導(dǎo)語：如何才能寫好一篇示波器的原理和使用，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

【關(guān)鍵詞】有源電力濾波器，消諧，應(yīng)用

前言

針對非線性負(fù)荷和不平衡負(fù)載對電網(wǎng)和設(shè)備的危害日益嚴(yán)重，有源電力濾波器APF作為一種理想的諧波無功補(bǔ)償裝置，能夠?qū)︻l率和幅值均發(fā)生變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，解決了傳統(tǒng)無源濾波器的不足，因此，對APF的研究、分析和應(yīng)用具有十分重要的意義。

1.問題的提出

1.1安裝在煤機(jī)廠低壓補(bǔ)償柜上的DZ47-60/32微斷開關(guān)經(jīng)常跳閘？

1.2安裝在市區(qū)配變臺(tái)架下的無功補(bǔ)償箱電容投不上？

經(jīng)過諧波檢測儀檢測和初步分析，發(fā)現(xiàn)主要是以下原因：

對于問題1原因是：煤機(jī)廠有一臺(tái)高頻爐開機(jī)后產(chǎn)生高次諧波且幅值較大，經(jīng)檢測Hi>80%；

對于問題2原因是：

（1）電壓高。變壓器低壓側(cè)出口電壓U>240V，而無功補(bǔ)償箱的控制器電壓判據(jù)是：U>240V時(shí)過壓保護(hù)動(dòng)作。

（2）諧波電流大。經(jīng)諧波測量儀測出：Himin=15%，Himax=60%，而控制器諧波判據(jù)為Hi>8%時(shí)電容器自動(dòng)退出。

對于電壓高的問題可以通過調(diào)節(jié)母線電壓和變壓器分接頭來解決，但對于諧波超標(biāo)就必須安裝消諧濾波裝置。

2.APF裝置模型的建立

APF裝置實(shí)際上是一個(gè)與負(fù)荷諧波電流反相位的補(bǔ)償電流源，有四部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1：

（1）檢測部分：要求快速檢測負(fù)荷電流中的無功電流iq和諧波電流ih瞬時(shí)值；

（2）控制部分：根據(jù)檢測到的iq和ih向逆變電源部分各開關(guān)元件發(fā)出控制信號；

（3）逆變電源部分：采用控制極可關(guān)斷的晶閘管（GTO），或電力晶體管（GTR）及絕緣柵雙極晶體管（IGBT），用多種控制方式的脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，把直流電流或電壓轉(zhuǎn)換成幅值不變、寬度可調(diào)的高頻脈沖；

（4）輸出部分：由高頻濾波器和變壓器組成。將逆變電源輸出的高頻脈沖中的脈動(dòng)成分濾除后補(bǔ)償電流經(jīng)變壓器輸入系統(tǒng)。

3.解決方案

在高頻爐和無功補(bǔ)償箱上加裝有源濾波器（APF）。

4.APF的理論依據(jù)和消諧分析

4.1APF的理論依據(jù)

以日本赤木先生1980年提出的瞬時(shí)無功功率矢量控制理論，其主要思路是將供電系統(tǒng)的交流電壓通過矢量變換去除負(fù)荷電流中的有功基波電流，然后將其余電流歸結(jié)為補(bǔ)償電流矢量作為可控變量，從而抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)、三相不平衡和諧波，從而提高電能質(zhì)量。

4.2消諧分析

如圖2，將諧波源負(fù)荷電流i（t）按供電點(diǎn)電壓u（t）分解為與電壓波形相同且同相位的有功電流ip（t）和與其正交的無功電流iq（t）。即 i（t）=ip（t）+iq（t） 其中：ip（t）=KU（t） K為比例系數(shù)

系統(tǒng)向諧波源負(fù)荷供給的有功功率

電流i（t） 的無功分量：

由于不產(chǎn)生有功功率，APF只產(chǎn)生一個(gè)與iq幅值相等且反相的電流if，即if=-iq is=if+i=ip

因此，APF就把負(fù)荷電流中的全部諧波分量和基波無功分量完全補(bǔ)償，消除了注入系統(tǒng)的諧波電流。

5.結(jié)束語

通過在低壓補(bǔ)償柜和無功補(bǔ)償箱上加裝APF裝置，解決了無功補(bǔ)償裝置因諧波超標(biāo)投不上的問題，又防止了高頻裝置因產(chǎn)生高幅值諧波電流引起的開關(guān)誤動(dòng)。因此，綜合其自身特點(diǎn)可以推而廣之，可應(yīng)用于配網(wǎng)低壓諧波超標(biāo)、功率因數(shù)偏低以及沒裝消諧裝置的高頻裝置上，以限制或消除諧波、提高功率因數(shù)，極大的改善電能質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]中國國家標(biāo)準(zhǔn) GB7251.1-2005.《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備1》[S]

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[3]王兆安，楊君等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4]胡學(xué)之，皮大能.有源電力濾波器及其應(yīng)用技術(shù)綜述[J].

篇2

關(guān)鍵詞：數(shù)字示波器；模塊化；FPGA

中圖分類號：TM935文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)20-30375-02

The Design of Digital Oscilloscope

LIU Yan

(Tianjin Industry University, Information and Communication Engineering Institute, Tianjin 300160, China)

Abstract: The modern electronic digital oscilloscope is the most commonly measured angle of the apparatus, which is a can be used to observe, measure and record all kinds of transient voltage and wave to show their relationship with the time the electronic device. This article described the digital storage oscilloscope in detail and the principle features of this paper, a microcontroller and a programmable logic device to control the core of the design plan, and gave its hardware and software design of the structure and ideas.

Key words: Digital oscilloscopes;modular;FPGA

1 引言

數(shù)字示波器是智能化數(shù)字存儲(chǔ)示波器的簡稱，是模擬示波器技術(shù)、數(shù)字化測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合產(chǎn)物。它能夠長期存儲(chǔ)波形，可進(jìn)行負(fù)延時(shí)觸發(fā)，便于觀側(cè)單次過程和緩變信號，具有多種顯示方式和多種輸出方式，同時(shí)還可以進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，功能擴(kuò)展也十分方便，比普通模擬示波器具有更強(qiáng)大的功能，因此在電子電信類實(shí)驗(yàn)室中使用越來越廣泛。

2 數(shù)字示波器的工作原理

數(shù)字存儲(chǔ)示波器不是將波形存儲(chǔ)在示波管內(nèi)的存儲(chǔ)柵網(wǎng)上，而是存在存儲(chǔ)器中，因而存儲(chǔ)時(shí)間可以無限長。數(shù)字存儲(chǔ)示波器主要利用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)和數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)來工作，它能迅速捕捉瞬變信號并長期保存。該示波器首先對模擬信號進(jìn)行高速采樣以獲得相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)，存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)用來在示波器的屏幕上重建信號波形；然后利用數(shù)字信號處理技術(shù)對采樣得到的數(shù)字信號進(jìn)行相關(guān)處理與運(yùn)算，從而獲得所需要的各種信號參數(shù)；最后，該示波器根據(jù)得到的信號參數(shù)繪制信號波形，并對被測信號進(jìn)行實(shí)時(shí)、瞬態(tài)分析，以方便用戶了解信號質(zhì)量，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷。數(shù)字存儲(chǔ)示波器將輸入模擬信號經(jīng)過AD/轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號，儲(chǔ)存在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器RAM中，需要時(shí)將RAM中存儲(chǔ)的內(nèi)容讀出顯示在LCD，或通過DA/轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號變換成模擬波形顯示在示波管上。數(shù)字存儲(chǔ)示波器框圖如圖l所示。數(shù)字存儲(chǔ)示波器可以采用實(shí)時(shí)采樣，每隔一個(gè)采樣周期采樣一次，可以觀察非周期信號川。數(shù)字示波器的采樣方式包括實(shí)時(shí)采樣和等效采樣(非實(shí)時(shí)采樣)。等效采樣又可以分為隨機(jī)采樣和順序采樣，等效采樣方式大多用于測量周期信號。數(shù)字示波器工作原理框架如圖1。

3 數(shù)字示波器的主要特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的模擬示波器相比，數(shù)字存儲(chǔ)示波器有其非常突出的特點(diǎn)，其具體表現(xiàn)如下：(1)信號采樣速率大大提高數(shù)字存儲(chǔ)示波器首先在采樣速率上有較大地提高。可從最初采樣速率等于兩倍帶寬提高至五倍甚至十倍。相應(yīng)對正弦波取樣引入的失真也從10%降低至3%甚至1%。(2)顯示更新速率更高數(shù)字存儲(chǔ)示波器的顯示更新速率最高可達(dá)每秒40萬個(gè)波形，因而在觀察偶發(fā)信號和捕捉毛刺脈沖方面更加方便。(3)波形的采樣、存儲(chǔ)與顯示可以分離在存儲(chǔ)階段，數(shù)字示波器可對快速信號采用較高的速率進(jìn)行采樣與存儲(chǔ)，而對慢速信號則采用較低速率進(jìn)行采樣與存儲(chǔ);在顯示階段，不同頻率的信號讀出速度可以采用一個(gè)固定的速率并可以無閃爍地觀測極慢信號與單次信號，這是模擬示波器所無能為力的。(4)存儲(chǔ)時(shí)間長由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器是把模擬信號用數(shù)字方式存儲(chǔ)起來，因此，其存儲(chǔ)時(shí)間理論上可以無限長。(5)顯示方式靈活多樣為適應(yīng)對不同波形的觀測，數(shù)字存儲(chǔ)示波器有滾動(dòng)顯示、刷新顯示、存儲(chǔ)顯示、插值顯示等多種顯示方式。(6)測量結(jié)果準(zhǔn)確LCD上每個(gè)光點(diǎn)都對應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)確定的數(shù)據(jù)。操作時(shí)可用面板上的控制裝置(如游標(biāo))在LCD上標(biāo)示兩個(gè)被測點(diǎn)，以算出兩點(diǎn)間的電壓或電流，再利用計(jì)算機(jī)的字符顯示功能在LCD上直接顯示測量結(jié)果，從而減少了人為誤差，提高了測量的準(zhǔn)確度。(7)觸發(fā)功能先進(jìn)與模擬示波器不同，數(shù)字存儲(chǔ)示波器不僅能顯示觸發(fā)后的信號，而且能顯示觸發(fā)前的信號還可以任意選擇超前和滯后的時(shí)間。(8)便于程控并具有多種方式的輸出由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要部分是數(shù)字系統(tǒng)，又由微計(jì)算機(jī)管理，故可通過接口接受程序控制，也可通過接口用于各種方式的輸出。

