CN217181711U - 一种适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电子实验设备技术领域，公开了一种适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统。本实用新型的系统包括实验箱、双头USB数据线和设有基于LabVIEW的双通道示波平台的计算机，实验箱设有两USB外置声卡、电源模块、波形信号发生模块和教学实验电路模块，其中由波形信号发生模块产生波形信号并输入给教学实验电路模块，教学实验电路模块输出的信号通过USB外置声卡进行采集和发送至双通道示波平台，最后通过该平台进行数据采集通道选择、数据处理和波形显示。本实用新型能够有效降低模电实验室的配置成本，整个系统结构小巧，便于携带，可以满足学生日常实验需求。

Description

一种适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统

技术领域

本实用新型涉及电子实验设备技术领域，尤其涉及一种适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统。

背景技术

模拟电子技术实验是模拟电子技术课程重要的实践性教学环节，学生通过参加实验教学，将实际电路与理论知识相结合，可以加深对理论课程的理解。

传统的模电实验室需要配置商用数据采集卡、示波器、交流毫伏表、信号发生器、直流电压表及直流稳压电源等多种仪器。进行实验教学时，由信号发生器产生信号，由商用数据采集卡进行信号采集，并基于示波器对波形进行分析。信号发生器、商用数据采集卡和示波器的价格昂贵，且信号发生器和示波器的体积较大，导致整个模电实验室的配置成本过高，且仪器不便于携带，学生无法随时随地进行模电实验。

实用新型内容

本实用新型提供了一种适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，解决了现有模电实验室配置成本过高且便携性差的技术问题。

本实用新型提供了一种适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，包括实验箱、双头USB数据线和设有基于LabVIEW(实验室虚拟仪器集成环境)的双通道示波平台的计算机；

所述实验箱设有电源模块、波形信号发生模块、教学实验电路模块、第一USB外置声卡和第二USB外置声卡，所述电源模块用于给所述波形信号发生模块和教学实验电路模块的运行提供电源，所述波形信号发生模块用于给所述教学实验电路模块提供波形信号；所述教学实验电路模块设有两个信号输出端，所述教学实验电路模块的一个信号输出端与所述第一USB外置声卡连接，所述教学实验电路模块的另一个信号输出端与所述第二USB外置声卡连接，所述第一USB外置声卡和第二USB外置声卡通过所述双头USB数据线连接所述双通道示波平台；

所述教学实验电路模块包括多个教学实验电路，所述实验箱的外表面设有与所述教学实验电路的各测试点对应的插接口；

所述双通道示波平台包括相连接的通道控制模块、信号采集模块、信号处理模块和数据显示模块；所述通道控制模块用于控制所述信号采集模块读取所述第一USB外置声卡和所述第二USB外置声卡的数据；所述信号处理模块基于预置的示波器信号处理程序，对信号采集模块读取的数据进行参数测量和频谱分析，通过触发控制将采集的波形发送至所述数据显示模块进行显示。

根据本实用新型的一种能够实现的方式，所述波形信号发生模块基于ICL8038芯片生成波形信号，所述波形信号包括三角波信号、方波信号和正弦波信号。

根据本实用新型的一种能够实现的方式，所述波形信号发生模块设有三角波信号输出端、方波信号输出端和正弦波信号输出端；

所述实验箱的外表面还设有与所述三角波信号输出端对应的第一输出端接口、与所述方波信号输出端对应的第二输出端接口、与所述正弦波信号输出端对应的第三输出端接口以及与所述教学实验电路模块的输入端对应的输入端接口。

