CN209343619U - 一种一阶测试系统特性演示装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一阶测试系统特性演示装置，包括：信号发生模块，信号发生模块的第一端接地，第二端连接一阶元件模块的第一端，一阶元件模块的第二端接地，形成电路；信号发生模块包括固定串接在电路的第一信号发生子模块，以及一个通过第一切换开关可选择的串接进电路中的第二信号发生子模块；信号发生模块的第二端与A/D转换模块的第一输入端连接；一阶元件模块包括电阻模块与储能模块，储能模块的非近地端与A/D转换模块的第二输入端连接；示波器模块，其信号输入端与A/D转换模块的输出端连接；信号发生模块、一阶元件模块、A/D转换模块以及示波器模块均集成在同一面板，解决了影响理论教学知识点的理解效果和教学进度的技术问题。

Description

一种一阶测试系统特性演示装置

技术领域

本申请涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种一阶测试系统特性演示装置。

背景技术

一阶测试系统的特性包含了信号传播特性、滤波器特性、失真特性等，是机械、电子信息等学科的学生必须学习掌握的一个重要知识点。通常，对一阶测试系统的学习，采用一阶电路构建完整的一阶测试系统特性，让学生可以更容易接受并快速入门。

在传统的理论教学中，通过PPT的展示或者视频的播放可以给同学们带来视觉上的认知，但这毕竟仍是理论学习，很难让学生建立一阶测试系统特性与实际应用的联系。一种可行的方法是，通过让学生到实验室进行实验，利用实验室专业的大型实验装置，可以很好的掌握这些知识点。但实验室的数量有限，班级之间错开轮流使用，安排不便，同时，实验课太多也会在一定程度上影响理论教学的进度。

发明内容

本申请实施例提供了一种一阶测试系统特性演示装置，打破了为让学生掌握一阶测试系统的多种特性而缺乏集成、小型化的演示和实验装置的现状，从而解决了影响理论教学知识点的理解效果和教学进度的技术问题。

有鉴于此，本申请提供了一种一阶测试系统特性演示装置，包括：

信号发生模块，所述信号发生模块的第一端接地，第二端连接一阶元件模块的第一端，所述一阶元件模块的第二端接地，形成电路；

所述信号发生模块包括固定串接在所述电路的第一信号发生子模块，以及一个通过第一切换开关可选择的串接进所述电路中的第二信号发生子模块；

所述信号发生模块的第二端与A/D转换模块的第一输入端连接；

所述一阶元件模块包括电阻模块与储能模块，所述电阻模块与所述储能模块串联；

所述储能模块具体为组合电容；

所述储能模块的非近地端与所述A/D转换模块的第二输入端连接；

示波器模块，其信号输入端与所述A/D转换模块的输出端连接；

所述信号发生模块、所述一阶元件模块、所述A/D转换模块以及所述示波器模块均集成在同一面板。

优选地，所述第一信号发生子模块具体包括：正弦信号源与正压偏置电源，所述正弦信号源与正压偏置电源串联成正压正弦信号源；

所述第二信号发生子模块与所述第一信号发生子模块相同设置。

优选地，所述第一信号发生子模块还包括：调幅滑动电阻，所述调幅滑动电阻与所述正压正弦信号源并联；

所述第二信号发生子模块与所述第一信号发生子模块相同设置。

优选地，所述电阻模块具体包括电阻箱。

优选地，所述A/D转换模块具体包括具有A/D转换口的单片机。

优选地，所述第一切换开关具体为单刀双掷开关；

所述单刀双掷开关的固定端与所述第一信号发生子模块的第二端连接，所述单刀双掷开关的第一掷位连接所述信号发生模块的第一端，其第二掷位连接所述第二信号发生子模块的第一端；

所述第一信号发生子模块的第一端连接所述信号发生模块的第二端；

所述第二信号发生子模块的第二端连接所述信号发生模块的第一端。

优选地，所述第二信号发生子模块的第一端与所述A/D转换模块的第三输入端连接。

优选地，所述信号发生模块还包括第三信号发生子模块，所述第三信号发生子模块通过第二切换开关可选择的串接进所述一阶电路中。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例中，提供了一种一阶测试系统特性演示装置，该装置的信号发生模块与一阶电路元件模块连接构成一阶测试系统。信号发生模块包括有固定串接进来的第一信号发生子模块，以及一个通过切换开关可选择的串接进来的第二信号发生子模块。该装置还包括A/D转换模块和示波器模块，两者配合从而可以将储能模块远离接地端的一端的电压信号进行显示，以及将信号发生模块的第二端的电压信号，即第一信号发生子模块和第二信号发生子模块的叠加信号(此时第二信号发生子模块串接入电路)进行显示；并且，信号发生模块、一阶元件模块、A/D转换模块以及示波器模块均集成在同一面板。