4 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

示波器主要以微處理器、數(shù)字存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器與D/A轉(zhuǎn)換器為核心，輸人信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器把模擬波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，存儲(chǔ)在數(shù)字存儲(chǔ)器內(nèi)，顯示時(shí)再從存儲(chǔ)器中讀出。通過接口可以與計(jì)算機(jī)相連，利用機(jī)內(nèi)微處理器系統(tǒng)對存儲(chǔ)的信號作進(jìn)一步處理.也可以直接將數(shù)字信號送至液晶顯示器，這樣大大改進(jìn)顯示特性，增強(qiáng)功能，便于程控化和智能化。比傳統(tǒng)數(shù)字示波器精確得多的實(shí)時(shí)波形采集技術(shù)，使數(shù)字測量更加精確，主要用于高精度測量和分析，以及組成自動(dòng)測試系統(tǒng)。其主要性能指標(biāo)包括采樣速率、帶寬、顯示更新速率、存儲(chǔ)深度等。

按照從整體到局部的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，根據(jù)現(xiàn)代數(shù)字存儲(chǔ)示波器的性能指標(biāo)要求和實(shí)際研制需要，首先確定所設(shè)計(jì)的DSO系統(tǒng)應(yīng)該具備的功能和所需達(dá)到的性能。

（1）被測周期信號的頻率范圍為10Hz～10MHz，儀器輸入阻抗為1MW，顯示屏的刻度為8 div×10div，垂直分辨率為8bits，水平顯示分辨率≥20點(diǎn)/div。

（2）垂直靈敏度要求含1V/div、0.1V/div兩檔。電壓測量誤差≤5%。

（3）實(shí)時(shí)采樣速率≤1MSa/s，等效采樣速率≥200MSa/s；掃描速度要求含20ms/div、2μs /div、100 ns/div三檔，波形周期測量誤差≤5%。

（4）有自動(dòng)設(shè)置功能，具有多種采集、觸發(fā)和顯示方式。

（5）儀器的觸發(fā)電路采用內(nèi)觸發(fā)方式，要求上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平可調(diào)。

（6）系統(tǒng)失真小、精度高、抗干擾性強(qiáng)，能穩(wěn)定工作在各種工作環(huán)境中。

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，參考基于ARM+FPGA架構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，我們將本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成由以下幾個(gè)子系統(tǒng)組成：模擬通道、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、系統(tǒng)控制模塊、鍵盤與顯示模塊、電源模塊和系統(tǒng)監(jiān)控電路模塊。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。通道2和外部觸發(fā)通道的輸入信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路是將通道和觸發(fā)信號進(jìn)行放大或衰減、濾波等調(diào)理，把被測信號調(diào)節(jié)到VIPs=500mV～2V的ADC滿量程范圍。數(shù)據(jù)采集和處理模塊主要器件為高速ADC和FPGA。ADC負(fù)責(zé)將調(diào)理過的信號采集下來，F(xiàn)PGA根據(jù)觸發(fā)信號對采集下來的波形值進(jìn)行接收、插值和存儲(chǔ)，并將存儲(chǔ)的波形值傳輸給ARM主控模塊進(jìn)行后續(xù)的處理和顯示工作?？紤]到系統(tǒng)對采樣速率的高要求，我們采用了并行采樣技術(shù)，利用兩個(gè)500M的ADC分別在時(shí)鐘信號的上升沿和下降沿采樣來實(shí)現(xiàn)最高1G的采樣速率。這樣不但可以降低數(shù)據(jù)的數(shù)率以便后端的處理，也減少了系統(tǒng)成本。系統(tǒng)控制模塊完成對系統(tǒng)其它模塊的控制，并接收FPGA傳輸來的波形值，根據(jù)鍵盤的操作對波形和菜單進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示與更新。它還完成系統(tǒng)與上位機(jī)的通信。本系統(tǒng)對系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行了合理的分割，引入了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ來調(diào)度系統(tǒng)的各個(gè)任務(wù)。鍵盤與顯示模塊主要完成系統(tǒng)的人機(jī)交互工作以及波形和菜單的實(shí)時(shí)顯示和更新。本系統(tǒng)采用一個(gè)單片機(jī)單獨(dú)管理鍵盤，一個(gè)LCD顯示器作為系統(tǒng)的顯示部件。操作者每一次按鍵時(shí)，單片機(jī)都向主CPU發(fā)出一個(gè)中斷，主CPU響應(yīng)鍵盤的中斷，并對鍵語進(jìn)行分析，根據(jù)操作者的要求實(shí)時(shí)地更新菜單和波形。電源模塊完成對系統(tǒng)的供電功能；系統(tǒng)監(jiān)控電路模塊完成對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控工作，一旦發(fā)生異常，復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用硬件描述語言，VHDL，按模塊化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將各模塊集成于FPCA芯片中，然后通過Quar-tusll4.1軟件開發(fā)平臺(tái)，對設(shè)計(jì)文件自動(dòng)地完成邏輯編譯、邏輯化簡、綜合優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，最后對FPGA芯片進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是提供良好的人機(jī)交互功能，包括顯示波形、鍵盤控制和通信等功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在硬件的基礎(chǔ)上，能實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的各種功能，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好，實(shí)時(shí)性要高。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化、信號的采集與轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、顯示及通信等功能。本系統(tǒng)的軟件整體框架如圖3。初始化部分是系統(tǒng)加電后首先執(zhí)行的動(dòng)作，主要完成的任務(wù)有：定義程序中使用的全局變量或數(shù)組，并對其進(jìn)行初始化；對液晶進(jìn)行復(fù)位，向液晶發(fā)初始化命令，清除液晶顯示緩沖區(qū)、初始化液晶模塊內(nèi)部寄存器等；進(jìn)入顯示主界面；設(shè)置默認(rèn)的衰減/放大倍數(shù)；設(shè)置觸發(fā)產(chǎn)生電路的觸發(fā)信號比較電平；初始化鍵盤掃描電路；初始化觸發(fā)電路，其中包括觸發(fā)信號是來自內(nèi)部還是外部，上升沿還是下降沿觸發(fā)，自動(dòng)觸發(fā)還是單次觸發(fā)等；根據(jù)時(shí)基大小設(shè)置采樣時(shí)鐘的分頻比。初始

化完成后進(jìn)入主循環(huán)，系統(tǒng)開始正常工作。初始化是保證系統(tǒng)正常運(yùn)作的基礎(chǔ)，只有正確配置了CPU的工作模式寄存器、空間控制寄存器、中斷向量表等參數(shù)，CPU才能進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。參數(shù)提取是把系統(tǒng)軟件的狀態(tài)字、標(biāo)志字、環(huán)境變量等常用參數(shù)從FLASH中讀取到RAM中。系統(tǒng)在初始化階段關(guān)閉中斷，當(dāng)初始化完成后開中斷，響應(yīng)數(shù)據(jù)采集中斷、定時(shí)中斷和復(fù)位中斷。

主循環(huán)部分主要工作是負(fù)責(zé)正常顯示時(shí)的數(shù)據(jù)處理和波形顯示，它根據(jù)不同的顯示狀調(diào)用相應(yīng)的處理和顯示程序。數(shù)據(jù)采集和顯示過程中，主程序首先判斷采樣是否結(jié)束，如果結(jié)束，再判斷系統(tǒng)是否處于掃描模式。

6 結(jié)束語

利用本文提出的以單片機(jī)和可編程邏輯器件為控制核心的數(shù)字存儲(chǔ)示波器可以實(shí)現(xiàn)波形的采集、存儲(chǔ)、參數(shù)的處理與計(jì)算等功能，而且輕巧便攜、簡單實(shí)用。而利用該示波器的通訊功能還可以與外部計(jì)算機(jī)相連以進(jìn)行更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算、分析和處理，從而為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用和科學(xué)研究提供很大的方便。要數(shù)字存儲(chǔ)示波器它與模擬示波器相比，具有極強(qiáng)的優(yōu)越性，且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和其制造成本及市場價(jià)格的不斷下降，其發(fā)展前景十分看好。

參考文獻(xiàn)：

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篇3

關(guān)鍵詞：電子測量 教學(xué)方法 理論教學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2015.03.128

1 引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如現(xiàn)代數(shù)學(xué)、物理學(xué)、微電子學(xué)、材料學(xué)等科學(xué)的發(fā)展為電子測量技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。電子測量技術(shù)的發(fā)展又為各行各業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了有利的工具，推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。當(dāng)今的各行各業(yè)都離不開電子測量技術(shù)和電子測量儀器，甚至在一些原先與“電”無關(guān)的專業(yè)，如化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、土木建筑等行業(yè)也都得到了充分的利用。各式各樣的精密電子測量儀器在各種實(shí)驗(yàn)室里早已成為不可替代的基本工具和設(shè)備，因此電子測量技術(shù)的課程絕對不是可有可無的。當(dāng)代大學(xué)生、研究生必須把電子測量技術(shù)和儀器作為一門基本功，認(rèn)真學(xué)好。不論哪行哪業(yè)，在今后的工作中都將會(huì)大有益處、受益非淺?！峨娮訙y量技術(shù)》如此重要，如何更有效的展開本課程的教學(xué)工作，是一個(gè)值得我們深思的問題，本文筆者從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面對《電子測量技術(shù)》課程的教學(xué)方法進(jìn)行探索與實(shí)踐。

2 理論教學(xué)

電子測量技術(shù)課程的內(nèi)容主要包括電路參數(shù)測量、頻譜分析、時(shí)域信號的測量、晶體管特性測量等電子測量的基本原理和測量誤差分析，并包含了相關(guān)電子測量儀器的工作原理、性能指標(biāo)、實(shí)際應(yīng)用和相關(guān)儀器的最新成果等。與很多課程一樣，該課程的理論內(nèi)容非常枯燥，如果在教學(xué)過程中將理論內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容嚴(yán)重脫節(jié)，只是一味的介紹理論知識，將使得學(xué)生無法全面掌握電子測量的核心技術(shù)。若要出色的完成這門課程的教學(xué)是一項(xiàng)非常有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。理論教學(xué)工作作者是從教材選擇、教師的自我提高、逆向思維教學(xué)法三個(gè)方面展開的。

2.1 教材的選擇

一本好的教材不僅可以使教師易教，大大提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，而且還可引導(dǎo)教學(xué)改革和教學(xué)思想的轉(zhuǎn)變，而且可使學(xué)生易學(xué)，啟發(fā)學(xué)生思維、引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新。

筆者選用的教材是電子工業(yè)出版社出版的由桂林電子科技大學(xué)陳尚松等編寫的《電子測量與儀器》，該書按高等學(xué)校電子信息科學(xué)與工程類專業(yè)的教學(xué)要求編寫，教材中的內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，技術(shù)上跟進(jìn)更新。書中的內(nèi)容是按發(fā)展歷程講解儀器原理，容易入門，敘述深入淺出，圖文并茂，宜學(xué)宜懂，同時(shí)也包含了擴(kuò)展或深入的內(nèi)容可供教學(xué)和科研的不同需求選用；該書的具體內(nèi)容做到了理論聯(lián)系實(shí)際，既講電子測量原理，又講具體儀器應(yīng)用，通過實(shí)例與儀器型號參數(shù)介紹，加深對儀器的認(rèn)識和對國內(nèi)外技術(shù)水平的了解。在內(nèi)容上每章均附本章要點(diǎn)、小結(jié)和思考題與習(xí)題，便于學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和總結(jié)。