根据本实用新型的一种能够实现的方式，所述波形信号发生模块设有频率调节电路和幅度调节电路；

所述实验箱的外表面设有与所述频率调节电路连接的频率调节旋钮和与所述幅度调节电路连接的幅度调节旋钮。

根据本实用新型的一种能够实现的方式，所述实验箱的外表面设有教学实验电路模块连接；

所述插接口位于所述教学实验电路模块连接单元的测试点标记上。

根据本实用新型的一种能够实现的方式，所述教学实验电路包括多级放大电路、积分电路、比例运算放大电路和有源滤波电路。

根据本实用新型的一种能够实现的方式，所述电源模块包括第一级电源转换单元和第二级电源转换单元；

所述第一级电源转换单元用于将5V电压转换为±14V电压；

所述第二级电源转换单元用于将±14V电压转换为±12V电压。

根据本实用新型的一种能够实现的方式，所述第一级电源转换单元设有USB接口。

根据本实用新型的一种能够实现的方式，所述实验箱包括底座和连接所述底座的面板；

所述面板朝向所述底座的一侧设有PCB集成板，所述波形信号发生模块和各所述教学实验电路设置于所述PCB集成板上。

根据本实用新型的一种能够实现的方式，所述实验箱为长方体结构。

从以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下优点：

本实用新型的系统包括实验箱、双头USB数据线和设有基于LabVIEW的双通道示波平台的计算机，实验箱设有两USB外置声卡、电源模块、波形信号发生模块和教学实验电路模块，其中由波形信号发生模块产生波形信号并输入给教学实验电路模块，教学实验电路模块输出的信号通过USB外置声卡进行采集和发送至双通道示波平台，最后通过该平台进行数据采集通道选择、数据处理和波形显示；本实用新型通过价格低廉的USB外置声卡取代商用数据采集卡进行双通道数据采集，将波形信号发生模块置于实验箱内，外接多种独立的教学实验电路，且由虚拟的双通道示波平台替代传统示波器，能够有效降低模电实验室的配置成本，整个系统结构小巧，便于携带，可以满足学生日常实验需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型一个可选实施例提供的一种适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统的原理框图；

图2为本实用新型一个可选实施例提供的实验箱的面板的正视图。

附图标记：

1-实验箱；2-第一USB外置声卡；3-第二USB外置声卡；4-双通道示波平台；5-计算机；6-电源模块；7-波形信号发生模块；8-教学实验电路模块；9-双头USB数据线；41-通道控制模块；42-信号采集模块；43-信号处理模块；44-数据显示模块；61-第一级电源转换单元；62-第二级电源转换单元；A1-USB接口；A2-第一输出端接口；A3-第二输出端接口；A4-第三输出端接口；A5-1-第一信号输入端接口；A5-2-第二信号输入端接口；A6-教学实验电路模块连接单元；A7-频率调节旋钮；A8-幅度调节旋钮；A9-1-“-12V”接口；A9-2-“+12V”接口；A10-GND接口。

具体实施方式

本实用新型实施例提供了一种适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，用于解决现有模电实验室配置成本过高且便携性差的技术问题。

为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1、图2，本实用新型实施例提供的一种适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，包括实验箱1、双头USB数据线9和设有基于LabVIEW的双通道示波平台4的计算机5；

所述实验箱1设有第一USB外置声卡2、第二USB外置声卡3、电源模块6、波形信号发生模块7和教学实验电路模块8，所述电源模块6用于给所述波形信号发生模块7和教学实验电路模块8的运行提供电源，所述波形信号发生模块7用于给所述教学实验电路模块8提供波形信号；所述教学实验电路模块8设有两个信号输出端，所述教学实验电路模块8的一个信号输出端与所述第一USB外置声卡2连接，所述教学实验电路模块8的另一个信号输出端与所述第二USB外置声卡3连接；所述第一USB外置声卡2和所述第二USB外置声卡3通过所述双头USB数据线2连接双通道示波平台4；

所述教学实验电路模块8包括多个教学实验电路，所述实验箱1的外表面设有与所述教学实验电路的各测试点对应的插接口；

所述双通道示波平台4包括相连接的通道控制模块41、信号采集模块42、信号处理模块43和数据显示模块44；所述通道控制模块41用于控制所述信号采集模块42读取所述第一USB外置声卡2和所述第二USB外置声卡3的数据；所述信号处理模块43基于预置的示波器信号处理程序，对信号采集模块42读取的数据进行参数测量和频谱分析，通过触发控制将采集的波形发送至所述数据显示模块44进行显示。

其中，所述教学实验电路包括多级放大电路、积分电路、比例运算放大电路和有源滤波电路，各电路模块可进行独立实验。该测试点可以包括各教学实验电路的输入端和输出端，测试点的设置可以根据模电实验的具体要求进行适应性设置。

由于教学实验电路模块8产生的被测信号的频率在音频范围内，同时本申请的模电实验对采样频率要求不是很高，本实施例基于USB外置声卡进行信号采集，可以保障信号采集的效率和稳定性。由于USB外置声卡相对于商用的数据采集卡更加低廉，基于USB外置声卡进行信号采集，能够有效降低系统整体的配置成本，且具备性能稳定、通用性强和驱动程序运行方便的特点。

具体实施时，可以将USB外置声卡的“Line in”端作为信号输入端，与计算机5上的双通道示波平台4连接，从而将教学实验电路模块8产生的被测信号进行A/D转换后传输至计算机5上。

