端OUT1，选取第二运算放大器U2，数字电位计R5、R10、R11、R12、R13进行滞环非线性环节的模拟电路的搭建；

第二运算放大器U2的负输入端与数字电位计R10串联后与第一输入端IN1连接，所述第二运算放大器U2的正输入端依次连接数字电位计R5、R12后接地，所述第二运算放大器U2的输出端与所述第一输出端OUT1连接，所述第二运算放大器U2的正输入端与输出端之间还分别并联有数字电位计R11；

所述数字电位计R5与R12之间还设有与第一输出端OUT1连接的支线，所述支线上还设有数字电位计R13。

请参阅图11所示，一种用于电子实验箱的检测电路包括微处理器、上述若干数字电位计、上述两拨片开关，上位机，所述若干数字电位计并联后通过I2C总线与所述微处理器串联，两拨片开关并联后与微处理器串联，所述微处理器通过USB线缆与所述上位机连接。

本发明所提供的用于电子实验箱的模拟电路检查方法，具体包括以下步骤：

⑴用户在上位机软件中选择待进行试验；

⑵用户根据上位机软件中显示的电路图，完成模拟电路的元器件选择，并依据上位机软件的预设数据进行参数修改；

⑶所述上位机软件将元器件的选择及预设参数发送至微处理器；

⑷微处理器通过I2C总线和GPIO配置数字电位计和开关，使实际电路与用户设置相同。

⑸用户顺次选择全部器件并修改参数后，启动电路；

⑹上位机将用户配置好的电路与实验所要求的电路进行对比，若元器件选择或参数与预设数据不匹配，则显示报错信号；若元器件选择或参数与预设数据匹配，则进入下一步；

⑺用户在电路上施加测试输入信号，并用示波器查看电路输出信号，记录试验参数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种用于电子实验箱的模拟电路，其特征在于，包括：

输入单元，具有第一输入端IN₁与第二输入端IN₂；

输出单元，具有第一输出端OUT1与第二输出端OUT₂；

位于输入单元与输出单元之间的两运算放大器U₁、U₂、若干数字电位计及第一电容C₁；

所述第一输入端IN₁与第一输出端OUT₁之间通过线缆连接；

第一运算放大器U₁的负输入端与数字电位计R₁串联后与第一输入端IN₁连接，所述第一运算放大器U₁的正输入端与数字电位计R₃串联后接地，所述第一运算放大器U₁的输出端与第二输出端OUT₂连接，所述第一运算放大器U₁的负输入端与输出端之间还并联有数字电位计R₂；

第二运算放大器U₂的负输入端与数字电位计R₄串联后与第二输入端IN₂连接，所述第二运算放大器U₂的正输入端与数字电位计R₅串联后接地，所述第二运算放大器U₂的输出端与第一输出端OUT₁连接，所述第二运算放大器U₂的负输出端与输出端之间还并联有数字电位计R₆、R₇及第一电容C₁，所述数字电位计R₆与所述第一电容C₁并联后与所述数字电位计R₇串联。

2.根据权利要求1 所述的用于电子实验箱的模拟电路，其特征在于，位于第二输入端IN₂与数字电位计R₄之间还并联微分电路，所述微分电路包括并联设置的数字电位计R₈、第一二极管D₁及第二电容C₂。

3.根据权利要求2所述的用于电子实验箱的模拟电路中，其特征在于，位于微分电路与数字电位计R₄之间还连接有第一接地线，所述接地线上还设有第二二极管D₂。

4.根据权利要求3所述的用于电子实验箱的模拟电路，其特征在于，位于数字电位计R₄与第二运算放大器U₂之间还连接有第二接地线，所述第二接地线上设有数字电位计R₉。

5.根据权利要求4所述的用于电子实验箱的模拟电路，其特征在于，所述第二运算放大器U₂的负输入端与数字电位计R₁₀串联后与第一输入端IN₁连接，所述第二运算放大器U₂的正输入端与第一输出端OUT₁之间还并联有数字电位计R₁₁，所述数字电位计R₅与地之间还设有数字电位计R₁₂，位于数字电位计R₅与数字电位计R₁₂之间还设有与第一输出端OUT₁连接的支线，所述支线上还设有数字电位计R₁₃。

6.根据权利要求1或2所述的用于电子实验箱的模拟电路，其特征在于，第一电容C₁与第二电容C₂分别包括若干并联的电容，并分别通过拨片开关进行选择。

7.一种用于如权利要求1至6任意项所述的电子实验箱的模拟电路的检测电路，其特征在于，包括微处理器、若干数字电位计、两拨片开关，上位机，所述若干数字电位计并联后通过I2C总线与所述微处理器串联，两拨片开关并联后与微处理器串联，所述微处理器通过USB线缆与所述上位机连接。

8.一种用于如权利要求1至6任意项所述的电子实验箱的模拟电路的检查方法，其特征在于，包括以下步骤：

⑴用户在上位机软件中选择待进行试验；

⑵用户根据上位机软件中显示的电路图，完成模拟电路的元器件选择，并依据上位机软件的预设数据进行参数修改；

⑶所述上位机软件将元器件的选择及预设参数发送至微处理器；

⑷微处理器通过I2C总线和GPIO配置数字电位计和开关，使实际电路与用户设置相同；

⑸用户顺次选择全部器件并修改参数后，启动电路；

⑹上位机将用户配置好的电路与实验所要求的电路进行对比，若元器件选择或参数与预设数据不匹配，则显示报错信号；若元器件选择或参数与预设数据匹配，则进入下一步；

⑺用户在电路上施加测试输入信号，并用示波器查看电路输出信号，记录试验参数。