2.2 教師的自我提高

在任何一門課程的教學(xué)過程中教師都具有主導(dǎo)作用，教師知識水平的提高可使教學(xué)質(zhì)量得到有效地提高。我們知道電子技術(shù)的發(fā)展是非常迅速的，電子產(chǎn)品的發(fā)展速度呈摩爾定律所描述的規(guī)律，即集成電路的規(guī)模和微處理器的性能每18個(gè)月都會(huì)提高一倍，在這一速度的帶動(dòng)下各種電子測量儀器的生產(chǎn)廠家不斷發(fā)展更新自己的產(chǎn)品。作為《電子測量技術(shù)》的教師，一方面應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注研制和生產(chǎn)電子測量儀器的商家的產(chǎn)品動(dòng)態(tài)，要實(shí)時(shí)關(guān)注Aglient、Tektronix等這些大的電子儀器生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品動(dòng)態(tài)，定期查閱他們產(chǎn)品的資料，用來深化和擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容，將這些新內(nèi)容、新知識在課堂上呈現(xiàn)給學(xué)生，豐富課堂內(nèi)容激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，拓寬學(xué)生視野做到與時(shí)俱進(jìn)；另一方面教師要主動(dòng)進(jìn)行電子測量方面的科學(xué)研究，促使教師對該方面的知識有更深入的理解，多參加學(xué)術(shù)交流會(huì)議，到科研水平較高的國內(nèi)國際會(huì)議或其它相關(guān)的平臺(tái)學(xué)習(xí)，通過與他人交流學(xué)習(xí)來提高教師自身的水平。

2.3 逆向思維教學(xué)法

任何一門課的理論學(xué)習(xí)都是一個(gè)枯燥的過程，如何化枯燥的理論學(xué)習(xí)為一個(gè)有趣的學(xué)習(xí)過程也是教師要思考的一項(xiàng)重要內(nèi)容。這要求教師明確教學(xué)目的，在雙重考慮教學(xué)目的和本專業(yè)實(shí)際情況的條件下，選取授課內(nèi)容和授課方法。本課程主要介紹電子測量的原理及儀器使用部分，教師將理論教學(xué)的陣地從教室轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室，直接面對儀器教學(xué)，使用逆向思維的方法進(jìn)行理論教學(xué)，先從教學(xué)生如何使用測量儀器開始，讓學(xué)生對儀器的結(jié)構(gòu)有一個(gè)直觀的感性認(rèn)識，懂得儀器的各個(gè)旋扭或按鍵分別實(shí)現(xiàn)了什么功能，以及各旋扭或按鍵間如何協(xié)調(diào)工作，以使用過程中遇到的問題引發(fā)對理論知識的思考與學(xué)習(xí)。

以信號源和示波器的教學(xué)為例，這一教學(xué)過程將第三章和第六章的內(nèi)容結(jié)合起來，先對信號源和示波器兩種儀器的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解，讓學(xué)生使用示波器測量信號源輸出的信號，學(xué)生使用儀器并利用儀器觀察到信號后學(xué)習(xí)積極性也被調(diào)動(dòng)起來，教師由實(shí)際操作引導(dǎo)理論知識的學(xué)習(xí)。如在信號源的使用過程中，信號的形狀會(huì)發(fā)生變化，由此引出怎樣才能使信號的波形發(fā)生改變，這就指引學(xué)生去學(xué)習(xí)“函數(shù)信號發(fā)生器的基本組成”部分的內(nèi)容，這里講解了常見信號波形的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換方法；再如我們可以從示波器上觀察到信號源的頻率可以從低頻段調(diào)到調(diào)頻段，在同一頻段內(nèi)頻率也會(huì)在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，信號源是如何實(shí)現(xiàn)這些頻率變化的呢？帶著這樣的問題能引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)信號源內(nèi)部電路設(shè)計(jì)中的多種頻率合成方法。在示波器的使用過程中同樣提出問題，引導(dǎo)學(xué)生去學(xué)習(xí)示波器的理論內(nèi)容，如打開示波器觀察到光點(diǎn)，通過輝度與聚焦的調(diào)整引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)示波管的原理及構(gòu)造，這一顯示原理也用于其他的顯示設(shè)備上，如頻譜儀、掃頻儀等，做到觸類旁通；通過示波器的觸發(fā)模式調(diào)節(jié)鍵觀察不同觸發(fā)模式下信號的顯示變化，反過來引導(dǎo)學(xué)生去研究是怎樣的設(shè)計(jì)變化促使了顯示屏信號的相應(yīng)變化，帶著學(xué)生學(xué)習(xí)示波器X通道中的觸發(fā)電路的組成、觸發(fā)耦合方式、觸發(fā)電平、觸發(fā)極性等知識；再如使用示波器觀察信號源的同一個(gè)信號波形時(shí)，通過調(diào)節(jié)垂直或水平偏轉(zhuǎn)旋扭觀察信號波形的變化，為何會(huì)出現(xiàn)這種變化？帶著同樣的思考引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)X通道、Y通道的放大電路設(shè)計(jì)等等。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)采取驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的策略。

3.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生通過操作各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使他們對電子測量的基本概念、原理及方法有更加深入的認(rèn)識和理解，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的習(xí)慣，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力和分析、解決問題的能力。在本課程的理論教學(xué)過程中，學(xué)生已基本掌握了實(shí)驗(yàn)所用用儀器的操作和使用方法，學(xué)會(huì)利用現(xiàn)有設(shè)備采取正確方案進(jìn)行一些簡單的測試測量。教師設(shè)計(jì)一些具有鍛煉學(xué)生思考能力的實(shí)驗(yàn)給學(xué)生。如：通用計(jì)數(shù)器的應(yīng)用，該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生理解通用智能計(jì)數(shù)器工作原理，掌握測量頻率周期的測量方法及其檢定高頻信號源頻率準(zhǔn)確度，熟悉計(jì)數(shù)器的其他擴(kuò)展功能；再如通用示波器的應(yīng)用，要求學(xué)生理解示波器的工作原理、技術(shù)指標(biāo)，熟練掌握通用示波器測試信號參數(shù)的方法等。

3.2 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

《電子測量技術(shù)》課程綜合運(yùn)用了電子、計(jì)算機(jī)、通信、控制等方面的技術(shù)知識，教師結(jié)合本專業(yè)的基礎(chǔ)課程，設(shè)計(jì)了本課程的設(shè)計(jì)訓(xùn)練題目，目的是培養(yǎng)學(xué)生將科學(xué)理論與實(shí)際工程相結(jié)合的能力，通過設(shè)計(jì)訓(xùn)練，要求學(xué)生在掌握電子測量儀器基本理論的基礎(chǔ)上，能根據(jù)所學(xué)知識綜合設(shè)計(jì)簡單的測量電路，運(yùn)用單片機(jī)、FPGA、Protel等工具對簡易電子測量系統(tǒng)進(jìn)行仿真與設(shè)計(jì)，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐能力。

設(shè)計(jì)題目主要有簡易信號源設(shè)計(jì)、簡易計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)、簡易頻率計(jì)設(shè)計(jì)、簡單的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)等，讓學(xué)生通過這些題目進(jìn)一步對課本理論知識進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)。設(shè)計(jì)要求學(xué)生首先要寫出《設(shè)計(jì)任務(wù)書》，包括以下內(nèi)容：第一，儀器名稱、用途、特點(diǎn)及簡要設(shè)計(jì)思想；第二，主要技術(shù)指標(biāo)；第三，儀器應(yīng)具備的功能；第四，儀器的設(shè)備規(guī)模；第五，系統(tǒng)的操作規(guī)范等。該任務(wù)書反映同學(xué)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)也是教師作為設(shè)計(jì)完畢進(jìn)行驗(yàn)收的依據(jù)。在設(shè)計(jì)之前要先學(xué)習(xí)基本的設(shè)計(jì)方法；在設(shè)計(jì)過程中除寫好《設(shè)計(jì)任務(wù)書》外，還要做到理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)現(xiàn)書本知識到工程實(shí)踐的過渡，要求學(xué)生在每一步設(shè)計(jì)結(jié)束要及時(shí)與教師溝通，盡可能完善設(shè)計(jì)工作。硬件電路設(shè)計(jì)前要畫好硬件原理框圖，過程中要繪制詳細(xì)的電路圖，仿真無誤后方可制作電路板；硬件完成后要規(guī)劃軟件控制流程圖，根據(jù)流程圖逐步、逐點(diǎn)編寫程序；最后進(jìn)入軟、硬件聯(lián)調(diào)、實(shí)驗(yàn)，最后還要撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。教師根據(jù)任務(wù)書中的指標(biāo)逐項(xiàng)檢查設(shè)計(jì)成品。

通過課程設(shè)計(jì)同學(xué)們學(xué)習(xí)了硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)、電路調(diào)試等知識，使學(xué)生深入理解并掌握了測量儀器的基本原理，硬件結(jié)構(gòu)和工作原理。掌握程序的編制方法和程序調(diào)試的方法，掌握常用接口的設(shè)計(jì)及使用。學(xué)生為其它課程、項(xiàng)目和畢業(yè)設(shè)計(jì)做了大量的知識儲(chǔ)備，也為將來在自動(dòng)化、智能檢測、電子信息工程、測試計(jì)量技術(shù)及儀器、電子科學(xué)與技術(shù)及其它領(lǐng)域工作打下良好基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)踐能力。

4 結(jié)論

作者在課程教學(xué)過程中采用理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式。教師在“做中教”，學(xué)生在“做中學(xué)”。教師充分利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器、智能儀器控制軟件、虛擬儀器軟件等，較為全面地介紹電子測量技術(shù)的基本知識、電子測量儀器及測試系統(tǒng)的工作原理以及它們在工程實(shí)際中的具體應(yīng)用，讓學(xué)生盡可能廣的學(xué)習(xí)到本課程所涉及的專業(yè)知識。經(jīng)實(shí)踐，本文提出的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法證明了該方法的構(gòu)建激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固和加深了學(xué)生對理論知識的掌握與理解，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力并加大了授課的信息量，符合創(chuàng)新人才培養(yǎng)和社會(huì)發(fā)展的要求。

參考文獻(xiàn)：

【1】陳尚松，郭慶，雷加.電子測量與儀器【M】.電子工業(yè)出版社，2012.

【2】范澤良，王永奇.電子測量與儀器【M】.清華大學(xué)出版社，2010.

