王利平　王榮榮　侯新剛

摘 要 針對常規(guī)模電實(shí)驗(yàn)不便在課堂演示的缺點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)一種基于虛擬示波器的模電課堂實(shí)驗(yàn)演示裝置，可將實(shí)驗(yàn)搬進(jìn)課堂，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過虛擬示波器傳至多媒體投影顯示。通過理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，可增強(qiáng)課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)演示；虛擬示波器；模塊電路；教學(xué)效果

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2014）04-0112-03

1 引言

模電（模擬電子技術(shù)）是工科電類專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其具有理論抽象、工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是模電課程必不可少的環(huán)節(jié)。由于模電實(shí)驗(yàn)需用到較多的設(shè)備儀器，儀器設(shè)備體積大、重量大，所以模電實(shí)驗(yàn)基本都是安排在理論課教學(xué)之后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室操作環(huán)境較好，實(shí)驗(yàn)設(shè)備齊全，但由于理論課與實(shí)驗(yàn)課的時間、地點(diǎn)不同，在理論課上有些概念學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會感到抽象難以理解；如果能在理論課堂上進(jìn)行實(shí)時實(shí)驗(yàn)演示，則可加深學(xué)生直觀印象，幫助學(xué)生理解相關(guān)概念和理論。但常規(guī)模電實(shí)驗(yàn)箱體積龐大、攜帶不便，需用儀器多樣，且結(jié)果可視性較差，觀察范圍較小，不適合在課堂進(jìn)行演示。

2 實(shí)驗(yàn)演示裝置結(jié)構(gòu)組成

針對常用模電實(shí)驗(yàn)箱體積龐大，需用設(shè)備較多，不便拿到教室進(jìn)行課堂演示的缺點(diǎn)，文章設(shè)計(jì)完成了一個基于虛擬示波器進(jìn)行信號波形測量顯示的課堂實(shí)驗(yàn)演示裝置，實(shí)驗(yàn)演示裝置集成了常規(guī)模電實(shí)驗(yàn)需用的儀器設(shè)備功能，主要包括5個基本部分：電源、簡易信號發(fā)生器、實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路、基本顯示電路、虛擬示波器。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

其中，電源、簡易信號發(fā)生器、基本顯示裝置電路內(nèi)嵌于演示裝置內(nèi)部，輸出接口置于演示裝置面板上，與實(shí)驗(yàn)面板上的實(shí)驗(yàn)?zāi)K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(jì)算機(jī)連接，通過投影屏幕顯示測試結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)演示裝置設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì) 演示裝置電源為一線性直流穩(wěn)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(shí)驗(yàn)要求。線性直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，結(jié)構(gòu)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(wěn)壓器7812、7912和7805、7905穩(wěn)壓輸出±12 V和±5 V直流電壓。

簡易信號發(fā)生器設(shè)計(jì) 演示裝置的簡易信號發(fā)生器是以ICL8038為核心設(shè)計(jì)制作的一種函數(shù)信號發(fā)生器，電路結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)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(chǎn)生方波、三角波和正弦波，其函數(shù)波形的頻率或占空比可通過外接電阻或電容來調(diào)節(jié)。簡易信號發(fā)生器電路如圖3所示。

圖中R2、R3、RW2為方波占空比調(diào)節(jié)電阻，調(diào)節(jié)RW2可對矩形波占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。引腳10上外接C1～C6六個定時電容，改變波段開關(guān)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(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)電位器用以調(diào)節(jié)正弦波失真，在實(shí)測中正弦波的失真度低于1%，精度完全滿足演示實(shí)驗(yàn)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(guān)SW2進(jìn)行波形選擇，之后送入集成運(yùn)放LF356跟隨輸出。調(diào)節(jié)電位器RW5可改變輸入到LF356的信號幅值大小，使信號發(fā)生器的輸出信號的幅度實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。

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(shí)驗(yàn)電路的直流電壓和電流。顯示模塊表頭選用三位半LED數(shù)顯電壓表頭和電流表頭，表頭顯示管選用1.5寸紅色LED數(shù)碼管，顯示數(shù)值醒目清晰，在教室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行多媒體教學(xué)，教學(xué)效果較差，還會出現(xiàn)學(xué)生做完幾個實(shí)驗(yàn)后不懂如何操作示波器某些功能的現(xiàn)象。

虛擬示波器是虛擬儀器技術(shù)的一種典型的應(yīng)用，它將現(xiàn)場信號經(jīng)放大調(diào)理后，再通過數(shù)據(jù)采集卡將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，并借助應(yīng)用軟件模擬示波器的操作面板，實(shí)現(xiàn)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(guī)示波器在課堂教學(xué)中不便演示的缺點(diǎn)，通過電腦和投影儀，可以很方便地將示波器測試結(jié)果顯示在多媒體上，方便學(xué)生觀察教師的操作過程，理解示波器工作原理，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過示波器配套的應(yīng)用軟件進(jìn)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(shè)定，垂直位置可調(diào)，觸發(fā)源有CH1、CH2、EXT三種方式。示波器還設(shè)置有1 kHz標(biāo)準(zhǔn)測試信號，功能和常規(guī)示波器基本一致，應(yīng)用軟件界面旋鈕選項(xiàng)與實(shí)際示波器相似，應(yīng)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(shí)驗(yàn)?zāi)K電路 根據(jù)模電課程的授課內(nèi)容要求，演示裝置設(shè)置了6個演示實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路。

1）二極管性能測試及應(yīng)用電路：可演示二極管的單向?qū)щ娞匦?、PN結(jié)正向壓降、二極管的整流、限幅、鉗位等應(yīng)用。例如用裝置進(jìn)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(xué)生通過實(shí)際電路現(xiàn)象的直觀感受，深刻理解二極管的單向?qū)щ娞匦?。二極管性能測試及應(yīng)用電路如圖5所示，二極管整流、濾波演示實(shí)驗(yàn)結(jié)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(tài)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(diào)節(jié)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(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路：可演示放大電路中負(fù)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(fù)反饋對放大電路的影響；改變負(fù)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(lián)接可演示輸入輸出負(fù)載對前級及后級電路的影響，理解帶負(fù)載能力強(qiáng)弱的概念。

5）集成運(yùn)算的基本運(yùn)算電路：可演示同相比例放大、反相比例放大、減法運(yùn)算、積分運(yùn)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(jié)

基于虛擬示波器的模電實(shí)驗(yàn)裝置包括穩(wěn)壓電源、簡易信號發(fā)生器、電壓電流測試、模塊實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，將原本只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的模電實(shí)驗(yàn)搬進(jìn)了課堂，在理論教學(xué)的同時進(jìn)行輔助實(shí)驗(yàn)演示，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過虛擬示波器傳至多媒體計(jì)算機(jī)投影顯示。通過演示實(shí)驗(yàn)，使得課堂教學(xué)能夠理論聯(lián)系實(shí)際，理論講授過程變得直觀生動，利用學(xué)生的探究心理，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解，對于提高課堂教學(xué)效果的優(yōu)化增強(qiáng)具有重要的作用。

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