1概述

　　眾所周知，電子技術(shù)的學(xué)習(xí)和研究必須要與實踐緊密結(jié)合，而實驗和創(chuàng)新作為其實踐體系中最為重要的環(huán)節(jié)，非常依賴于實驗儀器設(shè)備。傳統(tǒng)的實驗儀器設(shè)備具有集成度高、功能豐富等優(yōu)點(diǎn)，但價格較高、體積大不易攜帶、更新周期長、功能高度定制不易擴(kuò)展、需要配合下載器和計算機(jī)使用、其所處實驗室具有封閉性和時效性等問題，而無法滿足學(xué)生隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)和實驗的需要[1]。根據(jù)以上問題，本文基于“口袋”實驗室理念，設(shè)計出一款低成本、體積小的多功能電子電路測量儀，可將編程電源、萬用表、示波器、邏輯分析儀、波形發(fā)生器和傳感器接口集成于一塊電路板上，并配以手機(jī)APP及PC軟件操控和顯示，從而能讓學(xué)生將實驗室裝進(jìn)“口袋”。這個設(shè)備突破了傳統(tǒng)實驗室場地及開放時間的局限，使學(xué)生能夠隨時隨地進(jìn)行實驗，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和動手能力。

　　2“口袋”實驗室理念

　　“口袋”實驗室理念近年由美國德州儀器(TI)和賽靈思(Xil-inx)等知名公司的中國大學(xué)計劃項目引入中國。它泛指各種功能強(qiáng)大的小型開發(fā)板，倡導(dǎo)一種不受時間、空間限制的全新實驗教學(xué)模式。它們具有“小身材，大能量，開源性”的優(yōu)點(diǎn)，方便學(xué)生二次開發(fā)�？诖鼘嶒炇业脑O(shè)備雖然體積小，但價格低、功能全�；�本上可以做到“一人一板，隨時學(xué)習(xí)”，這一概念受到廣大師生的歡迎和好評。“口袋”實驗室的引入將會解決現(xiàn)有實驗儀器設(shè)備的弊端，賦予學(xué)生更大的靈活性，釋放學(xué)生的創(chuàng)新與創(chuàng)造力，增加學(xué)生對學(xué)習(xí)的熱情，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，獨(dú)立學(xué)習(xí)及動手實踐的能力[2]。

　　3多功能電子電路測量儀的設(shè)計

　　3.1總體設(shè)計思路

　　功能方面，考慮到各類電學(xué)信號的發(fā)生、轉(zhuǎn)換及測量是學(xué)生進(jìn)行各類電子技術(shù)相關(guān)實驗和創(chuàng)新最基本的需求，進(jìn)而將該設(shè)計定位為通用型多功能電子電路測量設(shè)備。我們秉持“高性價比、可靠、精確、夠用”的設(shè)計原則。所謂“高性價比”是指最大限度地控制電路成本，使得所有的學(xué)生都有可能配置使用;“可靠”則是要求電路在各種異常使用狀態(tài)下都不易損壞;“精確”是指儀器的功能必須具備一定的動態(tài)范圍與精度，以滿足各類實驗和創(chuàng)新的需要;“夠用”則是指考慮到學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的實際情況，不過分追求高指標(biāo)[3]。經(jīng)過調(diào)研和論證，最終確定該電子測量儀集成編程電源、萬用表、示波器、邏輯分析儀、波形發(fā)生器和傳感器接口等六大功能，如圖1所示。整個設(shè)計分為硬件和軟件兩大部分，硬件電路采用16位MCU微控制單元PIC24EP256GP204作為核心處理器，將六個功能模塊集成在一塊PCB板上，設(shè)計成一個***卡片大小的“口袋”實驗室產(chǎn)品，利用其配套的探頭即可對電壓、電流、電阻、電容等多種電學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量。測量操作通過軟件系統(tǒng)的下位機(jī)軟件進(jìn)行控制和處理，測量結(jié)果交由手機(jī)APP和PC端等上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示和分析。