篇4

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式；虛擬實(shí)驗(yàn)

作者簡介：任琦梅（1978-），女，河南平頂山人，河南城建學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，講師；董燕飛（1976-），女，河南平頂山人，河南城建學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，副教授。（河南 平頂山 467036）

基金項(xiàng)目：本文系河南城建學(xué)院2013年度科學(xué)研究基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2013JZD007）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）35-0139-02

“自動(dòng)控制原理”是自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)，概念抽象，內(nèi)容豐富，涉及知識面廣。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是自動(dòng)控制原理教學(xué)的重要組成部分，通過實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生加深對理論知識的理解，并且初步將理論知識應(yīng)用于工程實(shí)際。如何有效地組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中重要的研究內(nèi)容。筆者結(jié)合幾年來自控原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，對常見的一些實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行分析，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行探討。

一、常見的實(shí)驗(yàn)方式

1.采用信號發(fā)生器、模擬實(shí)驗(yàn)箱和慢掃描示波器構(gòu)成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

這種實(shí)驗(yàn)方式是在實(shí)驗(yàn)箱上用運(yùn)算放大器、電阻、電容等元件搭建電路，模擬典型環(huán)節(jié)或系統(tǒng)，由函數(shù)信號發(fā)生器提供階躍、脈沖、正弦波等信號作為環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的輸入信號，在慢掃描示波器上把響應(yīng)曲線顯示出來。

（1）優(yōu)點(diǎn)：學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中通過搭建電路可以對控制系統(tǒng)的構(gòu)成有一個(gè)感性的認(rèn)識；進(jìn)一步練習(xí)和熟悉信號發(fā)生器、慢掃描示波器等儀器的使用，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

（2）缺點(diǎn)：因?yàn)橄到y(tǒng)的階躍響應(yīng)過渡過程很快，普通示波器無法顯示，因此需要使用慢掃描示波器，增加了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成本；實(shí)驗(yàn)的主要目的是對控制原理中抽象的理論知識有更深的理解，但學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中要花大量的時(shí)間來連接線路和調(diào)試儀器，容易忽視對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析；實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)受到元件參數(shù)不穩(wěn)定的影響和設(shè)備條件的限制，使實(shí)驗(yàn)值和理論值不相吻合或誤差過大，導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤的理解；某些內(nèi)容無法實(shí)驗(yàn)，或?qū)嶒?yàn)結(jié)果不直觀、不準(zhǔn)確：如根軌跡部分無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；頻率特性部分Bode圖需根據(jù)示波器得到的李薩育圖形進(jìn)行計(jì)算描點(diǎn)繪制，Nyquist圖需根據(jù)測出的數(shù)據(jù)描點(diǎn)繪制。

2.采用模擬實(shí)驗(yàn)箱、AD/DA轉(zhuǎn)換卡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

這種實(shí)驗(yàn)方式也是在模擬實(shí)驗(yàn)箱上搭建電路來模擬典型環(huán)節(jié)或系統(tǒng)，模擬實(shí)驗(yàn)箱和計(jì)算機(jī)通過A/D、D/A轉(zhuǎn)換卡和數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生各種典型輸入信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送給模擬電路，輸出信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示。

如典型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，模擬電路圖如圖1所示：

（1）優(yōu)點(diǎn)：和第一種實(shí)驗(yàn)方式一樣，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中通過搭建電路可以對控制系統(tǒng)的構(gòu)成有一個(gè)感性的認(rèn)識；計(jì)算機(jī)代替了函數(shù)信號發(fā)生器和慢掃描示波器的作用，降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本；實(shí)驗(yàn)過程中無需過多調(diào)試儀器，實(shí)驗(yàn)過程變得簡單，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，使學(xué)生可以把重點(diǎn)放在對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析上；計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理功能使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確直觀，測量方便：如階躍響應(yīng)曲線上超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間可以直接讀數(shù)，頻率特性實(shí)驗(yàn)中可以直接顯示Bode圖和Nyquist圖。

（2）缺點(diǎn)：仍然沒有解決根軌跡部分無法做實(shí)驗(yàn)的問題；做系統(tǒng)校正實(shí)驗(yàn)或高階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)線路連接麻煩，出錯(cuò)時(shí)不容易檢查，且修改系統(tǒng)參數(shù)不方便；實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置對實(shí)驗(yàn)軟件有依賴性，不能很靈活地自行設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3.利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)

這種實(shí)驗(yàn)方式是利用MATLAB和SIMULINK軟件強(qiáng)大的仿真能力，通過軟件編程的方法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的構(gòu)建、參數(shù)的修改、輸入信號的產(chǎn)生和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示。

也以典型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)為例，在MATLAB軟件命令窗口輸入以下程序：

wn=1；t=[0：0.1：15]；

for z=[0：0.1：1，1.5，2]；

num=wn^2；

den=[1 2*z*wn wn^2]；

step（num，den，t）

hold on

end

hold off

即可得到圖2所示相應(yīng)曲線，圖中自動(dòng)以不同顏色分別顯示阻尼比為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2時(shí)的階躍響應(yīng)曲線，對比分析性能非常方便。

也可以在SIMULINK中建立二階系統(tǒng)的模型，類似系統(tǒng)框圖的形式，在輸入端接階躍信號模塊，輸出端接示波器模塊，仿真后也可得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。

（1）優(yōu)點(diǎn)：MATLAB軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖形處理的能力，且編程方法簡單易懂，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確直觀；對根軌跡等部分在常規(guī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上無法進(jìn)行的內(nèi)容可以很容易地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；系統(tǒng)模型用軟件實(shí)現(xiàn)使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的修改非常容易；SIMULINK中結(jié)構(gòu)圖的模型表示方法與理論教學(xué)中一致，加深學(xué)生對理論知識的理解；可以自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，很方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

（2）缺點(diǎn)：直接用軟件編程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生缺乏對實(shí)際系統(tǒng)的感性認(rèn)識?！翱刂葡到y(tǒng)仿真”課程往往在“自動(dòng)控制原理”課程之后開設(shè)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)對MATLAB語言和環(huán)境不熟悉，可能需要花大量時(shí)間在MATLAB編程上，而忽略了對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。

4.利用研發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

基于一些仿真功能強(qiáng)大且交互性好的軟件（如MATLAB、EWB、LabVIEW等），根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，研發(fā)界面友好的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。學(xué)生在研發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

同樣以典型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為例，圖3是筆者研發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)界面：

實(shí)驗(yàn)界面上顯示了典型二階系統(tǒng)的模擬電路圖、系統(tǒng)框圖和傳遞函數(shù)，在輸入?yún)?shù)面板相應(yīng)位置輸入電阻R1和電容C的值，點(diǎn)擊控制面板上的“繪制出曲線”即可在左側(cè)示波器位置顯示出響應(yīng)曲線，系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)和性能指標(biāo)同步顯示出來。

（1）優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)過程簡單，學(xué)生無需進(jìn)行編程，根據(jù)提示搭建電路或改變參數(shù)即可得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，著重對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，提高了實(shí)驗(yàn)效率；實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確直觀，響應(yīng)曲線、根軌跡、Bode圖等清晰明了，便于學(xué)生對比分析；增設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更加豐富，學(xué)生也可自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力；實(shí)驗(yàn)形式更靈活、更開放，突破了時(shí)間、空間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，只要有計(jì)算機(jī)即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可自主選擇時(shí)間和地點(diǎn)。

（2）缺點(diǎn)：學(xué)生通過虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不接觸實(shí)際器件和搭建電路，容易缺乏對控制系統(tǒng)的感性認(rèn)識；仿真結(jié)果在理想情況下進(jìn)行，實(shí)際系統(tǒng)的故障和異常運(yùn)行情況不能完全反映，學(xué)生缺少對實(shí)際問題的分析。

二、結(jié)論

通過對上述實(shí)驗(yàn)方式的比較，傳統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以增加學(xué)生對控制系統(tǒng)的感性認(rèn)識，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和分析問題、解決問題的能力；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式靈活方便，可以拓展學(xué)生的思維，進(jìn)行更復(fù)雜的系統(tǒng)分析，并增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來更有利于提高學(xué)生自動(dòng)控制理論分析設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)仿真與系統(tǒng)調(diào)試的綜合能力，提高學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力。

綜合實(shí)驗(yàn)成本和實(shí)驗(yàn)效果的考慮，多數(shù)高?，F(xiàn)在采用的是第2種和第3種實(shí)驗(yàn)方式配合使用，對簡單的環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)用第二種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)生對實(shí)際系統(tǒng)有一個(gè)感性的認(rèn)識，對復(fù)雜的高階系統(tǒng)、根軌跡、系統(tǒng)校正等實(shí)驗(yàn)用第三種實(shí)驗(yàn)方法，使學(xué)生對抽象的理論知識有更深的理解。

從虛擬實(shí)驗(yàn)的角度來說，第4種方法要優(yōu)于第3種方法，可以使不熟悉仿真軟件的學(xué)生從相對復(fù)雜的編程過程中解脫出來，把實(shí)驗(yàn)的重心放到系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)上。部分高校已經(jīng)進(jìn)行了自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)的研究并開發(fā)了一些虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，但其規(guī)范性、通用性和開放性有待改進(jìn)。對此進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)出界面友好、操作簡便、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目合理豐富、通用性強(qiáng)的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不僅能有效提高自動(dòng)控制原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，也可以為許多電氣電子類課程開設(shè)實(shí)驗(yàn)提供新的思路。

參考文獻(xiàn)：

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篇5

【關(guān)鍵詞】地震數(shù)據(jù)采集；濾波系統(tǒng)；測試驗(yàn)證

隨著近代電子技術(shù)的發(fā)展，地球物理勘探技術(shù)在不斷進(jìn)步，作為最重要的地球物理勘探方法―地震勘探也在飛速的發(fā)展，無論是數(shù)據(jù)采集技術(shù)、儀器的升級改造方面，都得到了很大程度的提升。野外地震數(shù)據(jù)采集是地震勘探最重要的過程，它包括對地震信號的采集、地

震信號的放大和濾波處理、信號的預(yù)存儲(chǔ)，能否在數(shù)據(jù)采集過程中消除干擾，高精度地采集到所需要的有效信號，是后期數(shù)據(jù)的正確處理和解譯的關(guān)鍵，通常采用一定性能的濾波器對噪聲信號進(jìn)行處理，本設(shè)計(jì)結(jié)合當(dāng)前地震勘探數(shù)據(jù)采集處理的要求和電子技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于FPGA的信號濾波系統(tǒng)。

1.濾波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

地震數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵是地震波信號，它是地震勘探時(shí)利用人工激發(fā)產(chǎn)生的，在彈性不同的地層內(nèi)傳播規(guī)律來勘探地下地質(zhì)情況的信號。

由圖1可以看出，野外數(shù)據(jù)采集過程中能否消除干擾，高精度地采集到所需要的有效信號，是后期數(shù)據(jù)的正確處理和解譯的關(guān)鍵，地震數(shù)據(jù)解譯的正確與否又關(guān)系到后續(xù)工作的開展。數(shù)字濾波器主要有無限沖激響應(yīng)數(shù)字?jǐn)?shù)字濾波器（IIR數(shù)字濾波器）和有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器（FIR數(shù)字濾波器）。與IIR數(shù)字濾波器相比，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是可以在設(shè)計(jì)任意幅頻特性的同時(shí)，保證了嚴(yán)格的線性相位。線性相位對于一些性能較高的系統(tǒng)是非常重要的，所以FIR濾波器較IIR濾波器在現(xiàn)代信號處理中獲得了廣泛的應(yīng)用。

