箱式基本电子系统解构与实验综合演示仪的设计

摘 要 箱式基本电子系统解构与实验综合演示仪与基本电子技术课程体系的结构相对应，具有解构、系统、便携、综合实验等特色，可以使学生对基本电子系统的结构、关系有更深入的认识，提升学习效果，并具有实验操作功能，是一个具有创新性的多功能综合演示仪。

关 键 词 电子系统；解构；实验；综合；演示仪

中图分类号 TN702 文献标识码 A 文 章 编 号

1研究背景

电子技术课程是高等院校中大多数工科专业的必修课，该门课程具有涉及知识范围广、知识体系相对复杂、实践应用性强等特点。随着时代的发展，复杂的知识体系与压缩的学时之间的矛盾十分突出，如何能在较少的学时内让学生更好地掌握电子技术知识体系的全貌，而不是只学会一些零散的概念，是新时期高等学校教学实践中的一个突出而且重要的问题。

“箱式基本电子系统解构与实验综合演示仪”是针对高等院校电子课程教学实践的实用型装置，该系统不仅是实验箱、也不是通常意义上的演示仪，其关键在于“解构”。

“解构”的含义是：将基本且典型的电子系统按基本单元解构为积木式系列模块，各自用典型电子电路表现并与传感系统、便携式仪表、多样式负载共同集成在便携装置中。各模块用同一信号源串联，利用仪表、声光电等显示手段，使典型电子系统既可以分段演示、又可以综合为实用系统。系统普遍采用小型化仪表，使整个系统集成为一体，真正做到便携，方便使用者。

“箱式基本电子系统解构与实验综合演示仪”中的电子模块可以拆分（解构），每个积木式模块均有独立的输入输出端子、负载与显示设施，更可以组合成一个整体（系统），一个演示仪可能就是一个真实的温度传感调控系统或其他，使学生对基本电子系统的结构、关系有更深入的认识，从而达到提升学习效果的目的。

众所周知，电子技术教学在高等学校工科专业中的普遍与重要，业界也都在探讨实践进课堂的意义，但目前仅有针对单独电路单元的演示设备，虽然可以增加学生对该单元的认知，但受众对整个电子系统仍没有整体概念。“箱式基本电子系统解构与实验综合演示仪”独创的解构、系统、便携、综合实验等特色使得该项目产品化、系列化后能广泛应用于各高等院校的教学实践中去，具有广泛的社会意义和重大的应用价值。

2技术方案与技术路线

2.1技术方案

本系统的主要要求是“解构”、“系统”、“便携”。在充分论证与科学整合的基础上选择典型模块与合适的信号、负载，利用经典的EDA设计、仿真、PCB制版、调试、成品的方案进行。

其中，小型仪表采用便携的集成化产品，其他仪表及全部模块的研发根据已经掌握的知识进行模块化设计。方案的优点是既降低了研发成本，又便于系统的整体设计，更易于满足指标的要求。需要注意的是，信号源等的设计必须可靠准确，接口的设计必须保证模块间连接时信号的衰耗与匹配，否则容易影响整个系统的指标。

重点解决的技术问题包括：

（1）电子技术典型应用电路选择与解构的科学性――电路与模块的选择、设计；

（2）实现各模块间串联的信号接口；

（3）系统面板的设计；

（4）系统中各仪表的小型化实现，以达到便携的目的；

（5）系统的安全与可靠性。

2.2技术路线

“箱式基本电子系统解构与实验综合演示仪”是以 “基本电子系统（以数字系统为核心，集成了传感器、模拟电路、数字电路、便携仪表等部分的综合电子系统演示仪。本演示仪的研究方法与技术路线是：首先是理论设计选定总体方案，包括电子技术基本系统的解构、典型电路与模块的选择和设计，然后采用模块式设计方法，按图1所示路线进行。

3综合演示仪的设计

3.1技术设计

3.1.1时钟信号发生器模块

时钟信号发生器模块可产生稳定的从0.25Hz到12MHz的方波信号频率，配合时钟选择单元，可向系统提供多达40种不同频率的时钟信号，电路设计如图2所示。其中，CD4040是12级二进制计数器， CD4060是14级二进制计数器，74HC393是双4位二进制计数器，7404为六反向器。

3.1.2正弦波、三角波和方波信号发生器

正弦波、三角波和方波信号发生器由精密波形产生电路与压控振荡器等组成，核心元件为ICL8038和运放MC1458等，其基本特征是可以同时产生和输出正弦波信号、三角波信号、锯齿波信号、方波和脉冲波信号等波形，电路如图3所示。其特点是振荡频率范围宽，频率稳定性好，频率范围是0.001Hz-300kHz；输出波形失真小，正弦波失真度

3.1.3 D/A转换电路

DAC0832是一个8位的数模转换器，内部由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位数模转换电路及转换控制电路组成。OP07是可与斩波稳零运放媲美的双极单片超低失调电压运算放大器，该器件具有失调电压低，失调温漂小，宽输入范围、宽电源范围等特点。电路如图4所示。

3.1.4温度测量显示电路

AD590温度传感器是一种已经IC化的温度传感器，它可以将温度变化转换为电流变化，温度每增加1?C， 它就会增加1μA输出电流。AD590的测温范围为-55 ?C--+150 ?C；ICL7135是高精度模数转换芯片，它是一种四位半的双积分A/D转换器，具有精度高、价格低廉、抗干扰能力强等优点。ICM7211是四位数字显示译码驱动器；配合CD4011、CD4030、CD4071、CD4081等门电路实现温度测量显示，电路如图5所示。

实验箱中还设计了八位逻辑电平输出电路与八位逻辑电平LED显示电路，可通过选择完成单脉冲输入、8位数字量输入、数字量及脉冲结合输入等多种输入方式。成品样机如图6所示。

4结语

“箱式基本电子系统解构与实验综合演示仪”针对高等院校电子课程教学实践，一个解构装置就是一个真实的温度传感调控系统或其他，使学生对基本电子系统的结构、关系有更深入的认识，提升学习效果。而且，本系统还可以集成简单实验，成为多功能的综合演示仪。系统直观度高、可操作性强、可靠性高，产品化、系列化后能广泛应用于各高等院校的教学实践中去，具有广泛的社会意义和重大的应用价值。

参考文献

[1]秦宏，张玉梅，周腾蛟，等.以“模块-综合”架构构建电力、能源类电子课程体系[J].沈阳师范大学学报：自然科学版，2011，29（4）：581-585.

[2]周春阳. 关于PCB设计要点分析[J].科技与企业，2013.4（233）：358.

[3]刘越，达成勇，王龙，门新.电路原理实验箱的创新性改进设计[J].实验室科学，2010，13（4）：63-66.

作者简介：秦宏（1970-），女，辽宁沈阳人，教授，硕士研究生，主要研究方向：虚拟电子实验技术。

基金项目：辽宁省教育厅一般项目（L2010385）；辽宁省高等教育教学改革研究项目（2012-939）。