　　3.2硬件部分設(shè)計概述

　　16位微控制器PIC24EP256GP204作為核心處理芯片，負(fù)責(zé)連接編程電源、萬用表、示波器、邏輯分析儀、波形發(fā)生器和傳感器接口等六個主要功能模塊并提供主控程序。MCP2200芯片提供USB+5V電源，最大電流500mA;示波器模塊由兩個正反饋差分放大器，四個負(fù)反饋差分放大器以及兩個可編程增益放大器MCP6s21芯片組成，可以配置為+1V至+32V的電壓增益，誤差低至1%;波形發(fā)生器主要利用運(yùn)算放大器TL082實現(xiàn)，可實現(xiàn)雙通道5Hz～5kHz任意波形，手動幅度控制高達(dá)+3V或-3V，PWM輸出最大頻率為32MHz,且占空比可調(diào);可編程電壓源電流源模塊由EEPROM芯片MCP4728控制，LM324芯片及MMBT3906晶體管等經(jīng)電路連接后輸出，可提供最大輸出電流3.3mA及三路可編程電壓源±5V，±3.3V，0～3.3V。萬用表功能由芯片TC1240A、TC7660、MMBT3904和MMBT3906兩個互補(bǔ)的三極管共同實現(xiàn)，電容測量范圍為pF～uF,頻率計測試高達(dá)16MHz。硬件實現(xiàn)效果如圖2所示。

　　3.3軟件部分設(shè)計概述

　　軟件部分主要分為下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件。下位機(jī)軟件主要實現(xiàn)對硬件的控制功能，此外還實現(xiàn)校正系統(tǒng)誤差的功能，使得由不同器件造成的誤差不會影響到系統(tǒng)的精度[4]。上位機(jī)軟件主要通過USB接口實現(xiàn)對各儀器的控制，界面簡明易操作，使得用戶能夠輕松使用本系統(tǒng)完成操作。下位機(jī)程序采用C語言設(shè)計，開發(fā)及編譯環(huán)境采用MPLABXIDE;上位機(jī)軟件分為手機(jī)APP和PC端應(yīng)用程序。手機(jī)端APP適用于安卓系統(tǒng)，源代碼編譯語言為Java，編譯環(huán)境為AndroidStudio;PC端應(yīng)用程序采用Python語言編寫。Pyqtgraph用于繪制顯示的波形，通過USB或無線通信模塊傳輸至手機(jī)端或PC端，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時顯示。

　　4結(jié)束語

　　本文介紹的多功能電子電路測量儀體積小巧、便于攜帶、實驗數(shù)據(jù)可在手機(jī)端或者PC端實時顯示，并可以進(jìn)行二次實驗開發(fā)，能夠滿足大部分電子電路實驗的要求，為高校學(xué)生及科技愛好者提供了一種實用性極高的“口袋”實驗室設(shè)備，讓隨時隨地做實驗的想法成為了現(xiàn)實，可以極大的提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力。后期可通過增加功能模塊、實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的云存儲和分析對設(shè)計進(jìn)一步完善和提升。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]劉瑋，孟橋，張?zhí)硪�，�?口袋虛擬實驗室的設(shè)計[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2016，38(6)：105-109+115.

　　[2]滕召勝，唐求，溫和，等.單片機(jī)口袋實驗室在實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2017，34(10)：223-225+237.

　　[3]張紅梅，唐明良.基于學(xué)生自主實踐的“口袋”實驗室構(gòu)建[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50(15)：157+161.

　　[4]葉進(jìn)，樊好志.一種多功能電子測量儀研究[J].電子質(zhì)量，2009(8)：7-9.

　　《口袋實驗室多功能電子電路測量儀》來源：《南方農(nóng)機(jī)》，作者：王巖 張宏亮 牛婷婷 劉榮慧

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