1.1 FIR濾波器實(shí)現(xiàn)原理

FIR濾波器是指系統(tǒng)的單位沖擊響應(yīng)僅在有限的范圍內(nèi)有非零值的濾波器。FIR系統(tǒng)只有零點(diǎn)，因此這類系統(tǒng)不像IIR系統(tǒng)那樣易取得比較好的通帶和阻帶衰減特性。但FIR系統(tǒng)有自己突出的優(yōu)點(diǎn)為易實(shí)現(xiàn)精確地線性相位，F(xiàn)DAtool為MATLAB自帶工具軟件，適合的濾波器結(jié)構(gòu)為直接型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

對應(yīng)FDAtool工具箱對應(yīng)FIR濾波器為卷積型結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵求出系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)。系統(tǒng)函數(shù)為：

式中：N為濾波器階數(shù)；為輸出信號；為濾波器系數(shù)；為濾波后信號；

基于微處理器平臺(tái)編寫程序用迭代法簡單方便，把公式（2）展開，初始輸出前N個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)有一定誤差，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)大于濾波器階數(shù)N時(shí)，輸出濾波指標(biāo)達(dá)到系統(tǒng)要求。

1.2 FIR濾波器硬件實(shí)現(xiàn)

作為地震儀的核心，整個(gè)采集濾波系統(tǒng)主要包括兩部分：前端的預(yù)處理模塊和濾波器模塊。該系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)實(shí)際野外勘探要求，對檢波器采集到的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲濾波處理，以獲取有效的地質(zhì)構(gòu)造概括等相關(guān)信息。實(shí)際中理想采樣是不存在的。在實(shí)際采樣系統(tǒng)中，信號經(jīng)過采樣后，其頻率分量隨著頻率的的增加而不斷的衰減，且在等于采樣頻率一半處衰減為零。所以在不做均衡的情況下，必須保證采樣頻率足夠高。本文設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器為低通濾波器，采樣率為4M，截止頻率為500kHz。因此采樣保持電路的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率為4MHz這里信號恢復(fù)低通濾波器截止頻率選取為1.3M低通濾波器，這是結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)得到的。硬件原理圖如圖3所示。

2.濾波系統(tǒng)的測試與分析

2.1 測試方法

輸入不同頻率的正弦波，觀測輸出正弦波的幅度，同時(shí)比較輸入、輸出波形，得出輸入、輸出波形的相位差。

由于輸出波形肯定滯后于輸入波形，所以相位差必然為負(fù)數(shù)。為了更精確的得到相位關(guān)系，測試時(shí)不直接在示波器上測試，而是將數(shù)字示波器各組波形存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上，在計(jì)算機(jī)上采用示波器軟件Ultrascope，用時(shí)間軸測出兩個(gè)對應(yīng)的峰值的時(shí)間差，根據(jù)輸入正弦頻率的，計(jì)算出相位差。如圖4所示，輸入正弦頻率60KHz，輸出應(yīng)該滯后與輸入波形，用兩個(gè)時(shí)間軸分別對準(zhǔn)輸入輸出信號對應(yīng)的波峰，讀出時(shí)間差為12.47us，那么這兩個(gè)波形的相位差為-269.352。本文中測量相位差時(shí)均先記錄相位差的范圍為0°到-360°，這是由于小于-360°可以等效在0°到-360°范圍內(nèi)的相位差。理論設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器相頻特性表明，該濾波器在阻帶截止頻率內(nèi)有線性相位，因此只測試輸入信號頻率小于600kHz的樣本的相位差。

2.2 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

如圖4所示，濾波器的輸入和輸出波形均為正弦波，無明顯失真。說明濾波器在處理單頻信號時(shí)，引入其他諧波干擾在合理范圍內(nèi)。在測試FIR濾波器時(shí)，輸入正弦信號幅度為1.0V，輸入信號的步進(jìn)為20kHz。但是由于示波器的測量數(shù)據(jù)可能與信號源顯示數(shù)據(jù)不同，再加上示波器的線可能衰減高頻信號，所以輸入信號的幅度必須測量，根據(jù)測試得到的數(shù)據(jù)可以畫出實(shí)際濾波幅頻特性。

從圖5可以看出，幅頻曲線為一個(gè)低通濾波器。分析數(shù)據(jù)得到實(shí)測數(shù)據(jù)相對于理論數(shù)據(jù)通帶無紋波，這應(yīng)是測試誤差造成的，但總體符合理論設(shè)計(jì)。在過渡帶頻率的信號衰減大于理論衰減，這應(yīng)是由抗混疊濾波器和信號恢復(fù)濾波器的衰減引起，但偏大的衰減出現(xiàn)在過渡帶，不影響濾波器性能這表明，抗混疊濾波器和信號恢復(fù)濾波器會(huì)影響系統(tǒng)特性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意選擇這兩個(gè)濾波器的指標(biāo)。同時(shí)可以觀察到，輸入信號頻率繼續(xù)增大時(shí)，實(shí)際衰減沒有理論衰減大。在測試中發(fā)現(xiàn)，如圖6所示，在測試阻帶中的樣本時(shí)發(fā)現(xiàn)正弦波上疊加了噪聲，這造成了測試時(shí)讀出的峰峰值增大。由于通帶和過渡帶信號樣本幅度較大，噪聲對衰減的計(jì)算影響較小。而由于阻帶內(nèi)濾波器輸出信號較小，干擾的幅度對衰減計(jì)算影響較大。測試表明，當(dāng)電源空載時(shí)電源和地之間存在20mV左右紋波，這個(gè)干擾應(yīng)是由電源引入的。因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)使用紋波小的電源，以減小電源引入的干擾。

3.結(jié)論

數(shù)字信號處理在生物醫(yī)學(xué)、圖像視頻、雷達(dá)、通信、航空航天以及地球物理探測等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。數(shù)字信號處理技術(shù)已經(jīng)逐步取代了模擬信號處理技術(shù)的主導(dǎo)地位，使地震勘探發(fā)生了質(zhì)的飛越。在采集模塊前端運(yùn)用高精度ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，整個(gè)地震數(shù)據(jù)信號處理過程就以數(shù)字化的形式進(jìn)行，實(shí)時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)處理要求編程實(shí)現(xiàn)各種功能，有利于大規(guī)模的地震數(shù)據(jù)的快速批量處理，大大簡化信息分類、查找等過程，為了提高信噪比，獲得精確、可靠的反演和解釋結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了高速的濾波系統(tǒng)，提高了信號的采集準(zhǔn)確性，測試結(jié)果表明設(shè)計(jì)效果較好。

參考文獻(xiàn)

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[4]兵，平利姣，朱自強(qiáng).淺層地震勘探數(shù)據(jù)擬同步采集時(shí)差分析與實(shí)踐[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2008，23（6）：1958-1962.

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篇6

【關(guān)鍵詞】仿真軟件;電工電子教學(xué)

電工電子是高職校工科電類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，為后續(xù)課程準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)知識，對培養(yǎng)學(xué)生的電工基礎(chǔ)知識、基本能力和綜合素質(zhì)具有其他電類課程不能替代的重要作用。該課程理論嚴(yán)密、物理概念多、邏輯性強(qiáng)，與工程技術(shù)及生活實(shí)際聯(lián)系緊密，常常需要就宏觀現(xiàn)象進(jìn)行微觀解釋。

該課程不但要求學(xué)生掌握電路的基本原理和計(jì)算方法，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生對電路的分析、設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用的能力。然而在進(jìn)行電子線路教學(xué)中，由于學(xué)生對電子元器件及實(shí)際電子線路缺乏感性認(rèn)識， 因此教師感到難教、學(xué)生感到難學(xué)，所以需要大量的電子線路實(shí)驗(yàn)來輔助教學(xué)。

為了滿足電子線路教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求， 需要配置大量的電子設(shè)備、儀器、儀表、電子元器件、工具等。另外還需配備一定數(shù)量的、具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師。因此學(xué)校有限的教學(xué)資源與學(xué)生日益增長的教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求形成了一個(gè)較難解決的矛盾，所以在目前的教學(xué)條件下如何提高電子線路教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開出率一直是一個(gè)重點(diǎn)也是一個(gè)難點(diǎn)。如今，利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)就能有效地解決這一問題

一、仿真軟件在電工電子課程理論教學(xué)中的作用

將計(jì)算機(jī)仿真軟件引入電工電子課程教學(xué)，使理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，能夠使教學(xué)知識點(diǎn)更加容易理解、抽象的知識變得更加直觀。學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時(shí)也學(xué)習(xí)工具軟件的使用方法，能更好地適應(yīng)社會(huì)需要。

仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)茉O(shè)置故障狀態(tài)和極限狀況，不會(huì)造成元器件和實(shí)驗(yàn)儀器的損壞。仿真軟件逼真的界面及人機(jī)交互，可以產(chǎn)生身臨真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的感受。在電工電子教學(xué)環(huán)節(jié)，仿真實(shí)驗(yàn)作為一種展示性的輔助教學(xué)手段，便于教師解釋復(fù)雜的物理過程或強(qiáng)調(diào)概念和原理，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

二、將虛擬仿真引入理論課堂，提高課堂教學(xué)效果

現(xiàn)在我們將仿真軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)功能引進(jìn)課堂，在講解理論的同時(shí)，利用多媒體同步演示，顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使一些抽象的概念形象化、直觀化、簡單化，彌補(bǔ)了理論上的抽象性。下面是我們具體應(yīng)用仿真軟件來仿真的兩個(gè)實(shí)例。在電工基礎(chǔ)課程中要講解儀器儀表的使用，比如信號發(fā)生器、示波器、晶體管毫伏的使用，由于實(shí)驗(yàn)中涉及的儀器儀表較多，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常的到處出錯(cuò)，實(shí)驗(yàn)效果很差，但在做實(shí)驗(yàn)之前，先在課程上用仿真軟件演示一遍實(shí)驗(yàn)要做的內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程中容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤，這樣學(xué)生在真正做實(shí)驗(yàn)時(shí)就比較熟悉，達(dá)到了舉一反三的效果。

又比如講星形負(fù)載電路結(jié)構(gòu)時(shí)，講到星形對稱負(fù)載有中線時(shí)，中線電流為零，中線不起作用，學(xué)生覺得抽象，但是用EWB仿真軟件做一下該實(shí)驗(yàn)時(shí)，測其中線電流為零，去掉中線后，對電路的線電流及相電壓沒有任何影響，而當(dāng)三相負(fù)載不對稱時(shí)，中線電流不為零，但相電壓卻對稱，從而給學(xué)生非常直觀的感受。使他們知道了中性線在三相電路中的作用，上課效果非常的好。

得出結(jié)論后，讓學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上記定性的一些結(jié)論就容易多了。在模擬電路中講授三極管共發(fā)射極放大電路時(shí)， 三極管具有放大和反相的作用，學(xué)生理解起來非常困難。我們利用EWB仿真軟件來仿真電路，用示波器來觀察波形，可以明顯看出放大的效果和反相的作用。學(xué)生先有了感性認(rèn)識后，理論的講解聽起來就更輕松了，從而使上課達(dá)到了事半功倍的效果。

