基于虛擬示波器的模電課堂實驗演示裝置設計研究

王利平　王榮榮　侯新剛

摘 要 針對常規模電實驗不便在課堂演示的缺點，研究設計一種基于虛擬示波器的模電課堂實驗演示裝置，可將實驗搬進課堂，將實驗結果通過虛擬示波器傳至多媒體投影顯示。通過理論與實踐相結合的教學模式，可增強課堂教學效果。

關鍵詞 實驗演示；虛擬示波器；模塊電路；教學效果

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2014）04-0112-03

1 引言

模電（模擬電子技術）是工科電類專業一門非常重要的專業基礎課，其具有理論抽象、工程實踐性強的特點。因此，實驗教學是模電課程必不可少的環節。由于模電實驗需用到較多的設備儀器，儀器設備體積大、重量大，所以模電實驗基本都是安排在理論課教學之后在實驗室進行。實驗室操作環境較好，實驗設備齊全，但由于理論課與實驗課的時間、地點不同，在理論課上有些概念學生在學習過程中會感到抽象難以理解；如果能在理論課堂上進行實時實驗演示，則可加深學生直觀印象，幫助學生理解相關概念和理論。但常規模電實驗箱體積龐大、攜帶不便，需用儀器多樣，且結果可視性較差，觀察范圍較小，不適合在課堂進行演示。

2 實驗演示裝置結構組成

針對常用模電實驗箱體積龐大，需用設備較多，不便拿到教室進行課堂演示的缺點，文章設計完成了一個基于虛擬示波器進行信號波形測量顯示的課堂實驗演示裝置，實驗演示裝置集成了常規模電實驗需用的儀器設備功能，主要包括5個基本部分：電源、簡易信號發生器、實驗模塊電路、基本顯示電路、虛擬示波器。結構框圖如圖1所示。

其中，電源、簡易信號發生器、基本顯示裝置電路內嵌于演示裝置內部，輸出接口置于演示裝置面板上，與實驗面板上的實驗模塊電路通過香蕉插線連接；虛擬示波器外置，通過測試表筆連接模塊電路；示波器通過USB連接線與多媒體計算機連接，通過投影屏幕顯示測試結果。

3 實驗演示裝置設計

電源設計 演示裝置電源為一線性直流穩壓電源，可提供±12 V、±5 V兩組四路固定電壓輸出，同時輸出一路15 V正弦交流電，可以滿足模擬電路課堂演示實驗要求。線性直流穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四部分組成，結構框圖如圖2所示。

電路選用雙15 V輸出的電源變壓器，硅整流橋整流，電容濾波，通過三端穩壓器7812、7912和7805、7905穩壓輸出±12 V和±5 V直流電壓。

簡易信號發生器設計 演示裝置的簡易信號發生器是以ICL8038為核心設計制作的一種函數信號發生器，電路結構簡單，性能穩定可靠。ICL803是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，外部只需接入很少的元件即可同時產生方波、三角波和正弦波，其函數波形的頻率或占空比可通過外接電阻或電容來調節。簡易信號發生器電路如圖3所示。

圖中R2、R3、RW2為方波占空比調節電阻，調節RW2可對矩形波占空比進行調節。引腳10上外接C1～C6六個定時電容，改變波段開關SW1的位置，選擇不同電容，可獲得6個頻段的輸出信號，分別為20 Hz、250 Hz、10 kHz、20 kHz、100 kHz、1 MHz；R1、RW1組成分壓網絡，調節RW1可改變ICL8038的8腳輸入電壓，可改變輸出信號的頻率。電路采用R4和RW3、R5和RW4兩套調節電位器用以調節正弦波失真，在實測中正弦波的失真度低于1%，精度完全滿足演示實驗的要求。

ICL8038的2腳輸出的正弦波，3腳輸出的三角波和9腳輸出的矩形波通過選擇開關SW2進行波形選擇，之后送入集成運放LF356跟隨輸出。調節電位器RW5可改變輸入到LF356的信號幅值大小，使信號發生器的輸出信號的幅度實現連續可調。