该装置相当于一个专门用于演示一阶测试系统特性的装置，第一信号发生子模块和第二信号发生子模块的叠加信号，以及储能模块远离接地端的一端的电压信号都可以在示波器中同屏显示。因此可以通过改变第一信号发生子模块与第二信号发生子模块输出信号的频率或幅值，结合示波器上观察到的电压波形，直观的看到一阶测试系统低通、幅频等特性对信号的作用。又由于该装置的各模块都集成在同一面板，因此其相对于实验室的大型实验装置小巧很多，能够方便教师带入课堂、结合教学进度依次演示多章节的内容，同时可以为学生开展实验提供一种更为有效的实验装置，解决现有需要通过多个实验装置才能实现的、数量有限、占地庞大的实验室进行实验的缺点，甚至还可以方便学生分组借出自行进行学习，从而提高教师教授课程的效果和效率，提升学生理论与实操结合的学习效果和效率。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一阶测试系统特性演示装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一阶测试系统特性演示装置的部分电路图；

图3为本申请实施例提供的一阶测试系统特性演示装置的集成布局示意图；

其中，附图标记如下：1、电阻箱；2、单刀双掷开关；3、第一频率微调旋钮；4、第一频率档位选择旋钮；5、第一幅值调节旋钮；6、信号发生模块放置区；7、第二幅值调节旋钮；8、第二频率档位选择旋钮；9、第二频率微调旋钮；10、第一偏置电压调节旋钮；11、第二偏置电压调节旋钮；12、电容档位选择旋钮；13、左半屏信号通道显示的选择按键(按下后实现Vout1和Vout3波形的切换)；14、左半屏显示频率档位选择按键；15、右半屏显示频率档位选择按键；16、数据上传开关；17、USB通讯接口；18、12864液晶显示屏；19、第一电源开关；20、第二电源开关；21、底板。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

请参见图1与图2，图1为本申请实施例提供的一阶测试系统特性演示装置的结构示意图，图2为本申请实施例提供的一阶测试系统特性演示装置的部分电路图。该装置包括：信号发生模块、一阶元件模块、A/D转换模块以及示波器模块。

信号发生模块101，该信号发生模块101的第一端接地，第二端连接一阶元件模块102的第一端，一阶元件模块102的第二端接地。信号发生模块101的第一端与一阶元件模块102的第二端共地等电位，相当于构成了一阶电路的通路。

信号发生模块101包括固定串接在电路中的第一信号发生子模块1011，以及一个通过第一切换开关1013可选择的串接进一阶电路中的第二信号发生子模块1012。

第一信号发生子模块1011可以认为是该一阶测试系统的基础信号源，为常投入信号源。而第二信号发生子模块1012则可以根据需要选择性的投入电路或退出电路，通过第一切换开关1013即可实现。

具体的，第一切换开关1013可以选择成本较低，实现可靠的单刀双掷开关。单刀双掷开关具有一个固定端、第一掷位和第二掷位，可以使其固定端与第一信号发生子模块1011的第二端连接，其第一掷位连接信号发生模块101的第一端，相当于直接接地，其第二掷位连接第二信号发生子模块1012的第一端，而第二信号发生子模块1012的第二端连接信号发生模块101的第一端，即直接接地，第一信号发生子模块1011的第一端则连接信号发生模块101的第二端。

如此，在单刀双掷开关切至第一掷位时，第二信号发生子模块1012相当于退出了一阶电路，切至第二掷位时，第二信号发生子模块1012串接进一阶电路中，与第一信号发生子模块1011串联，使得两者输出的信号可以叠加。

对于切换开关，还可以选择常用的转换开关或者开关继电器来实现。

考虑到示波器模块104只能识别数字信号，因此需要设置A/D转换模块103来进行数模转换。A/D转换模块103应当具有多个输入端，其第一输入端可以连接信号发生模块101的第二端，如图2中的Vout1，其第二输入端可以连接一阶元件模块102中储能模块1022的非近地端，如图2中的Vout2，其第三输入端可以连接第二信号发生子模块1012的第一端，如图2中的Vout3，其输出端可以连接示波器模块104。A/D模块具体的可以是具有A/D转换口的单片机。