三、仿真軟件簡介

目前高等院校使用的軟件大多為EWB、Protel、Multisim等，這些軟件具有電路的邏輯編輯、化簡、綜合、構(gòu)建、仿真測試功能。仿真軟件或用仿真軟件構(gòu)成的虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，它是不能取代傳統(tǒng)的電工電子實(shí)驗(yàn)的，只能起到輔助的作用。

Multisim軟件是一個(gè)專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。它是一個(gè)完整的設(shè)計(jì)工具系統(tǒng)，具有一個(gè)龐大的元件數(shù)據(jù)庫，并提供原理圖輸入接口，可以進(jìn)行從原理圖到PCB布線工具包的無縫數(shù)據(jù)傳輸。其中Multisim易學(xué)易用，便于學(xué)生進(jìn)行綜合性的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力、開發(fā)能力和創(chuàng)新能力。

MATLAB是一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件。它最重要的特點(diǎn)是易于擴(kuò)展，允許用戶自行建立完成指定功能的M文件，從而構(gòu)成適合其他領(lǐng)域的工具箱，這大大擴(kuò)大了MATLAB的應(yīng)用范圍。MATLAB作為編程語言可視化工具，具有豐富可靠的矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)和圖像處理及交互式編程等功能，可解決工程、科學(xué)計(jì)算和數(shù)學(xué)學(xué)科中的許多問題，目前在信號處理、控制系統(tǒng)的仿真和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究等方面都有廣泛的應(yīng)用。SIMULINK是一個(gè)用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散或者兩者混合的線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的仿真軟件用差分方程和微分方程建模相比具有直觀、方便、靈活的特點(diǎn)。

四、將虛擬仿真引入理論課堂，提高課堂教學(xué)效果

現(xiàn)在我們將仿真軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)功能引進(jìn)課堂，在講解理論的同時(shí)，利用多媒體同步演示，顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使一些抽象的概念形象化、直觀化、簡單化，彌補(bǔ)了理論上的抽象性。下面是我們具體應(yīng)用仿真軟件來仿真的兩個(gè)實(shí)例。在電工基礎(chǔ)課程中要講解儀器儀表的使用，比如信號發(fā)生器、示波器、晶體管毫伏的使用，由于實(shí)驗(yàn)中涉及的儀器儀表較多，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)經(jīng)常的到處出錯(cuò)，實(shí)驗(yàn)效果很差，但在做實(shí)驗(yàn)之前，先在課程上用仿真軟件演示一遍實(shí)驗(yàn)要做的內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程中容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤，這樣學(xué)生在真正做實(shí)驗(yàn)時(shí)就比較熟悉，達(dá)到了舉一反三的效果。

又比如講星形負(fù)載電路結(jié)構(gòu)時(shí)，講到星形對稱負(fù)載有中線時(shí)，中線電流為零，中線不起作用，學(xué)生覺得抽象，但是用仿真軟件做一下該實(shí)驗(yàn)時(shí)，測其中線電流為零，去掉中線后，對電路的線電流及相電壓沒有任何影響，而當(dāng)三相負(fù)載不對稱時(shí)，中線電流不為零，但相電壓卻對稱，從而給學(xué)生非常直觀的感受。使他們知道了中性線在三相電路中的作用，上課效果非常的好。得出結(jié)論后，讓學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上記定性的一些結(jié)論就容易多了。在模擬電路中講授三極管共發(fā)射極放大電路時(shí)， 三極管具有放大和反相的作用， 學(xué)生理解起來非常困難。我們利用仿真軟件來仿真電路，用示波器來觀察波形，可以明顯看出放大的效果和反相的作用。學(xué)生先有了感性認(rèn)識后，理論的講解聽起來就更輕松了，從而使上課達(dá)到了事半功倍的效果。

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關(guān)鍵詞：激光振鏡；差分?jǐn)?shù)字信號；數(shù)模轉(zhuǎn)換；振鏡定位誤差

中圖分類號：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）04-0108-01

1 引言

振鏡作為激光掃描加工的關(guān)鍵部件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于激光打標(biāo)、激光精密切割、激光遠(yuǎn)程焊接等領(lǐng)域[1]。一直以來，控制卡輸出模擬信號直接控制激光振鏡是常見方式。隨著加工精度以及設(shè)備自動(dòng)化程度的要求越來越高，模擬信號控制的弊端也日益顯露。數(shù)字信號為離散的二進(jìn)制碼，有很強(qiáng)的抗干擾能力；振鏡驅(qū)動(dòng)電路將數(shù)字命令轉(zhuǎn)換為需要的控制信號。由于振鏡外殼可實(shí)現(xiàn)良好的電磁屏蔽，因此控制信號的噪聲水平明顯低于直接接收控制卡輸出的模擬信號，從而顯著提高振鏡掃描定位精度。

2 差分?jǐn)?shù)字信號控制激光振鏡的原理和實(shí)現(xiàn)方式

振鏡使用擺動(dòng)伺服電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)固定于轉(zhuǎn)軸上的激光反射鏡在一定范圍內(nèi)扇形擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光掃描[2]?？刂齐妷号c擺角成線性比例關(guān)系，

V=Vmax?θ/θmax （1）

其中θ為轉(zhuǎn)軸實(shí)際位置，V為擺動(dòng)到該位置的控制信號電壓。以實(shí)際擺角為最大擺角的0.01%為例，如擺角極限θmax為±11.25°（機(jī)械角），對應(yīng)控制信號電壓Vmax為±5V，實(shí)際角度即為±0.001125°，相應(yīng)控制信號電壓±0.5mV。由于信號電壓必然存在一定噪聲，因此噪聲水平?jīng)Q定了振鏡定位誤差的下限。如果信號電壓噪聲水平過大，則電機(jī)可準(zhǔn)確響應(yīng)的角度將偏大，導(dǎo)致定位精度劣化。

根據(jù)振鏡控制卡傳輸振鏡控制命令的方式，可分為模擬式和數(shù)字式兩種[3]。模擬控制卡直接輸出公式（1）中的信號電壓V至振鏡，作為命令信號；數(shù)字控制卡將控制命令以數(shù)字信號方式發(fā)送至振鏡，再由振鏡內(nèi)部電路進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換得到信號電壓V。本文主要研究數(shù)字信號傳輸方式，并對比兩者的實(shí)際影響與結(jié)果。

控制卡輸出雙路差分式數(shù)字信號，它們幅值相同，相位相反，外部干擾將在接收端的差分信號提取過程中轉(zhuǎn)換為共模信號得以消除，有效提升信號的抗干擾性。

振鏡驅(qū)動(dòng)電路對輸入的差分信號進(jìn)行減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為單端數(shù)字信號后，使用AD5542芯片對位置信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。該芯片為單通道、16位、串行輸入。輸入位置信號（DATA）、邏輯數(shù)據(jù)信號（CS）和時(shí)鐘信號（CLK），輸出控制電壓信號（Vout），如圖1所示。

振鏡位置信號為16位，-32768bit至32768bit。由邏輯數(shù)據(jù)信號CS判斷正負(fù)偏擺方向。數(shù)字命令信號與控制信號電壓的典型轉(zhuǎn)換關(guān)系如表1所示。

3 數(shù)字與模擬命令傳輸測量結(jié)果對比與分析

分別使用數(shù)字和模擬方式傳輸命令控制振鏡擺動(dòng)（圖2a為數(shù)字傳輸圖，圖2b為模擬傳輸圖），測量電機(jī)反饋信號（示波器放大10倍）。從圖2b可見模擬方式帶來的電機(jī)噪聲水平約是數(shù)字控制的三倍。

數(shù)字傳輸時(shí)電機(jī)噪聲水平5.2mV，考慮示波器10x檔位，實(shí)際為0.52mV。該噪聲幅值為振鏡控制電壓5V（單邊）的0.01%，根據(jù)公式（1），當(dāng)單邊電機(jī)擺角（機(jī)械角）為11.25°時(shí)，該噪聲水平對應(yīng)角度為20μrad。根據(jù)反射原理，光學(xué)角為機(jī)械角的兩倍，因此由電機(jī)噪聲水平導(dǎo)致的可準(zhǔn)確響應(yīng)的光學(xué)掃描角下限為40μrad。以焦距160mmftheta透鏡作為聚焦單元，該角度誤差轉(zhuǎn)換為長度誤差為6.4μm，即振鏡的固有定位誤差。

同樣道理可以推算，模擬傳輸時(shí)電機(jī)噪聲水平是數(shù)字方式的3倍，由噪聲導(dǎo)致的激光掃描定位誤差為19.2μm。

以對激光光斑較敏感的應(yīng)用如激光打標(biāo)和刻線應(yīng)用為例。使用最常見的1064nm光纖激光器和焦距160mmftheta透鏡，激光聚焦線寬一般為40μm左右，固有定位誤差19.2μm占線寬的48%，將導(dǎo)致掃描線發(fā)生明顯扭曲，難以滿足工藝要求；假如固有定位誤差為6.4μm，則僅占線寬的16%，且尺度與聚焦光斑對材料的熱影響區(qū)（HAZ）基本相當(dāng)，因而可以忽略振鏡固有定位誤差帶來的影響。

4 結(jié)語

使用差分?jǐn)?shù)字信號傳輸命令控制激光振鏡，可以顯著提高振鏡定位精度。具有抗干擾能力強(qiáng)、信號精度高、噪聲水平低等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字傳輸方式帶來的電機(jī)噪聲僅為模擬傳輸方式的1/3，計(jì)算結(jié)果表明該方式下的振鏡固有定位誤差更小，更適合激光精細(xì)加工和成套設(shè)備的自動(dòng)化集成。

參考文獻(xiàn)

[1]王文毅，呂勇.基于XY2-100協(xié)議的振鏡控制轉(zhuǎn)換板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀器與儀表，2014（12）：147-148+151.

