口袋实验室多功能电子电路测量仪

　　1概述

　　众所周知，电子技术的学习和研究必须要与实践紧密结合，而实验和创新作为其实践体系中最为重要的环节，非常依赖于实验仪器设备。传统的实验仪器设备具有集成度高、功能丰富等优点，但价格较高、体积大不易携带、更新周期长、功能高度定制不易扩展、需要配合下载器和计算机使用、其所处实验室具有封闭性和时效性等问题，而无法满足学生随时随地进行学习和实验的需要[1]。根据以上问题，本文基于“口袋”实验室理念，设计出一款低成本、体积小的多功能电子电路测量仪，可将编程电源、万用表、示波器、逻辑分析仪、波形发生器和传感器接口集成于一块电路板上，并配以手机APP及PC软件操控和显示，从而能让学生将实验室装进“口袋”。这个设备突破了传统实验室场地及开放时间的局限，使学生能够随时随地进行实验，从而提高学生的创新意识和动手能力。

　　2“口袋”实验室理念

　　“口袋”实验室理念近年由美国德州仪器(TI)和赛灵思(Xil-inx)等知名公司的中国大学计划项目引入中国。它泛指各种功能强大的小型开发板，倡导一种不受时间、空间限制的全新实验教学模式。它们具有“小身材，大能量，开源性”的优点，方便学生二次开发。口袋实验室的设备虽然体积小，但价格低、功能全。基本上可以做到“一人一板，随时学习”，这一概念受到广大师生的欢迎和好评。“口袋”实验室的引入将会解决现有实验仪器设备的弊端，赋予学生更大的灵活性，释放学生的创新与创造力，增加学生对学习的热情，培养学生的自主学习意识，独立学习及动手实践的能力[2]。

　　3多功能电子电路测量仪的设计

　　3.1总体设计思路

　　功能方面，考虑到各类电学信号的发生、转换及测量是学生进行各类电子技术相关实验和创新最基本的需求，进而将该设计定位为通用型多功能电子电路测量设备。我们秉持“高性价比、可靠、精确、够用”的设计原则。所谓“高性价比”是指最大限度地控制电路成本，使得所有的学生都有可能配置使用;“可靠”则是要求电路在各种异常使用状态下都不易损坏;“精确”是指仪器的功能必须具备一定的动态范围与精度，以满足各类实验和创新的需要;“够用”则是指考虑到学生学习和创新的实际情况，不过分追求高指标[3]。经过调研和论证，最终确定该电子测量仪集成编程电源、万用表、示波器、逻辑分析仪、波形发生器和传感器接口等六大功能，如图1所示。整个设计分为硬件和软件两大部分，硬件电路采用16位MCU微控制单元PIC24EP256GP204作为核心处理器，将六个功能模块集成在一块PCB板上，设计成一个***卡片大小的“口袋”实验室产品，利用其配套的探头即可对电压、电流、电阻、电容等多种电学参数进行测量。测量操作通过软件系统的下位机软件进行控制和处理，测量结果交由手机APP和PC端等上位机软件进行显示和分析。

　　3.2硬件部分设计概述

　　16位微控制器PIC24EP256GP204作为核心处理芯片，负责连接编程电源、万用表、示波器、逻辑分析仪、波形发生器和传感器接口等六个主要功能模块并提供主控程序。MCP2200芯片提供USB+5V电源，最大电流500mA;示波器模块由两个正反馈差分放大器，四个负反馈差分放大器以及两个可编程增益放大器MCP6s21芯片组成，可以配置为+1V至+32V的电压增益，误差低至1%;波形发生器主要利用运算放大器TL082实现，可实现双通道5Hz～5kHz任意波形，手动幅度控制高达+3V或-3V，PWM输出最大频率为32MHz,且占空比可调;可编程电压源电流源模块由EEPROM芯片MCP4728控制，LM324芯片及MMBT3906晶体管等经电路连接后输出，可提供最大输出电流3.3mA及三路可编程电压源±5V，±3.3V，0～3.3V。万用表功能由芯片TC1240A、TC7660、MMBT3904和MMBT3906两个互补的三极管共同实现，电容测量范围为pF～uF,频率计测试高达16MHz。硬件实现效果如图2所示。

　　3.3软件部分设计概述

　　软件部分主要分为下位机软件和上位机软件。下位机软件主要实现对硬件的控制功能，此外还实现校正系统误差的功能，使得由不同器件造成的误差不会影响到系统的精度[4]。上位机软件主要通过USB接口实现对各仪器的控制，界面简明易操作，使得用户能够轻松使用本系统完成操作。下位机程序采用C语言设计，开发及编译环境采用MPLABXIDE;上位机软件分为手机APP和PC端应用程序。手机端APP适用于安卓系统，源代码编译语言为Java，编译环境为AndroidStudio;PC端应用程序采用Python语言编写。Pyqtgraph用于绘制显示的波形，通过USB或无线通信模块传输至手机端或PC端，实现测量数据的实时显示。

　　4结束语

　　本文介绍的多功能电子电路测量仪体积小巧、便于携带、实验数据可在手机端或者PC端实时显示，并可以进行二次实验开发，能够满足大部分电子电路实验的要求，为高校学生及科技爱好者提供了一种实用性极高的“口袋”实验室设备，让随时随地做实验的想法成为了现实，可以极大的提高学生动手能力和创新能力。后期可通过增加功能模块、实现测量数据的云存储和分析对设计进一步完善和提升。

　　参考文献：

　　[1]刘玮，孟桥，张添翼，等.口袋虚拟实验室的设计[J].电气电子教学学报，2016，38(6)：105-109+115.

　　[2]滕召胜，唐求，温和，等.单片机口袋实验室在实践教学中的应用[J].实验技术与管理，2017，34(10)：223-225+237.

　　[3]张红梅，唐明良.基于学生自主实践的“口袋”实验室构建[J].南方农机，2019，50(15)：157+161.

　　[4]叶进，樊好志.一种多功能电子测量仪研究[J].电子质量，2009(8)：7-9.

　　《口袋实验室多功能电子电路测量仪》来源：《南方农机》，作者：王岩 张宏亮 牛婷婷 刘荣慧

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