其中，通道控制模块41可以基于内置的控制程序来控制所述信号采集模块42读取所述第一USB外置声卡2和所述第二USB外置声卡3的数据。该内置的控制程度使得通道控制模块41能选择任意一个通道(例如选择第一USB外置声卡2)或者同时选择两个通道，来对USB外置声卡的数据进行读取。

该内置的控制程序，例如是，基于两个While循环结构来分别控制两个通道。当电源打开时，控制程序控制信号采集模块42开始对第一USB外置声卡2和所述第二USB外置声卡3的数据分别进行信号采集；当电源关闭或者有错误输出时，控制程序控制信号采集模块42停止信号采集。

需要说明的是，可以利用现有的数据通道控制程序来实现通道控制模块41的功能，本实施例中，并未涉及到方法上的改进。

其中，信号采集模块42中可以利用LabVIEW中的有关声卡采集数据的函数对所述第一USB外置声卡2和所述第二USB外置声卡3分别进行初始化、启动信号采集和缓存数据清空。例如，通过SI CONGFIG函数对两个USB外置声卡进行配置，以设置输入设备、采样数和输入信号的格式等；通过SI READ函数读取USB外置声卡的数据；通过SI CLEAR函数关闭USB外置声卡，同时释放USB外置声卡的缓存数据。

其中，可以采用现有虚拟声卡示波器中的信号处理程序作为本实施例中的示波器信号处理程序。或者，利用LabVIEW中的Case结构进行示波器信号处理程序的设计。本申请实施例中，并不限定具体的程序编程方法，因此，并不涉及到方法上的改进。

作为一具体实施方式，利用LabVIEW中的Case结构进行示波器信号处理程序的设计时，可以参数下述的程序设计过程。

设置示波器信号处理程序包括触发控制程序部分、参数测量程序部分和频谱分析程序部分。

其中，触发控制程序部分由三层结构嵌套而成；在分别控制两个通道的While循环里，触发控制的第一层是分别用“第一通道”、“第二通道”的布尔开关按钮作为控制条件的case结构，用来控制第一通道和第二通道的通道信号。两个通道开关可以同时打开同时关闭，或者只打开其中一个，不会相互影响。当开关状态为“off”时，case结构中布尔量为“False”，不发生触发；当开关状态为“on”时，case结构布尔量为“True”，则本VI调用“触发助手(子VI)”。“触发助手(子VI)”由以“触发模式”为控制条件的case结构组成，通过选择“触发模式”对“触发助手(子VI)”中的case结构进行触发。在“触发助手(子VI)”中，当“触发模式”选择为“正常”时，不发生触发，信号输出并显示波形；当“触发模式”选择为“连续”时，发生触发，“触发助手(子VI)”调用“触发(子VI)”进行连续触发。该“触发(子VI)”由While循环和case结构嵌套而成。当调用“触发(子VI)”时，程序进入While循环，开始查找触发位置。根据触发电压、触发方式对采集到的信号进行Y数组索引，进行初级触发检测。若检测到触发，则对信号数据进行缓存、截取、输出和波形显示，否则重新进行触发检测。

其中，参数测量程序部分可以采用case结构对采集数据的峰峰值、均方值、频率和周期进行计算测量，以“波形测量”按钮为控制条件。单击“波形测量”按钮，case结构中布尔量变为“True”，信号数据进入case结构，经过“幅值和电平测量”和“信号的时间与瞬间特性测量”控件计算得到信号峰峰值、均方根、频率和周期，并送入对应显示框显示。当按钮处于释放状态时，case结构中布尔量为“False”，显示框显示结果保持不变。直到再次单击“波形测量”按钮时，波形数据才会进入case结构进行测量，显示新结果。

其中，频谱分析程序部分可以采用case结构对波形进行频谱分析，以“频谱分析”按钮为控制条件。单击“频谱分析”按钮，case结构中布尔量变为“True”，本VI调用“频谱分析(子VI)”对波形进行频谱分析，同时将分析得到“幅度频谱”显示出来。单击频谱分析前面板的“返回”按钮，“频谱分析(子VI)”停止运行，case结构中的布尔量转变为“False”状态。

