CN204406849U - 一种模块化电子设计教学实验箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模块化电子设计教学实验箱，其特征是包括：单片机模块、CPLD模块、放大模块、滤波模块、串行ADC模块、串行DAC模块、通信下载模块、CPLD下载模块、键盘模块、液晶显示模块、数码管显示模块和电源模块；并能实现程控增益放大功能、程控滤波功能、数字信号采集并显示功能、模拟信号采集并显示功能、单片机与PC机通信功能、数字频率计功能、基于CPLD的单片机最小系统设计功能和正弦信号发生器功能。本实用新型优化了实验箱的电路结构，降低了硬件成本，通过组合各功能模块，使实验箱功能更加强大。

Description

一种模块化电子设计教学实验箱

技术领域

本实用新型涉及电子设计教学领域，具体地说是一种模块化电子设计教学实验箱。

背景技术

现在市场上训练学生电子设计操作能力的实验箱大多实现的功能比较单一，但硬件开销、软件编程又过于复杂，且结构固定，不利于学生对于实验原理的理解和动手能力的提高。

同时，现在市场上的电子设计实验箱中包含的实验大多都只能单独进行实验，由于每个实验电压范围可能存在差异，使各个实验间不能相互联系，互相融合使用，从而导致实验箱使用范围狭窄、效率降低。

另外，由于实验箱自身结构复杂，往往整个实验箱的电路布线在一起，使得学生容易误操作而造成实验性损坏，当出现问题时，往往不利于按照模块化的方式查找出问题所在，从而造成实验箱待修数量大，资源浪费，维护费时费力。

现有的电子设计实验箱大多以单片机作为单片机模块，使得电子设计实验箱成为以单片机为主的实验箱，但随着功能实现的复杂化和元器件的多样化，实验成本不断提高。

发明内容

本实用新型是为了克服现有技术存在的不足之处，提供一种模块化电子设计教学实验箱，以期能优化实验箱的电路结构，降低硬件成本，并能组合各功能模块，丰富实验功能，从而使得实验箱功能更加强大。

本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型一种模块化电子设计教学实验箱的结构特点是包括：单片机模块、CPLD模块、放大模块、滤波模块、串行ADC模块、串行DAC模块、通信下载模块、CPLD下载模块、键盘模块、液晶显示模块、数码管显示模块和电源模块；

所述实验箱利用所述单片机模块、放大模块和键盘模块实现程控增益放大功能：

所述放大模块接收信号源，所述单片机模块利用所述键盘模块获取放大倍数后传递给所述放大模块，所述放大模块对所接收的信号源和放大倍数进行放大处理，从而实现程控增益放大功能；

所述实验箱利用所述单片机模块、滤波模块和键盘模块实现程控滤波功能：

所述滤波模块接收信号源，所述单片机模块利用所述键盘模块获取滤波参数后传递给所述滤波模块，所述滤波模块对所接收的信号源和滤波参数进行滤波处理，从而实现程控滤波功能；

所述实验箱利用所述单片机模块和液晶显示模块实现数字信号采集并显示功能：

所述单片机模块接收数字信号源产生的数字信号并传递给所述液晶显示模块，液晶显示模块对所接收的数字信号进行显示，从而实现数字信号采集并显示功能；

所述实验箱利用所述单片机模块、放大模块、滤波模块、串行ADC模块、键盘模块和液晶显示模块实现模拟信号采集并显示功能：

所述放大模块接收模拟信号源产生的模拟信号；所述单片机模块利用所述键盘模块获取放大倍数和滤波参数后分别传递给所述放大模块和滤波模块所述放大模块根据所述放大倍数对所述模拟信号进行放大处理后传递给所述滤波模块的；所述滤波模块对所接收的放大信号进行滤波处理后传递给所述串行ADC模块用于转换为数字信号；所述单片机模块将所接收的放大滤波数字信号传递给所述液晶显示模块用于显示，从而实现模拟信号显示功能；

所述实验箱利用所述单片机模块和通信下载模块实现上位机通信功能：

上位机发送数据，单片机模块通过通信下载模块与单片机模块连接接收上位机发送的数据；单片机模块接收上位机数据后通过通信下载模块将接收到的数据返回给上位机，上位机显示获得数据返回数据，从而实现上位机通信功能；

所述实验箱利用所述CPLD模块和数码管显示模块实现数字频率计数功能：

所述CPLD模块包括：有源晶振、计数器、分频器、锁存器和接口电路；所述有源晶振发送固定频率信号给所述分频器进行分频处理后传递给所述计数器进行频率计数；将所获得的计数结果传递给所述锁存器；所述CPLD模块通过所述接口电路将所述计数结果发送给所述数码管显示模块用于显示，从而实现数字频率计数功能；

