一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统及实验方法技术方案

一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统及实验方法，系统有信号发生器模块连接信号放大电路模块，用于向信号放大电路模块提供输入信号，信号放大电路模块通过开关模块连接外部电源，信号放大电路模块的输出通过数据采集卡与上位机相连，指示灯模块连接信号放大电路模块。信号放大电路模块共有12个放大电路。方法是选择一种放大电路，打开与放大电路相连接的开关，使该放大电路接通电源，并接收信号发生器模块发出的信号，经放大电路处理后经数据采集卡到上位机，上位机分别显示放大电路的电路原理图，以及显示经经放大电路处理后的信号图像，实验结束后进行讨论并撰写实验报告。本发明专利技术从最基础的实验出发，提升测控电路教学的完整性和实践性。

A teaching experiment system and method of measurement and control circuit with simulation function

【技术实现步骤摘要】
一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统及实验方法
本专利技术涉及一种测控电路教学实验系统。特别是涉及一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统及实验方法。
技术介绍
当今的时代是信息时代，在工业和科技领域信息主要通过测量获取。在现代生产中，物质流和能量流在信息流指挥和控制下运动。测控技术已经成为现代生产和高科技中的一项必不可少的基础技术。而随着智能通信化、集成化和虚拟化技术的发展，测控领域越来越重视信息的集成、系统结构的优化和多技术的集成，逐步形成设备智能化、过程软件化、实时化控制、高度可视化和测控一体化的现代测控体系。测控系统主要由传感器(测量装置)、测量控制电路和执行机构三部分组成。在整个测控系统中电路是最灵活的部分，它具有便于放大、便于转换、便于传输、便于适应各种使用要求的特点。测控系统乃至整个机器和生产系统的性能在很大程度上取决于测控电路。“测控电路”课程作为全国各高校的仪器信息相关专业的核心课程，其重要性不言而喻。但在目前各大院校的测控学科教学过程中，仍旧普遍缺乏类似的综合性教学实验设备。在以往的教学实验设备中，大多依赖于特定的传感器来产生信号，而这种特定的传感器它本身的机械结构、加工工艺十分复杂，对于刚接触测控电路的学生来说理解起来有一定难度。传统的教学设备中，基本上以模拟电路和数字电路为主，仿真与电路设计分离，学生在实验时不能做到理论与实践的对比，严重影响了测控电路的教学效果。在现有的测控电路教学实验系统中，实验设计基本以功能模块为主，与实际工程结合较多，与理论的仿真实验对比较少，而且要求实验人员要有良好的电路基础。因此，研发一种能够满足大部分实验者的需求以及能够把仿真与电路设计结合起来的测控电路教学实验系统具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够提升测控电路教学的完整性和实践性的新型的具有仿真功能的测控电路教学实验系统及实验方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统，包括有信号发生器模块，还设置有开关模块、指示灯模块、信号放大电路模块、数据采集卡和上位机，所述的信号发生器模块连接信号放大电路模块，用于向信号放大电路模块提供输入信号，所述信号放大电路模块通过开关模块连接外部电源，所述信号放大电路模块的输出通过数据采集卡与上位机相连，所述指示灯模块连接所述信号放大电路模块。所述的信号放大电路模块包括有12个放大电路，具体是：信号输入端分别连接所述信号发生器模块、输出端分别通过数据采集卡连接上位机的：反相放大电路、同相放大电路、差动放大电路、双运放高共模抑制比同相放大电路、双运放高共模抑制比反相放大电路、三运放高共模抑制比放大电路、低漂移自动调零电路、低漂移斩波稳零放大电路、自举式高输入阻抗放大电路、差动输入电桥放大电路、线性电桥放大电路、可编程增益放大电路。所述的开关模块包括有并联设置的12个开关，每一个开关的一端连接外部电源，另一端对应连接信号放大电路模块中12个放大电路中的一个。所述的指示灯模块包括有12个指示灯，每一个指示灯对应连接信号放大电路模块中12个放大电路中的一个，用于显示所连接的放大电路的工作状态。所述的上位机中由LabView与Multisim联合仿真共同进行，其中，Multisim显示仿真电路，LabView显示数据采集卡所采集的信号，是以波形图方式显示。