需要说明的是，信号发生模块101的第二端相当于信号的总输出端，其可以反映信号发生模块101内已投入使用的信号发生子模块的叠加信号，可以认为是一阶测试系统的输入。一阶元件模块102中储能模块1022的非近地端的电压信号能够反映一阶测试系统的各种特性，可以认为是一阶测试系统的输出。两处的电压信号采集并进行AD转换，从而能够在示波器模块104的两路通道上显示两处的电压波形。

一阶元件模块102应当设置有电阻模块1021与储能模块1022，具体的，电阻模块1021可以包括电阻箱，从而方便通过改变一阶电路的电阻阻值改变其相关的特性。电阻模块1021还可以串联一个固定电阻，其作用是，限制电流，避免因电阻模块的阻值被调整为0而导致电流过大的现象，如图2所示。

电阻模块1021与储能模块1022的连接方式是串联，构成一阶测试系统，从而可以对一阶测试系统的特性进行实验。储能模块1022具体是电容模块，其与电阻模块构成RC一阶电路。在本实施例中，电容模块作为一阶元件模块102的储能模块1022部分，具体采用了包括4.7nF、22nF、47nF、和220nF四个电容档位的组合电容，当然，也可以选择包含其他参数电容档位的组合电容。

信号发生模块101内的各信号发生子模块的具体实现可以选择现有的信号发生器。现有的信号发生器功能齐全，可以根据实际教学需要，选择不同波形作为一阶测试系统的输入，比如常用的正弦波、方波等。

但信号发生器的成本很高，对于本申请提供的一阶测试系统特性演示装置而言，显得小题大做，并不适用。为了降低成本，信号发生器可以使用正弦信号源这样的小模块来实现，需要说明的是，该正弦信号源应当具备频率调节的功能。

进一步的，考虑到在使用单片机作为A/D转换模块103时，单片机只能读取0-5V的电压信号，为了使示波器模块104能够呈现完整的电压波形，可以设置一个正压偏置电源与正弦信号源串联，形成正压正弦信号源。比如，正弦信号源的输出波形在-2.5V～2.5V之间，则正压偏置电源可以选择正2.5V的电源，经串联后形成的正压正弦信号源的输出电压为0～5V，从而能够被单片机完整的读取，在示波器模块104上完整显示。

为了对一阶测试系统的幅频特性等与幅值相关的特性进行实验演示，作为系统的输入信号应当具备幅值可调的功能。为了降低成本，可以在正压正弦信号源的两侧并联调幅滑动电阻，从而可以对各个信号发生子模块(即第一信号发生子模块1011与第二信号发生子模块1012)输出的电压幅值进行调整。

为了使学生可以更全面的观察输入信号，使A/D转换模块103的第三输入端与第二信号发生子模块1012的第一端连接，即将第二信号发生子模块1012的输出信号也可在示波器模块104上进行显示，如图2的Vout3。

需要说明的是，信号发生模块101、一阶元件模块102、A/D转换模块103以及示波器模块104均集成在同一面板上。具体的，可以参见图3，图3为本申请实施例提供的一阶测试系统特性演示装置的集成布局示意图。

可以理解的是，根据实际需要，比如说，进行谐波叠加试验时，需要将多个不同频率的谐波叠加，如此，在利用两个输入信号进行叠加效果不够理想的情况下，还可以设置第三信号发生子模块，第三信号发生子模块可以通过第二切换开关可选择的串接进一阶电路中。具体实施时可以参考第二信号发生子模块1012，在此不再赘述。

需要说明的是，上述的第一信号发生子模块1011、第二信号发生子模块1012以及第三信号发生子模块在构成上可以完全相同。

以上为本申请实施例提供的一种一阶测试系统特性演示装置，该装置相当于一个专门用于演示一阶测试系统特性的装置，第一信号发生子模块1011和第二信号发生子模块1012的叠加信号，以及储能模块1022远离接地端的一端的电压信号都可以在示波器中同屏显示。因此可以通过改变第一信号发生子模块1011与第二信号发生子模块1012输出信号的频率或幅值，结合示波器上观察到的电压波形，直观的看到一阶测试系统低通、幅频等特性对信号的作用。又由于该装置的各模块都集成在同一面板，因此其相对于实验室的大型实验装置小巧很多，讲课老师可以将其带到普通教室，向学生演示一阶测试系统的特性，学生也可以在教室自己操作该装置，不用再去实验室，在增强了学生对一阶测试系统相关知识点理解的同时也不影响理论教学进度。