所述实验箱利用所述单片机模块、CPLD模块、液晶显示模块和键盘模块实现最小系统功能：

在CPLD模块中设计外围接口电路和复位电路，所述液晶显示模块和键盘模块通过CPLD模块与单片机模块连接，单片机模块通过键盘模块获取所述复位电路的复位信号，通过液晶显示模块显示所述复位信号，从而实现最小系统功能；

所述实验箱利用所述单片机模块、CPLD模块、放大模块、滤波模块、串行DAC模块和键盘模块实现正弦信号发生器功能：

所述CPLD模块将产生的正弦信号发送给所述串行DAC模块用于转换为模拟正弦信号；所述串行DAC模块将所述模拟正弦信号传递给所述滤波模块；所述单片机模块利用所述键盘模块获取放大倍数和滤波参数后分别传递给所述放大模块和滤波模块；所述滤波模块根据所接收的模拟正弦信号和滤波参数进行滤波处理后传递给所述放大模块；所述放大模块根据所接收的滤波后的模拟正弦信号和放大倍数进行放大处理；从而实现正弦信号发生器功能。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型通过模块化的设计方案，可以自由组合各功能模块以实现特定功能，同时结合了单片机和CPLD，采用了串行总线、开关电容滤波器等主流电子设计技术和器件，强调硬件和软件结合，从而解决了现有实验箱可实现实验内容太复杂或太简单、实验现象单一等问题，提高了实验箱实验内容的丰富度，增强了学生的动手能力，扩大了电子设计的范围，并降低了实验成本。

2、本实用新型程控增益放大功能使用可编程程控增益放大器PGA205集成芯片实现信号放大功能，相比于传统运算放大器，PGA205具有增益误差小，可编程，并且实现功能电路简单，便于操作，有利于理解程控放大功能的工作原理，帮助学生提高自主学习能力。

3、本实用新型程控滤波功能采用MAX262开关电容滤波器，在不需要外部原件的情况下就可以构成带通、低通、高通、陷波和全通配置，可以通过程控设置其中心频率f₀、品质因数Q和滤波器的工作方式，相比于传统滤波器采用分立器件来实现电阻、电容的选择、匹配和优化的复杂度，而且元器件参数受温度影响较大，使用该型号滤波器实现功能电路结构简单，滤波结果稳定，滤波前后对比明显，提高了滤波质量。

4、本实用新型模拟信号采集并显示功能将串行ADC模块、滤波模块、放大模块、和显示模块融合在一起，提高了实验复杂性。串行ADC模块中使用ADS1100，该芯片内部集成PGA程控增益放大器，最高可对信号进行8倍放大，从而可以对更小信号进行转换，ADS1100使用可兼容的I²C总线接口，同时串行ADC具有功耗低，体积小，占用单片机I/O端口少等优点，从而使更多的端口可以被用来连接其他模块，增加实验丰富性。

5、本实用新型数字频率计功能采用MAX7000S系列的EPM7128SLC84-15作为主控制器，该CPLD引脚较少，功能实现相对简单，便于初学者对于CPLD的学习和使用；该功能实现完全依靠对CPLD内部结构的程序设计，不需要外接信号源，使实验更加简洁。

6、本实用新型基于CPLD的单片机最小系统设计功能，相对于传统单片机最小系统需要通过单片机外部布线，并且结构固定，通过CPLD软件设计产生连接电路，可减少实验箱使用空间，降低实验成本，并且实验电路具有可变性，提高学生的主观设计能力。

7、本实用新型正弦信号发生器功能实现，结合了CPLD和单片机两种控制器，较现有电子设计实验箱要么仅有单片机作为控制器，或仅有CPLD作为控制器而限制了电子设计的范围，本实用新型CPLD和单片机的结合使用，提高了电子设计的功能多样性，同时使用CPLD可以优化电路结构。

8、本实用新型采用独立电源模块分别给每个功能模块提供各自需要的不同幅值电压，每个功能模块与电源模块已经连接固定，一方面可以对电路进行保护，避免电压不适引起的元器件损害，另一方面可以保障每个功能模块正常工作。

附图说明

图1为本实用新型整体模块示意图；

图2为本实用新型程控增益放大功能示意图；

图3为本实用新型程控滤波功能示意图；

图4为本实用新型数字信号采集并显示功能示意图；

图5为本实用新型模拟信号采集并显示功能示意图；

图6为本实用新型单片机与PC机通信功能示意图；

图7为本实用新型数字频率计功能示意图；

图8为本实用新型基于CPLD的单片机最小系统设计功能示意图；

图9为本实用新型正弦信号发生器功能示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中，一种模块化电子设计教学实验箱是以单片机和CPLD为主控制器，通过组合各功能模块来实现不同功能，包括：单片机模块、CPLD模块、放大模块、滤波模块、串行ADC模块、串行DAC模块、通信下载模块、CPLD下载模块、键盘模块、液晶显示模块、数码管显示模块和电源模块；具体实施中，放大模块采用PGA205型芯片实现；CPLD模块采用型号为MAX7000S系列的EPM7128SLC84-15为主控制器。

