電子技術口袋實驗室電路系統的設計*

龐存鎖，楊 凌

(中北大學,創新創業學院,山西 太原 030051)

0 引言

現在許多高校的電子技術實驗教學是在特定的場所特定的時間授課,具有一定的時效性,學生只能在課上進行實驗,沒有完成實驗任務的學生只能隨著課堂的結束而終止,不利于學生學習能力的提升。針對上述情況,本文預設計一種便于攜帶、價格低廉、學生可自選實驗場地進行實驗的口袋實驗室,以滿足學生的學習、實驗和實踐需求,也可用于疫情等特殊時段在宿舍或家里自行實驗。

1 基于STM32單片機的口袋實驗室系統設計

本系統主要由主控制部分(STM32單片機)、電源部分、上位機通信部分、信號發生電路、顯示部分等組成,圖1所示為系統的整體框圖。

1.1 主控部分

本系統決定采用STM32F103ZET6作為主控制芯片,該芯片擁有72 MHz工作頻率,可以滿足高速信號采集的需要,支持串行單線調試(SWD)和JTAG接口;另外它還具有8個定時器,3個16位定時器,同時擁有3個12位ADC通道,滿足采集時的精度要求。它還內置有3個12位的模數轉換器,1 μs轉換時間,符合系統高采樣頻率的要求[1-3]。

1.2 信號發生器部分

信號發生器部分主要采用ICL8038作為波形發生芯片,ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調整個別的外部元件就能產生從 1 Hz～300 kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制[4]。

圖2所示為板載信號發生器部分的電路原理圖。通過改變電容,可以切換產生的頻率,ICL8038內部有兩個可調恒流源,通過對外接電容進行充電放電來起振,其后接LM358構成的電壓跟隨器,增大輸入電阻,減少輸出電阻,降低信號損耗,接著信號再經過一個OP07構成反向比例放大器,放大倍數由RP7調節,最終輸出10 V可調的信號。

圖2 信號發生器部分電路原理圖

1.3 上位機通信部分

系統與上位機之間通信采用的是USB方式,USB一般有4個引腳,一個VCC,一個GND,一個D+,一個D-。D+和D-是通信用的數據線。USB有主從機之分,由于STM32F103ZET6的USB口只能用做從機,而從機的USB口,有高速和低速之分,如果在D+接了1.5 kΩ的上拉電阻,就是高速設備,如果是在D-接了1.5 kΩ的上拉電阻,就是低速設備,而板載的STM32F103ZET6芯片支持USB2.0協議,使用的是USB全速模式,因而是高速設備,因此在D+加入了一個上拉的電阻,使得主機在識別USB的時候將STM32辨認為高速設備,最后D+、D-再接入到32單片機的USB專用端口[5-7]。

1.4 系統程序設計

STM32單片機在整個工作過程中,DAC一直工作,不斷向外輸出波形,同時STM32單片機也隨時準備接收來自上位機或者屏幕和按鍵的指令,整個系統的程序流程如圖3所示。

圖3 系統程序流程框圖

2 實驗驗證

2.1 信號調理電路驗證

將信號從SMA接口接入,并經由USB口和電腦連接,測試信號經過前端電路處理后進入AD接口前信號的波形,從而檢查電路板信號調理部分的路性能,圖4所示為連接測試的實物。

圖4 測試連接實物圖

為了測試信號調理電路的衰減偏差,將幅值為3 V,頻率為1 kHz,偏置為1 V的正弦波信號接入系統中進行測試,記錄測試所得的實驗值如表1所示。

表1 測試結果表

對比測試值和理論值可以發現每一個實驗數據的偏差值都沒有超過0.1 V,基本滿足設計要求。

2.2 三極管放大電路實驗

以常見的三極管放大電路實驗為例,驗證本系統的性能,圖5所示為搭建的三極管放大電路實物圖,設輸入信號VPP為150 mV的正弦波信號,并經過板載的衰減電路衰減為40 mV,將其作為三極管放大電路的輸入信號;圖6給出了輸入信號經過放大電路放大后變為1.241 V的正弦波信號,并對比分析了示波器測量信號的幅值和頻率。由圖6中可知,信號被放大了1.241/0.04=31.025倍,并和示波器驗證的測試結果基本一致,證明了本系統作為實驗儀器的可行性。

圖5 三極管放大電路

圖6 放大電路輸入信號檢測與示波器驗證圖

3 總結

本文設計了基于STM32單片機的電子技術口袋實驗室系統,實現了對信號的采集、恢復與顯示,并且能將數據傳輸到上位機,可進行數據波形和參數的顯示。設計的系統具有體積小、便攜性、低功耗的特點,可作為實驗室大型實驗設備的有益補充,進一步提高學生的實踐動手能力。