该装置可以进行以下实验：

1、一阶测试系统的低通特性实验

可以使第一信号发生子模块1011和第二信号发生子模块1012输出的频率相差较大的信号波，从而模拟频率不高的波形里夹杂着高频杂波的情况，以验证一阶测试系统的低通滤波的特性。

2、一阶测试系统的幅频特性实验

保持其他参数不变的情况下，可以通过不断提高第一信号发生子模块1011的输出频率，结合示波器模块104的输出波形，验证一阶测试系统的幅频特性。

还可以保持输出信号的频率和幅值不变，改变电阻模块1021和储能模块1022的参数，通过观察示波器模块104的输出波形，观察幅度失真的特性。

3、谐波叠加实验

可以通过使第一信号发生子模块1011输出信号的频率对应第一谐波，使第二信号发生子模块1012输出信号的频率对应第二谐波，进行谐波叠加实验。

本系统中涉及到的相关模块均为硬件系统模块或者为现有技术中计算机软件程序或协议与硬件相结合的功能模块，该功能模块所涉及到的计算机软件程序或协议的本身均为本领域技术人员公知的技术，其不是本系统的改进之处；本系统的改进为各模块之间的相互作用关系或连接关系，即为对系统的整体的构造进行改进，以解决本系统所要解决的相应技术问题。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种一阶测试系统特性演示装置，其特征在于，包括：

信号发生模块，所述信号发生模块的第一端接地，第二端连接一阶元件模块的第一端，所述一阶元件模块的第二端接地，形成电路；

所述信号发生模块包括固定串接在所述电路的第一信号发生子模块，以及一个通过第一切换开关可选择的串接进所述电路中的第二信号发生子模块；

所述信号发生模块的第二端与A/D转换模块的第一输入端连接；

所述一阶元件模块包括电阻模块与储能模块，所述电阻模块与所述储能模块串联；

所述储能模块具体为组合电容；

所述储能模块的非近地端与所述A/D转换模块的第二输入端连接；

示波器模块，其信号输入端与所述A/D转换模块的输出端连接；

所述信号发生模块、所述一阶元件模块、所述A/D转换模块以及所述示波器模块均集成在同一面板。

2.根据权利要求1所述的一种一阶测试系统特性演示装置，其特征在于，所述第一信号发生子模块具体包括：正弦信号源与正压偏置电源，所述正弦信号源与正压偏置电源串联成正压正弦信号源；

所述第二信号发生子模块与所述第一信号发生子模块相同设置。

3.根据权利要求2所述的一种一阶测试系统特性演示装置，其特征在于，所述第一信号发生子模块还包括：调幅滑动电阻，所述调幅滑动电阻与所述正压正弦信号源并联；

所述第二信号发生子模块与所述第一信号发生子模块相同设置。

4.根据权利要求1所述的一种一阶测试系统特性演示装置，其特征在于，所述电阻模块具体包括电阻箱。

5.根据权利要求1所述的一种一阶测试系统特性演示装置，其特征在于，所述A/D转换模块具体包括具有A/D转换口的单片机。

6.根据权利要求1所述的一种一阶测试系统特性演示装置，其特征在于，所述第一切换开关具体为单刀双掷开关；

所述单刀双掷开关的固定端与所述第一信号发生子模块的第二端连接，所述单刀双掷开关的第一掷位连接所述信号发生模块的第一端，其第二掷位连接所述第二信号发生子模块的第一端；

所述第一信号发生子模块的第一端连接所述信号发生模块的第二端；

所述第二信号发生子模块的第二端连接所述信号发生模块的第一端。

7.根据权利要求6所述的一种一阶测试系统特性演示装置，其特征在于，所述第二信号发生子模块的第一端与所述A/D转换模块的第三输入端连接。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种一阶测试系统特性演示装置，其特征在于，所述信号发生模块还包括第三信号发生子模块，所述第三信号发生子模块通过第二切换开关可选择的串接进所述电路中。