在一种能够实现的方式中，所述数据显示模块44包括水平扫描速度调节单元、波形水平偏移单元、垂直幅度调节单元和波形垂直偏移单元；该水平扫描速度调节单元用于进行水平扫描速度调节；所述波形水平偏移单元用于进行波形水平方向位置的调节；所述垂直幅度调节单元用于进行波形在垂直方向上的幅度的调节；所述波形垂直偏移单元用于进行波形垂直方向位置的调节。

具体地，可以采用19层case-switch结构，将用户选择的“时间刻度标尺”作为case的选择条件，根据不同的选择条件，水平扫描速度调节单元用不同的数据捆绑成簇，作为波形图属性引用节点的水平分度范围的设定值。捆绑成簇的几个数据分别表示输入信号水平分度的最小值、最大值、增量、次增量和起始值。

具体地，波形水平偏移单元在水平偏移设置值为0时，以X轴刻度为初始位置显示波形。通过调节水平偏移设置值，可以实现波形水平方向位置的调节。当数值为负值时，波形向左偏移，当数值为正值时，波形向右偏移。

具体地，通过垂直幅度调节单元，可以将显示界面的Y轴刻度电压值范围固定为-0.5V～0.5V。在垂直方向上分为10个大格，每个大格代表0.1V；每个大格又分为5个小格，代表0.02V。垂直幅度调节单元可以采用9层case-switch结构，将用户选择的垂直分度单位作为case的条件，再根据不同的条件，在case结构里面按照比例放大或缩小。由此，波形在垂直方向上的幅度即等于其所占的格数与档位的乘积。

具体地，波形垂直偏移单元可以通过调节垂直偏移设置值，实现波形初值方向位置的调节。垂直偏移设置值为负值时，波形往下移动，垂直偏移设置值为正值时，波形往上移动。

在一种能够实现的方式中，所述波形信号发生模块7基于ICL8038芯片生成波形信号，所述波形信号包括三角波信号、方波信号和正弦波信号。

其中，波形信号发生模块7设有频率调节电路和幅度调节电路。所述实验箱1的外表面设有与所述频率调节电路连接的频率调节旋钮A7和与所述幅度调节电路连接的幅度调节旋钮A8。

ICL8038芯片是单片精密函数发生器专用芯片，电路主要由恒流源、电压比较器、触发器和缓冲器等组成，具有输出波形失真小、频率范围宽、频率稳定度高、外围电路简单和便于制作等特点。

本实施例中，波形信号发生模块7以ICL8038芯片为核心芯片，工作电压设置为12V～15V。ICL8038芯片可产生频率范围为10Hz～450KHz的低失真三角波、方波和正弦波。通过频率调节电路和幅度调节电路，可以调整三个输出信号的幅度和频率大小。

在一种能够实现的方式中，所述电源模块6包括第一级电源转换单元61和第二级电源转换单元62；

所述第一级电源转换单元61用于将5V电压转换为±14V电压；

所述第二级电源转换单元62用于将±14V电压转换为±12V电压。

其中，所述第一级电源转换单元61设有USB接口A1。

第一级电源转换单元61可以为隔离式双电源，隔离式双电源以XL6009芯片为核心器件，可以将较低的直流电压转换输出较高电压，同时允许较大电流输出，具备功耗小，输出电压稳定，体积小、重量轻，转化效率高和输入电压的调整能力强等特点。第二级电源转换单元62可将±14V电压转换为±12V，为信号发生与测量提供低噪声条件，保证测量精度。模块通过USB接口A1连接电脑接通5V电压，然后将电压转换为±12V电压，给其他模块提供工作电压。

在一种能够实现的方式中，所述波形信号发生模块7设有三角波信号输出端、方波信号输出端和正弦波信号输出端；所述实验箱1的外表面还设有与所述三角波信号输出端对应的第一输出端接口A2、与所述方波信号输出端对应的第二输出端接口A3、与所述正弦波信号输出端对应的第三输出端接口A4、与所述第一USB外置声卡2的输出端对应的第一信号输入端接口A5-1以及与所述第二USB外置声卡3的输出端对应的第二信号输入端接口A5-2。

通过在第一输出端接口A2、第二输出端接口A3和第三输出端接口A4中选择接口与教学实验电路模块8的对应输入端连接，可以实现三角波信号、方波信号和正弦波信号的输出选择。

在一种能够实现的方式中，所述实验箱1的外表面设有教学实验电路模块连接单元A6；所述插接口位于所述教学实验电路模块连接单元A6的测试点标记上。所述插接口的设置可以便于学生在实验过程中插接实验电路。在一种能够实现的方式中，所述实验箱1为长方体结构。所述实验箱1包括底座和连接所述底座的面板；所述面板朝向所述底座的一侧设有PCB集成板，所述波形信号发生模块7和各所述教学实验电路设置于所述PCB集成板上。