实现功能一：实验箱利用单片机模块、放大模块和键盘模块实现程控增益放大功能：

如图2所示，放大模块通过第一连接端口接收信号源；单片机模块利用排线引出单片机输入输出端口，通过第六连接端口与键盘模块的第九连接端口相连，并利用键盘模块获取放大倍数后通过第六连接端口传递给放大模块的第一连接端口；放大模块对所接收的信号源和放大倍数进行放大处理，获得的放大信号通过外接接示波器的一个连接端口进行显示，同时可以将放大之前的信号接入示波器的另一端，对比信号放大前后的结果；从而实现程控增益放大功能；

实现功能二：实验箱利用单片机模块、滤波模块和键盘模块实现程控滤波功能：

如图3所示，滤波模块通过第二连接端口接收信号源；单片机模块利用排线引出单片机输入输出端口通过第六连接端口与键盘模块的第九连接端口相连，并利用键盘模块获取滤波参数后通过第六连接端口传递给滤波模块的第二连接端口；滤波模块对所接收的信号源和滤波参数进行滤波处理，获得的滤波信号通过外接接示波器进行显示同时可以将放大之前的信号接入示波器的另一端，对比信号滤波前后的结果，从而实现程控滤波功能；

实现功能三：实验箱利用单片机模块和液晶显示模块实现数字信号采集并显示功能：

如图4所示，单片机模块通过第六连接端口与数字信号连接端口连接，接收数字信号； 单片机对接收到的数字信号进行存储并通过单片机模块通过第六连接端口传递递给液晶显示模块的第十连接端口；液晶显示模块对所接收的数字信号进行显示，可以外接示波器显示原始信号与显示模块所显示的信号进行对比；从而实现数字信号采集并显示功能；

实现功能四：实验箱利用单片机模块、放大模块、滤波模块、串行ADC模块、键盘模块和液晶显示模块实现模拟信号采集并显示功能：

如图5所示，放大模块通过第一连接端口连接模拟信号连接端口接收模拟信号；单片机模块利用排线引出单片机输入输出端口通过第六连接端口与键盘模块的第九连接端口相连，并利用键盘模块获取放大倍数和滤波参数后分别传递给放大模块的第一连接端口和滤波模块的第二连接端口；放大模块根据获得的放大倍数对模拟信号进行放大处理；放大处理后，通过第一连接端口传递给滤波模块的第二连接端口；滤波模块通过获得的滤波参数对所接收的放大信号进行滤波处理；处理后得到的滤波信号通过第二连接端口传递给串行ADC模块的第三连接端口用于将模拟信号转换为数字信号；转换后的数字信号发送给单片机模块的第六连接端口；单片机模块将所接收的放大滤波数字信号存储通过第六连接端口传递给液晶显示模块的第十连接端口用于显示，从而实现模拟信号采集并显示功能；

实现功能五：实验箱利用单片机模块和通信下载模块实现上位机通信功能：

如图6所示，上位机通过串口调试助手往单片机模块发送数据，单片机模块通过通信下载模块的第五连接端口与单片机模块的第六连接端口连接接收上位机发送的数据；单片机模块接收上位机数据后通过第六连接端口与通信下载模块的第五连接端口连接将接收到的数据返回给上位机，上位机显示获得数据返回数据，从而实现上位机通信功能；

实现功能六：实验箱利用CPLD模块和数码管显示模块实现数字频率计数功能：

如图7所示，CPLD模块包括：有源晶振、计数器、分频器、锁存器和接口电路；在CPLD模块中设计计数器、分频器、锁存器和接口电路，CPLD模块中有源晶振发送固定频率信号给分频器进行信号频率分频处理，分频后的信号传递给计数器进行频率计数；计数器将所获得的计数结果传递给锁存器；CPLD模块通过接口电路将锁存器中的计数结果通过第七连接端口发送给数码管显示模块的第十一连接端口用于显示，从而实现数字频率计数功能；

实现功能七：实验箱利用单片机模块、CPLD模块、液晶显示模块和键盘模块实现最小系统功能：

如图8所示，在CPLD中设计外围接口电路和复位电路，液晶显示模块的第十连接端口和键盘模块的第九连接端口分别与CPLD模块的第七连接端口连接，使液晶显示模块和键盘模块通过CPLD模块与单片机模块中的单片机引脚连接，单片机模块通过第六连接端口与键盘模块的第九连接端口相连获取复位电路提供的复位信号，通过液晶显示模块的第十连接端 口显示复位信息，从而实现最小系统功能；