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20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)在不斷的發(fā)展，同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國的電路設(shè)計(jì)分析方法也隨之產(chǎn)生了非常大的轉(zhuǎn)變，在這樣的發(fā)展形勢下，也出現(xiàn)了很多新型的功能強(qiáng)大的軟件，這些軟件的出現(xiàn)使得以往的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法有了顛覆性的轉(zhuǎn)變，這樣一來也在很大程度上提高了電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和水平。

2Multisim軟件介紹

Multisim基本界面:Multisim基本界面主要有菜單欄、系統(tǒng)工具欄、設(shè)計(jì)工具欄、使用中的元件列表、仿真開關(guān)、元件工具欄、儀表工具欄、電路窗口、狀態(tài)欄等。與所有的Windows應(yīng)用軟件類似,菜單欄提供了本軟件幾乎所有的命令。定制用戶界面。啟動(dòng)菜單欄Options選項(xiàng)菜單中的Preferences命令,出現(xiàn)Preferences命令對話框,該對話框有6個(gè)選項(xiàng),可對圖紙格式、方向、尺寸、標(biāo)題欄、元件放置方式、元器件和編輯窗口背景顏色、導(dǎo)線寬度、導(dǎo)線連接方式等進(jìn)行設(shè)置。選取元器件、放置元器件。用戶界面最左側(cè)一列為實(shí)際元件庫,共有13個(gè)元件庫。第二列背景為綠色是虛擬元件庫,共有10個(gè)虛擬元件庫。右側(cè)一列為儀器庫。根據(jù)實(shí)際需要,選擇實(shí)際元件庫中的元件、(或虛擬元件庫元件)總線、激勵(lì)源、地線、及儀器,放置在編輯窗口,在根據(jù)元件之間走線,調(diào)整好元件等的位置。編輯和調(diào)整。利用Multisim提供的強(qiáng)大功能對仿真原理圖進(jìn)一步調(diào)整和修改,以保證仿真原理圖的美觀和正確。同時(shí)對元器件、激勵(lì)源、虛擬儀器的編號、參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定。繪圖操作。利用操作界面主工具欄View\Toolbars\GraphicAnnota-tionToolbars,將編輯窗口內(nèi)的元器件等用具有電氣意義的導(dǎo)線、符號連接起來,構(gòu)成一個(gè)完整準(zhǔn)確的仿真電路原理圖。操作工具欄。simulate\Analyses,選擇好仿真的基本分析方法。共有18種仿真分析方法,常用的有:直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析等,設(shè)計(jì)者可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。運(yùn)行仿真開關(guān),進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

3Multisim仿真實(shí)例

運(yùn)用Multisim進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)仿真的基本步驟：

3.1仿真原理圖設(shè)計(jì)步驟。a.定制用戶界面；b.元器件(包括虛擬元件)選取、放置；c.放置總線；d.放置激勵(lì)源、接地端；e.放置虛擬儀器；f.線路的連接；g.編輯調(diào)整。

3.2模擬仿真。a.設(shè)置激勵(lì)源參數(shù)；b.設(shè)置虛擬儀器參數(shù)；c.選定仿真分析方法；d.運(yùn)行仿真開關(guān),觀察儀器顯示的測試參數(shù)、波形；e.調(diào)整電路參數(shù),得出最佳仿真結(jié)果。

3.3仿真實(shí)例。仿真目的要求。a.對設(shè)計(jì)電路運(yùn)行仿真,參數(shù)調(diào)整；b.功能驗(yàn)證、電路改進(jìn)、結(jié)果分析。

3.4本例運(yùn)行仿真的波形圖,當(dāng)然也可以選擇其它特征點(diǎn)作為仿真波形的輸出端。虛擬儀器示波器與普通實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)實(shí)示波器面板相試,本例是一個(gè)雙蹤示波器,有A、B兩個(gè)通道,可用來比較兩個(gè)波形圖。G是接地端,A、B通道分別只需一根線與被測點(diǎn)相連,測量的是該點(diǎn)與“地”之間的波形,當(dāng)電路中已有接地符號時(shí),可不接地。

4常見問題及解決思路

4.1仿真過程中常見的問題。因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在要求方面有著非常顯著的不同，所以在設(shè)計(jì)的過程中也會(huì)經(jīng)常遇到找不到合適的方針元件的情況，而Multisim在運(yùn)行的過程中存在著非常多的仿真元件，但是其還是不能完全的滿足用戶的實(shí)際需要，這樣就會(huì)對系統(tǒng)正常功能的發(fā)揮產(chǎn)生十分不利的影響，仿真運(yùn)行面臨著失敗或者是錯(cuò)誤的問題。

4.2缺仿真元件的解決方法。首先是可以使用性能比較類似的元器件對其予以取代，但是如果采用這種方法有可能會(huì)對準(zhǔn)確性產(chǎn)生相對較大的不利影響。其次是可以通過相關(guān)網(wǎng)站之間的聯(lián)系，從這些元器件庫當(dāng)中查找同時(shí)也采購需要的器件模型，同時(shí)還要根據(jù)實(shí)際的需要對圖形或者是引腳進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和處理。第三是使用Multisim所提供的編輯工具當(dāng)前的元器件模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗?，這也是一個(gè)非常重要的改進(jìn)方法。第四是如果需要在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中自己創(chuàng)建一個(gè)元件，那么在這一過程中就需要對SPICE予以全面的了解，同時(shí)還要對各種元件之間的關(guān)系和參數(shù)熟練的掌握，所以在這一過程中一定要注意的就是其設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。一般情況下，在設(shè)計(jì)的過程中主要要考慮到的是以下幾個(gè)方面：首先是元件的名稱、制造商等一些最為基本的材料、其次是元件的符號，元件的符號應(yīng)該清晰的展現(xiàn)在電路圖當(dāng)中，這樣用戶也就可以對其有一個(gè)全面的清晰的認(rèn)識。之后就是元件模型，在其運(yùn)行的過程中應(yīng)該提供一個(gè)相對全面的數(shù)據(jù)，這也成為了系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要關(guān)注的一個(gè)主體內(nèi)容，如果在這一過程中沒有元件的模型，就沒有辦法對電路進(jìn)行科學(xué)的仿真和分析。然后就是元件的封裝。元件封裝的過程中需要提供一個(gè)相對比較科學(xué)的電路板接口，這樣也就使得電路板設(shè)計(jì)軟件在實(shí)際的運(yùn)行中能夠滿足外形的需要。最后一點(diǎn)就是元件自身的電氣參數(shù)。一些元件在運(yùn)行的過程中應(yīng)該充分考慮到參數(shù)的要求，，雖然在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中并不會(huì)對其仿真的質(zhì)量和效果產(chǎn)生一些不利的影響，但是它更能反映元器件自身的運(yùn)行狀況，這樣處理也給元件的查找工作提供了諸多的便利。

4.3仿真失敗提示的處理。設(shè)計(jì)人員一定要對失敗提示進(jìn)行全面的分析，同時(shí)還要采取有效的措施來對其進(jìn)行處理，這樣也就完成了模擬仿真過程，常見錯(cuò)誤的糾正方法如下所示：如果是沒有找到節(jié)點(diǎn)或者是節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況，按照失敗提示，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)仿真原理圖對其進(jìn)行詳細(xì)的分析，從而在這一過程中找出那些存在著一定缺失的節(jié)點(diǎn)，找到對應(yīng)的方式予以糾正。如果出現(xiàn)了設(shè)計(jì)結(jié)果沖突的現(xiàn)象，就證明設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的仿真原理圖和電氣設(shè)置的基本規(guī)則出現(xiàn)了一些嚴(yán)重不符的現(xiàn)象，同時(shí)通過對仿真原理圖和相關(guān)規(guī)則的仔細(xì)分析，要對原理圖或者是原則做適當(dāng)?shù)男拚驼{(diào)整。

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關(guān)鍵詞：直流漂移的抑制；脈沖寬度觸發(fā)；視頻觸發(fā)

中圖分類號：TP202文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3198（2008）04-0255-02

示波器是電子測量中的最基礎(chǔ)、最常用的測試儀表，虛擬示波器是示波器測量技術(shù)中的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。虛擬示波器的設(shè)計(jì)涉及電子測量、信號處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多方面的內(nèi)容，其中硬件電路是完成整個(gè)示波器功能的基礎(chǔ)，同時(shí)也是決定虛擬示波器性能的關(guān)鍵所在。要設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越的的硬件電路就必須對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。

本文在對100MHz虛擬示波器總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了直流漂移的抑制、等效采樣、觸發(fā)電路、總線接口電路等。

1 直流漂移的抑制

虛擬示波器硬件電路組成圖如圖1 所示。硬件部分主要由信號調(diào)理電路、觸發(fā)電路、AD轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)電路、總線接口電路、控制電路構(gòu)成。信號調(diào)理電路是將輸入信號調(diào)理到AD變換器的輸入范圍，從而擴(kuò)大輸入信號范圍，且對直流漂移的抑制主要由信號調(diào)理電路完成。

直流漂移的抑制方法很多，如采用高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源、使用經(jīng)過老化的實(shí)驗(yàn)元件、使用反饋及溫度補(bǔ)償、用差分放大電路、運(yùn)用斬波技術(shù)、自動(dòng)調(diào)零技術(shù)、參數(shù)補(bǔ)償?shù)?。本文采用的是差分電路的方法來抑制直流漂移?/p>

圖1 虛擬示波器硬件電路組成圖

信號調(diào)理由信號衰減電路、電壓跟隨電路、前置放大電路、主放大電路組成。對于直流漂移有抑制作用的部分有衰減電路、前置放大器與主放大器兩個(gè)部分，起主要作用的部分是前置放大器和主放大器，這兩個(gè)部分均采用模擬公司的AD8330放大器來完成。此放大器的特點(diǎn)是可對0至150MHz的信號進(jìn)行可編程放大，具有低噪聲，低失真特性。一個(gè)AD8330用作前置放大器，另一個(gè)用作主放大器。用前置放大器的目的是將輸入信號中的漂移均勻分到輸出腳上，從而使主放上的輸入信號漂移一致，從而利用主放大器差分放大消除直流漂移。

數(shù)控衰減器可用X9C102來實(shí)現(xiàn)。衰減電路可用數(shù)控電位器X9C102實(shí)現(xiàn)，X9C102是一種高可靠性的數(shù)控電位器，含有99個(gè)帶溫度償?shù)淖杩箚卧?，其電阻陣列的總電?KΩ，5V供電超低功耗，工作電流最大為3mA，待機(jī)電流最大為500uA。電位器是通過由99個(gè)阻抗單元組成的電阻陣列和抽頭開關(guān)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，其游標(biāo)抽頭節(jié)點(diǎn)位置通過CS、/UD和INC三線接口來控制，且保存在非易失存儲(chǔ)器中，上電時(shí)喚醒此保存的游標(biāo)抽頭節(jié)點(diǎn)位置值。很適合用于控制、參數(shù)調(diào)整和信號處理的應(yīng)用場合。對X9C102數(shù)控電位器進(jìn)行操作時(shí)，CS、/UD和INC三線輸入控制游標(biāo)抽頭在阻抗陣列中的移動(dòng)。首先將片選信號CS置低，若需要上移游標(biāo)抽頭，則/UD應(yīng)置為高電平，每次INC輸入一個(gè)由高到低跳變的下降沿，則游標(biāo)抽頭向上移一級，直至最大值時(shí)100%的信號通過電位器，即此時(shí)不衰減。若需要下移游標(biāo)抽頭，則/UD應(yīng)置為低電平，每次INC輸入一個(gè)由高到低跳變的下降沿，則游標(biāo)抽頭向下移一級，直至最小值時(shí)沒有信號通過電位器，即此時(shí)全部被衰減。

圖2 信號調(diào)理電路圖

在衰減電路的后面緊跟的是電壓跟隨器，電壓跟隨器起到隔離的作用，使輸入信號不受后面電路的影響。

對信號的調(diào)整是通過對衰減器和主放大器系數(shù)進(jìn)行調(diào)整決定的，因此整個(gè)硬件中還要有個(gè)測幅電路與之相配合。

電路中的測幅電路沒有畫出，測幅的目的是通過測量幅度來控制衰減器和放大器的倍數(shù)，從而使信號剛好進(jìn)入AD變換器的范圍。下圖是調(diào)理電路的工作流程圖。