如图2所示，为便于学生进行模电实验操作，所述的第一输出端接口A2、第二输出端接口A3、第三输出端接口A4、第一信号输入端接口A5-1、、第二信号输入端接口A5-2、教学实验电路模块连接单元A6、频率调节旋钮A7以及幅度调节旋钮A8均设置在该面板上。相应地，面板上还可以标注有第一输出端接口A2、第二输出端接口A3、第三输出端接口A4、第一信号输入端接口A5-1、第二信号输入端接口A5-2、频率调节旋钮A7以及幅度调节旋钮A8的标识信息。

该插接口包括位于教学实验电路模块连接单元A6顶部的“-12V”接口A9-1及“+12V”接口A9-2，以及位于教学实验电路模块连接单元A6底部的两端的GND接口A10。

该面板上还设有用于与计算机设备的5V电源连接的USB接口A1。

进一步地，还可以在面板上标注实验的相关信息，例如实验名称、所属单位等，例如图2中标注的“xxx实验xxx单位”。

以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，其特征在于，包括实验箱、双头USB数据线和设有基于LabVIEW的双通道示波平台的计算机；

所述实验箱设有电源模块、波形信号发生模块、教学实验电路模块、第一USB外置声卡和第二USB外置声卡，所述电源模块用于给所述波形信号发生模块和教学实验电路模块的运行提供电源，所述波形信号发生模块用于给所述教学实验电路模块提供波形信号；所述教学实验电路模块设有两个信号输出端，所述教学实验电路模块的一个信号输出端与所述第一USB外置声卡连接，所述教学实验电路模块的另一个信号输出端与所述第二USB外置声卡连接，所述第一USB外置声卡和第二USB外置声卡通过所述双头USB数据线连接所述双通道示波平台；

所述教学实验电路模块包括多个教学实验电路，所述实验箱的外表面设有与所述教学实验电路的各测试点对应的插接口；

所述双通道示波平台包括相连接的通道控制模块、信号采集模块、信号处理模块和数据显示模块；所述通道控制模块用于控制所述信号采集模块读取所述第一USB外置声卡和所述第二USB外置声卡的数据；所述信号处理模块基于预置的示波器信号处理程序，对信号采集模块读取的数据进行参数测量和频谱分析，通过触发控制将采集的波形发送至所述数据显示模块进行显示。

2.根据权利要求1所述的适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，其特征在于，所述波形信号发生模块基于ICL8038芯片生成波形信号，所述波形信号包括三角波信号、方波信号和正弦波信号。

3.根据权利要求2所述的适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，其特征在于，所述波形信号发生模块设有三角波信号输出端、方波信号输出端和正弦波信号输出端；

所述实验箱的外表面还设有与所述三角波信号输出端对应的第一输出端接口、与所述方波信号输出端对应的第二输出端接口、与所述正弦波信号输出端对应的第三输出端接口以及与所述教学实验电路模块的输入端对应的输入端接口。

4.根据权利要求2所述的适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，其特征在于，所述波形信号发生模块设有频率调节电路和幅度调节电路；

所述实验箱的外表面设有与所述频率调节电路连接的频率调节旋钮和与所述幅度调节电路连接的幅度调节旋钮。

5.根据权利要求1所述的适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，其特征在于，所述实验箱的外表面设有教学实验电路模块连接单元；

所述插接口位于所述教学实验电路模块连接单元的测试点标记上。

6.根据权利要求1所述的适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，其特征在于，所述教学实验电路包括多级放大电路、积分电路、比例运算放大电路和有源滤波电路。

7.根据权利要求1所述的适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，其特征在于，所述电源模块包括第一级电源转换单元和第二级电源转换单元；

所述第一级电源转换单元用于将5V电压转换为±14V电压；

所述第二级电源转换单元用于将±14V电压转换为±12V电压。

8.根据权利要求7所述的适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，其特征在于，所述第一级电源转换单元设有USB接口。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，其特征在于，所述实验箱包括底座和连接所述底座的面板；

所述面板朝向所述底座的一侧设有PCB集成板，所述波形信号发生模块和各所述教学实验电路设置于所述PCB集成板上。

10.根据权利要求9所述的适用于模拟电子技术实验的口袋实验系统，其特征在于，所述实验箱为长方体结构。

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