实现功能八：实验箱利用单片机模块、CPLD模块、放大模块、滤波模块、串行DAC模块和键盘模块实现正弦信号发生器功能：

如图9所示，在CPLD模块设计正弦信号发生器电路以及接口电路，产生正弦数字信号通过第七连接端口发送给串行DAC模块的第四连接端口用于把数字信号转换为模拟信号；串行DAC模块通过第四连接端口将模拟正弦信号传递给滤波模块的第二连接端口；单片机模块通过第六连接端口与键盘模块的第九连接端口相连，并利用键盘模块获取放大倍数和滤波参数后分别传递给放大模块的第一连接端口和滤波模块的第二连接端口；滤波模块根据所接收的模拟正弦信号和滤波参数进行滤波处理后通过第二连接端口传递给放大模块的第一连接端口；放大模块根据所接收的滤波后的模拟正弦信号和放大倍数进行放大处理；获得的放大信号可外接接示波器相连并进行显示，从而实现正弦信号发生器功能。

Claims (1)

1.一种模块化电子设计教学实验箱，其特征是包括：单片机模块、CPLD模块、放大模块、滤波模块、串行ADC模块、串行DAC模块、通信下载模块、CPLD下载模块、键盘模块、液晶显示模块、数码管显示模块和电源模块；

所述实验箱利用所述单片机模块、放大模块和键盘模块实现程控增益放大功能：

所述放大模块接收信号源，所述单片机模块利用所述键盘模块获取放大倍数后传递给所述放大模块，所述放大模块对所接收的信号源和放大倍数进行放大处理，从而实现程控增益放大功能；

所述实验箱利用所述单片机模块、滤波模块和键盘模块实现程控滤波功能：

所述滤波模块接收信号源，所述单片机模块利用所述键盘模块获取滤波参数后传递给所述滤波模块，所述滤波模块对所接收的信号源和滤波参数进行滤波处理，从而实现程控滤波功能；

所述实验箱利用所述单片机模块和液晶显示模块实现数字信号采集并显示功能：

所述单片机模块接收数字信号源产生的数字信号并传递给所述液晶显示模块，液晶显示模块对所接收的数字信号进行显示，从而实现数字信号采集并显示功能；

所述实验箱利用所述单片机模块、放大模块、滤波模块、串行ADC模块、键盘模块和液晶显示模块实现模拟信号采集并显示功能：

所述放大模块接收模拟信号源产生的模拟信号；所述单片机模块利用所述键盘模块获取放大倍数和滤波参数后分别传递给所述放大模块和滤波模块所述放大模块根据所述放大倍数对所述模拟信号进行放大处理后传递给所述滤波模块的；所述滤波模块对所接收的放大信号进行滤波处理后传递给所述串行ADC模块用于转换为数字信号；所述单片机模块将所接收的放大滤波数字信号传递给所述液晶显示模块用于显示，从而实现模拟信号显示功能；

所述实验箱利用所述单片机模块和通信下载模块实现上位机通信功能：

上位机发送数据，单片机模块通过通信下载模块与单片机模块连接接收上位机发送的数据；单片机模块接收上位机数据后通过通信下载模块将接收到的数据返回给上位机，上位机显示获得数据返回数据，从而实现上位机通信功能；

所述实验箱利用所述CPLD模块和数码管显示模块实现数字频率计数功能：

所述CPLD模块包括：有源晶振、计数器、分频器、锁存器和接口电路；所述有源晶振发送固定频率信号给所述分频器进行分频处理后传递给所述计数器进行频率计数；将所获得的计数结果传递给所述锁存器；所述CPLD模块通过所述接口电路将所述计数结果发送给所述数码管显示模块用于显示，从而实现数字频率计数功能；

所述实验箱利用所述单片机模块、CPLD模块、液晶显示模块和键盘模块实现最小系统功能：

在CPLD模块中设计外围接口电路和复位电路，所述液晶显示模块和键盘模块通过CPLD模块与单片机模块连接，单片机模块通过键盘模块获取所述复位电路的复位信号，通过液晶显示模块显示所述复位信号，从而实现最小系统功能；

所述实验箱利用所述单片机模块、CPLD模块、放大模块、滤波模块、串行DAC模块和键盘模块实现正弦信号发生器功能：

所述CPLD模块将产生的正弦信号发送给所述串行DAC模块用于转换为模拟正弦信号；所述串行DAC模块将所述模拟正弦信号传递给所述滤波模块；所述单片机模块利用所述键盘模块获取放大倍数和滤波参数后分别传递给所述放大模块和滤波模块；所述滤波模块根据所接收的模拟正弦信号和滤波参数进行滤波处理后传递给所述放大模块；所述放大模块根据所接收的滤波后的模拟正弦信号和放大倍数进行放大处理；从而实现正弦信号发生器功能。