基本顯示模塊 基本顯示模塊包括兩塊直流電壓表和兩塊直流電流表，用于測量顯示模擬實驗電路的直流電壓和電流。顯示模塊表頭選用三位半LED數顯電壓表頭和電流表頭，表頭顯示管選用1.5寸紅色LED數碼管，顯示數值醒目清晰，在教室進行實驗演示測試時，即使教室后排也可清晰可見。

虛擬示波器 示波器是模電實驗中最常用的測量儀器之一，通常教師在介紹示波器使用時，對著示波器操作，而不能進行多媒體教學，教學效果較差，還會出現學生做完幾個實驗后不懂如何操作示波器某些功能的現象。

虛擬示波器是虛擬儀器技術的一種典型的應用，它將現場信號經放大調理后，再通過數據采集卡將其數據傳輸到計算機，并借助應用軟件模擬示波器的操作面板，實現信號采集、分析處理、終端顯示。虛擬示波器通過軟件界面操作，能克服常規示波器在課堂教學中不便演示的缺點，通過電腦和投影儀，可以很方便地將示波器測試結果顯示在多媒體上，方便學生觀察教師的操作過程，理解示波器工作原理，提高實驗教學的質量。

系統選用Hantek6022BE虛擬示波器，該示波器體積小，重量輕，無需外部電源，通過USB線將測試數據傳輸到計算機中，通過示波器配套的應用軟件進行波形顯示分析。Hantek6022BE為直流耦合的可存儲雙通道虛擬示波器，帶寬20 MHz，電壓量程可在20 mV～5 V之間選擇，時基量程可在1 nS～5000 S之間設定，垂直位置可調，觸發源有CH1、CH2、EXT三種方式。示波器還設置有1 kHz標準測試信號，功能和常規示波器基本一致，應用軟件界面旋鈕選項與實際示波器相似，應用軟件界面如圖4所示。示波器攜帶方便，操作簡單，顯示效果好。

實驗模塊電路 根據模電課程的授課內容要求，演示裝置設置了6個演示實驗模塊電路。

1）二極管性能測試及應用電路：可演示二極管的單向導電特性、PN結正向壓降、二極管的整流、限幅、鉗位等應用。例如用裝置進行二極管整流電路的演示，通過虛擬示波器觀察整流前信號波形與整流后的脈動直流電波形，以及加上濾波電容后的輸出波形，同時觀察濾波電容大小變化后波形的變化，可以使學生通過實際電路現象的直觀感受，深刻理解二極管的單向導電特性。二極管性能測試及應用電路如圖5所示，二極管整流、濾波演示實驗結果如圖6所示。

2）基本共射放大電路：可演示三極管的電流放大性能；三極管在截止、放大、飽和狀態下的工作特性；通過虛擬示波器可演示交流小信號的放大；通過調節放大電路的基極電阻Rb，可演示放大電路的截止失真、飽和失真等。

3）靜態工作點穩定電路：可演示放大電路中負反饋對電路的影響，通過短路塊可將反饋電阻Re接入電路或短接，觀察負反饋對放大電路的影響；改變負載阻值，觀察波形幅度變化。

4）射極輸出器：可演示射極輸出器的工作特性，和共射電路聯接可演示輸入輸出負載對前級及后級電路的影響，理解帶負載能力強弱的概念。

5）集成運算的基本運算電路：可演示同相比例放大、反相比例放大、減法運算、積分運算電路等。

6）功率放大電路：可演示甲類、乙類、甲乙類功率放大器輸出信號特性、交越失真。

4 總結

基于虛擬示波器的模電實驗裝置包括穩壓電源、簡易信號發生器、電壓電流測試、模塊實驗電路、虛擬示波器等5個部分，具有攜帶方便、操作簡單方便、演示效果好的特點，將原本只能在實驗室進行的模電實驗搬進了課堂，在理論教學的同時進行輔助實驗演示，將實驗結果通過虛擬示波器傳至多媒體計算機投影顯示。通過演示實驗，使得課堂教學能夠理論聯系實際，理論講授過程變得直觀生動，利用學生的探究心理，提高學生的學習興趣，加深學生對知識點的理解，對于提高課堂教學效果的優化增強具有重要的作用。

參考文獻

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