一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统的实验方法，选择一种放大电路，打开与所述放大电路相连接的开关，使该放大电路接通电源，并接收信号发生器模块发出的信号，经所述放大电路处理后经数据采集卡到上位机，所述上位机分别显示所述放大电路的电路原理图，以及显示经经所述放大电路处理后的信号图像，实验结束后进行讨论并撰写实验报告。本专利技术的一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统及实验方法，能够解决现有教学设备理论性较高，传感器模型较为复杂，与仿真实验契合较差的问题，从最基础的实验出发，提升测控电路教学的完整性和实践性。附图说明图1是本专利技术具有仿真功能的测控电路教学实验系统组成框图；图2是本专利技术测控电路教学实验系统中信号放大电路模块的组成框图；图3是反相放大电路的电路原理图；图4是同相放大电路的电路原理图；图5是差动放大电路的电路原理图；图6是双运放高共模抑制比同相放大电路的电路原理图；图7是双运放高共模抑制比反相放大电路的电路原理图；图8是三运放高共模抑制比放大电路的电路原理图；图9是低漂移自动调零电路的电路原理图；图10是低漂移斩波稳零放大电路的电路原理图；图11是自举式高输入阻抗放大电路的电路原理图；图12是差动输入电桥放大电路的电路原理图；图13是线性电桥放大电路的电路原理图；图14是可编程增益放大电路的电路原理图。图中1：信号发生器模块2：开关模块3：指示灯模块4：信号放大电路模块401：反相放大电路402：同相放大电路403：差动放大电路404：双运放高共模抑制比同相放大电路405：双运放高共模抑制比反相放大电路406：三运放高共模抑制比放大电路407：低漂移自动调零电路408：低漂移斩波稳零放大电路409：自举式高输入阻抗放大电路410：差动输入电桥放大电路411：线性电桥放大电路412：可编程增益放大电路5：数据采集卡6：上位机6.1：Multisim6.2：LabView具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术的一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统及实验方法做出详细说明。如图1所示，本专利技术的一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统，包括有信号发生器模块1，其特征在于，还设置有开关模块2、指示灯模块3、信号放大电路模块4、数据采集卡5和上位机6，所述的信号发生器模块1连接信号放大电路模块4，用于向信号放大电路模块4提供输入信号，所述信号放大电路模块4通过开关模块2连接外部电源，所述信号放大电路模块4的输出通过数据采集卡5与上位机6相连，所述指示灯模块3连接所述信号放大电路模块4。如图2所示，所述的信号放大电路模块4包括有12个放大电路，具体是：信号输入端分别连接所述信号发生器模块1、输出端分别通过数据采集卡5连接上位机6的：反相放大电路401、同相放大电路402、差动放大电路403、双运放高共模抑制比同相放大电路404、双运放高共模抑制比反相放大电路405、三运放高共模抑制比放大电路406、低漂移自动调零电路407、低漂移斩波稳零放大电路408、自举式高输入阻抗放大电路409、差动输入电桥放大电路410、线性电桥放大电路411、可编程增益放大电路412。所述的信号放大电路模块4中，每个模块都是独立的，输入输出接口可通过连接NI数据采集卡5与上位机6相连。在实验系统上可同时进行模拟电路实验，在上位机6上可通过LabView6.2与Multisim6.1软件的联本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统，包括有信号发生器模块(1)，其特征在于，还设置有开关模块(2)、指示灯模块(3)、信号放大电路模块(4)、数据采集卡(5)和上位机(6)，所述的信号发生器模块(1)连接信号放大电路模块(4)，用于向信号放大电路模块(4)提供输入信号，所述信号放大电路模块(4)通过开关模块(2)连接外部电源，所述信号放大电路模块(4)的输出通过数据采集卡(5)与上位机(6)相连，所述指示灯模块(3)连接所述信号放大电路模块(4)。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统，包括有信号发生器模块(1)，其特征在于，还设置有开关模块(2)、指示灯模块(3)、信号放大电路模块(4)、数据采集卡(5)和上位机(6)，所述的信号发生器模块(1)连接信号放大电路模块(4)，用于向信号放大电路模块(4)提供输入信号，所述信号放大电路模块(4)通过开关模块(2)连接外部电源，所述信号放大电路模块(4)的输出通过数据采集卡(5)与上位机(6)相连，所述指示灯模块(3)连接所述信号放大电路模块(4)。