圖3 信號調(diào)理電路圖

在調(diào)整電路工作的過程中，每次調(diào)整衰減系數(shù)都要記錄衰減位置，以便于以后計(jì)算信號幅度。對衰減與放大系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，頻率不要太慢或太快，大約在幾千赫茲就可以。流程圖中的的幅度適中是指調(diào)節(jié)后的信號幅度剛好是AD的最大輸入值或略小于其最大輸入值；幅度過大是指調(diào)節(jié)后的信號幅度超過了AD的最大輸入值；幅度過小是指調(diào)節(jié)后的信號幅度低于一定的AD輸入電壓。

2 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

觸發(fā)電路在虛擬示波器中的作用很重要，是保證信號顯示的重要部分，是決定信號捕捉能力的重要方面。示波器的觸發(fā)可分為內(nèi)觸發(fā)與外觸發(fā)。一般示波器的內(nèi)觸發(fā)類型有邊沿觸發(fā)、脈寬觸發(fā)及視頻觸發(fā)等。下面分別介紹。

邊沿觸發(fā)可由比較器來實(shí)現(xiàn)，將調(diào)理好的信號接入比較器的一端，另一端接參考電平。當(dāng)輸入信號比參考電平高時(shí)，比較器將輸出高電平，當(dāng)輸入電平為低時(shí)，比較器將輸出低電平。由于測量的信號基本是周期信號，因此比較器將輸出一串脈沖。如果選的是上升沿觸發(fā)，則脈沖的上升沿將是信號的觸發(fā)點(diǎn)。

脈寬觸發(fā)是用來捕捉脈沖序列中某一時(shí)間寬度特性碼，或周期信號中出現(xiàn)的與規(guī)定時(shí)間寬度不符的異常信號。這里只設(shè)計(jì)脈寬在33ns到500ns的脈寬觸發(fā)，更寬的脈沖寬度觸發(fā)可在軟件中實(shí)現(xiàn)。脈沖寬度觸發(fā)電路可通過積分電路、放電電路及放大電路來實(shí)現(xiàn)。積分電路的作用是將要測量的時(shí)間變成電壓量，以便于測量，而放電電路的作用是將電放掉，以便以后繼續(xù)測量。放大電路的作用是將對積分出的電壓進(jìn)行放大與縮小，便于后面的電路使用。

視頻觸發(fā)是對視頻信號而進(jìn)行的觸發(fā)，可借助于芯片LM1881來實(shí)現(xiàn)。視頻觸發(fā)中單行觸發(fā)電路圖如圖4所示。

圖4 視頻單行觸發(fā)電路

LM1881可以提取出視頻信號的同步信號，從而可以利用同步信號將視頻信號提取出。LM1881共可以提取出4種視頻信號，有復(fù)合同步信號、垂直同步信號、奇偶場信號等。圖中的芯片除了LM1881外，還用了三片MM74C193N（計(jì)數(shù)電路）。在上圖中用到的有復(fù)合同步信號和垂直同步信號，垂直同步信號用于初始該電路中的計(jì)數(shù)器，由計(jì)數(shù)器的BORROW引腳形成觸發(fā)脈沖。

視頻觸發(fā)中多行及場觸發(fā)電路要更復(fù)雜一些，可用CPLD實(shí)現(xiàn)。

外觸發(fā)是利用非測量信號來工作的，一般來說此信號與被測信號周期有倍數(shù)關(guān)系。其實(shí)現(xiàn)可與內(nèi)觸發(fā)中的邊緣觸發(fā)共用一個(gè)通道。

3 等效采樣電路及總線接口電路

等效采樣電路是針對2MHz到100MHz信號實(shí)現(xiàn)的，2MHz以下的電路用實(shí)時(shí)采樣來實(shí)現(xiàn)。等效采樣可分為隨機(jī)等效采樣和順序等效采樣。在本設(shè)計(jì)中，用隨機(jī)等效采樣來實(shí)現(xiàn)。因此，等效采樣的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)關(guān)鍵問題，一是要知道是否需要用隨機(jī)等效采樣，即關(guān)于頻率測量的問題；二是時(shí)間間隔測量問題，由于觸發(fā)信號與取樣時(shí)鐘是不同步的，他們之間無固定的時(shí)間關(guān)系，故觸發(fā)信號與下一個(gè)取樣時(shí)鐘間的時(shí)間間隔是隨機(jī)的，其值在0到一個(gè)取樣周期內(nèi)變化。

關(guān)于頻率的測量可以根據(jù)整形電路的輸出通過計(jì)數(shù)的辦法來實(shí)現(xiàn)。對于時(shí)間間隔測量問題，采用雙斜率電容充放電電路的方法來測量。由于這方面的資料較多，這里不再討論。

虛擬示波器中，硬件與軟件的數(shù)據(jù)傳輸和控制是實(shí)現(xiàn)測量功能的重要環(huán)節(jié)，選用USB2.0作為傳輸總線。USB2.0最高速度為480Mb/s，即插即用，十分方便，不需要插入機(jī)箱中，避免了電磁環(huán)境的干擾。

在硬件電路中，選擇Cypress半導(dǎo)體公司的CY7C68013來完成USB傳輸?shù)娜蝿?wù)。它是Cypress公司新一代高速產(chǎn)品。

4 小結(jié)

虛擬示波器是計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，而硬件電路是實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)，因此硬件電路的設(shè)計(jì)是比較重要的，本文簡單介紹了硬件電路的組成，重點(diǎn)介紹了抑制直流漂移的調(diào)理電路的設(shè)計(jì)和觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)，對虛擬示波器的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

［1］Analog Devices AD8330，2000，（3）.

［2］邱傳飛.基于SOPC的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.中國人民理理工大學(xué)通信學(xué)院學(xué)位論文，2007.

［3］National Semiconductor LM1881 vedio sync Separator，1995，（2）.

篇10

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)；虛擬實(shí)驗(yàn)室；數(shù)字仿真

一、EDA技術(shù)的應(yīng)用

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA（Electronic Design Automation）技術(shù)是電子設(shè)計(jì)技術(shù)的核心。EDA主要能輔助進(jìn)行三方面的設(shè)計(jì)工作，即IC設(shè)計(jì)、電子電路設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)。目前，EDA技術(shù)使用普及、應(yīng)用廣泛、工具多樣、軟件功能強(qiáng)大。廣大電子工程人員掌握這一先進(jìn)技術(shù)，這不僅是提高設(shè)計(jì)效率的需要，更是我國電子工業(yè)在世界市場上生存、競爭與發(fā)展的需要。

二、電子虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)軟件選擇

現(xiàn)在的高校電子實(shí)驗(yàn)室普遍存在“軟件少，硬件多”的問題，所有實(shí)驗(yàn)還是以基礎(chǔ)訓(xùn)練型為主，比如：電路測試與電工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，單片機(jī)與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)等，大部分都是簡單容易實(shí)現(xiàn)的。綜合型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)很少，比如單片機(jī)開發(fā)實(shí)驗(yàn)等。學(xué)生在已安裝好實(shí)驗(yàn)電路的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上來完成操作，從而完成驗(yàn)證定律、定理和結(jié)論，缺乏主體意識，沒有帶著問題去學(xué)、去做實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了解決這方面的問題，我們以電子基礎(chǔ)課為突破口，引入計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，創(chuàng)建電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，不但可以完成各種基本實(shí)驗(yàn)，更可以進(jìn)行設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以觀察和分析電路的結(jié)構(gòu)、功能及工作原理，加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)原理、規(guī)則和實(shí)物實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)的認(rèn)識，使學(xué)生感悟和應(yīng)用最先進(jìn)的技術(shù)，并能引導(dǎo)他們積極主動(dòng)地去探索新知識。學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，并能通過觀察分析模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)地驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確、合理。目前，眾多院校在電路實(shí)踐教學(xué)改革中引入了EDA技術(shù)，并建立了EDA實(shí)驗(yàn)室。配備了EWB、Pspice、Multisim、Protel、Max PluslI、System View等電路級仿真的主流軟件及配套硬件。本文采用一款能仿真單片機(jī)的EDA軟件-Proteus，在電子虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛推廣和應(yīng)用。

三、Proteus軟件應(yīng)用

Proteus軟件是由英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的

EDA工具軟件。該軟件集成了高級原理布圖、混合模式SPICE電路仿真、PCB設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線來實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。它是一種混合電路仿真工具，包括模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其電路組成的仿真等。Proteus6.7是目前最好的模擬單片機(jī)器件的工具，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU及其電路。Proteus與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機(jī)CPU的工作情況，也能仿真單片機(jī)電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時(shí)，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時(shí)單片機(jī)寄存器和存儲(chǔ)器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過程和結(jié)果。對于這樣的仿真實(shí)驗(yàn)，從某種意義上講，是彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。（1）proteus的工作過程。運(yùn)行proteus的ISIS程序后，進(jìn)入該仿真軟件的主界面。在工作前，要設(shè)置view菜單下的捕捉對齊和sys

tem下的顏色、圖形界面大小等項(xiàng)目。通過工具欄中的p（從庫中選擇元件命令）命令，在pickdevices窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調(diào)整其相對位置，元件參數(shù)設(shè)置，元器件間連線，編寫程序；在source菜單的Defineco degeneration tools菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴(kuò)展名等項(xiàng)目；在source菜單的Add/remove source files命令下，加入單片機(jī)硬件電路的對應(yīng)程序；通過debug菜單的相應(yīng)命令仿真程序和電路的運(yùn)行情況。（2）Proteus軟件所提供的元件資源。Proteus軟件所提供了30多個(gè)元件庫，數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等。（3）Proteus軟件所提供的儀表資源。對于一個(gè)仿真軟件或?qū)嶒?yàn)室，測試的儀器儀表的數(shù)量、類型和質(zhì)量，是衡量實(shí)驗(yàn)室是否合格的一個(gè)關(guān)鍵因素。在Proteus軟件包中，不存在同類儀表使用數(shù)量的問題。Proteus還提供了一個(gè)圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來，其作用與示波器相似但功能更多。

四、電路設(shè)計(jì)流程

電路級設(shè)計(jì)工作流程如圖所示，設(shè)計(jì)者首先確定設(shè)計(jì)方案，同時(shí)選擇合適的元器件，然后設(shè)計(jì)電路原理圖。接著進(jìn)行第一次仿真，包括數(shù)字電路的邏輯模擬、故障分析、模擬電路的交直流分析、瞬態(tài)分析。系統(tǒng)在進(jìn)行仿真時(shí)，必須要有元件模型庫的支持，計(jì)算機(jī)上模擬的輸入輸出波形代替了實(shí)際電路調(diào)試中的信號源和示波器。這一次仿真主要是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案在功能方面的正確性。

參 考 文 獻(xiàn)