2.根据权利要求1所述的一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统，其特征在于，所述的信号放大电路模块(4)包括有12个放大电路，具体是：信号输入端分别连接所述信号发生器模块(1)、输出端分别通过数据采集卡(5)连接上位机(6)的：反相放大电路(401)、同相放大电路(402)、差动放大电路(403)、双运放高共模抑制比同相放大电路(404)、双运放高共模抑制比反相放大电路(405)、三运放高共模抑制比放大电路(406)、低漂移自动调零电路(407)、低漂移斩波稳零放大电路(408)、自举式高输入阻抗放大电路(409)、差动输入电桥放大电路(410)、线性电桥放大电路(411)、可编程增益放大电路(412)。


3.根据权利要求1所述的一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统，其特征在于，所述的开关模块(2)包括有并联设置的12个开关，每一个开关的一端连接外部电源，另一端对应连接信号放大电路模块(4)中12个放大电路中的一个。


4.根据权利要求1所述的一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统，其特征在于，所述的指示灯模块(3)包括有12个指示灯，每一个指示灯对应连接信号放大电路模块(4)中12个放大电路中的一个，用于显示所连接的放大电路的工作状态。


5.根据权利要求1所述的一种具有仿真功能的测控电路教学实验系统，其特征在于，所述的上位机(6)中由LabView与Multisim联合仿真共同进行，其中，Multisim显示仿真电路，LabView显示数据采集卡(5)所采集的信号，是以波形图方式显示。


6.一种权利要求1所述的具有仿真功能的测控电路教学实验系统的实验方法，其特征在于，选择一种放大电路，打开与所述放大电路相连接的开关，使该放大电路接通电源，并接收信号发生器模块(1)发出的信号，经所述放大电路处理后经数据采集卡(5)到上位机(6)，所述上位机(6)分别显示所述放大电路的电路原理图，以及显示经经所述放大电路处理后的信号图像，实验结束后进行讨论并撰写实验报告。


7.根据权利要求6所述的具有仿真功能的测控电路教学实验系统的实验方法，其特征在于，所述的放大电路有：反相放大电路(401)、同相放大电路(402)、差动放大电路(403)、双运放高共模抑制比同相放大电路(404)、双运放高共模抑制比反相放大电路(405)、三运放高共模抑制比放大电路(406)、低漂移自动调零电路(407)、低漂移斩波稳零放大电路(408)、自举式高输入阻抗放大电路(409)、差动输入电桥放大电路(410)、线性电桥放大电路(411)、可编程增益放大电路(412)。


8.根据权利要求7所述的具有仿真功能的测控电路教学实验系统的实验方法，其特征在于，对应每个放大电路的实验是：
1)反相放大电路的实验包括如下步骤：
(1.1)测量反相放大器的闭环增益：在具有仿真功能的测控电路教学实验系统的信号放大电路模块中找到反相放大电路，打开对应的电源开关，将信号发生器模块的输出端连接至反相放大电路的输入端Ui，调节信号发生器模块输出为f＝60Hz的正弦信号，用示波器观测Ui及输出电压Uo1的相位关系，并求闭环增益；
(1.2)测量反相放大电路的带宽：此时改变信号发生器模块输入信号Ui的频率，观察波形幅值变化；当幅值下降为放大倍数的0.707，即－3dB时，记下此时输入信号的频率，并求出带宽BW；改变输入信号的幅值和频率，重复三次；验证GBW是否为一常数；
(1.3)将反相放大电路的I/O接口连接至数据采集卡，在上位机的Multisim软件中仿真，改变输入阻抗的阻值，观测输出波形的变化，并将理论值计算结果和实测数据相比较，分析产生误差的原因；
2)同相放大电路的实验包括如下步骤：
(2.1)测量同相放大器的闭环增益：在具有仿真功能的测控电路教学实验系统的信号放大电路模块中找到同相放大电路，打开对应的电源开关，将信号发生器模块的输出端连接至同相放大电路的输入端Ui，调节信号发生器模块输出为f＝60Hz的正弦信号，用示波器观测Ui及输出电压Uo2的相位关系，并求闭环增益；
(2.2)测量同相放大电路的带宽：此时改变信号发生器模块输入信号Ui的频率，观察波形幅值变化；当幅值下降为放大倍数的0.707，即－3dB时，记下此时输入信号的频率，并求出带宽BW；改变输入信号的幅值和频率，重复三次；验证GBW是否为一常数；
(2.3)将同相放大电路的I/O接口连接至数据采集卡，在上位机的Multisim软件中仿真，改变输入阻抗的阻值，观测输出波形的变化，并将理论值计算结果和实测数据相比较，分析产生误差的原因；
3)差动放大电路的实验包括如下步骤：
(3.1)在具有仿真功能的测控电路教学实验系统的信号放大电路模块中找到差动放大电路，打开对应的电源开关，调节信号发生器模块，使信号发生器模块输出频率为60Hz的正弦信号；
(3.2)计算差动放大电路的两个单端输入信号：先将信号发生器模块的输出端连接至差动放大电路的输入端Ui1，Ui2接地，此时计算输入信号Ui1作用时差动放大电路的输出Uo3a；然后，再将信号发生器模块的输出端连接至差动放大电路的输入端Ui2，Ui1接地，此时计算输入信号Ui2作用时差动放大电路的输出Uo3b；
(3.3)求差动放大电路的共模电压增益和差模电压增益；
(3.4)求电路的共模电压增益和差模电压增益；
(3.5)计算差动放大电路的共模抑制比CMRR；
(3.6)将差动放大电路的I/O...

【专利技术属性】
技术研发人员：李醒飞，张天昊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12