CN201007873Y - 电子技术综合实验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电子技术综合实验仪，由传感器安装平台、模拟信号处理电路组、电源模块、信号发生器、单片机电路、大规模可编程逻辑器件电路、时钟电路、键盘电路、显示电路、两端带插头的连接线组成。在传感器安装平台上安装了多种传感器。将多种传感器、多种传感器的变换电路、多种功能模拟电路、A/D转换电路、D/A转换电路、单片机电路和大规模可编程逻辑器件电路结合在一起，对实验中比较固定的线路连线已经连通，其余电路可通过用两端带插头的连接线进行连接，即可组成复杂程度不同、具有不同功能的实验电路，便于根据不同的教学要求组织实验，使学生对这些知识的综合应用能力得到提高。

Description

电子技术综合实验仪

技术领域    本实用新型涉及一种教学仪器，特别涉及一种电子技术综合实验仪。

背景技术

目前，电子技术类专业的学生在进行电子技术方面的实验时，由于实验仪器提供的硬件资源不足，使用者一般只能针对某门课程进行内容单一的基本实验，对学生电子技术综合应用能力、创新能力的培养带来很大的局限。如能在一种实验仪器上提供多门课程所涉及的硬件资源，学生通过该仪器的使用，能加深学生对所学课程知识的理解，提高学生对知识的综合应用能力，有利于学生电子技术综合应用能力的培养和提高学生的创新能力。

发明内容

本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，在一个实验仪器上提供一种涉及多门课程知识、可综合应用多门技术、具有较多硬件资源的实验平台，具体而言本实用新型涉及传感器技术、模拟电子技术、数字电子技术、EDA技术、单片机技术，提供的硬件资源包括：多种传感器，多种常用模拟电路模块、大规模可编程逻辑器件电路(可用其实现各种数字电路)、常用单片机电路。本实用新型除提供以上技术方面的硬件资源，可对使用者在硬件技术的综合应用方面进行综合训练以外，由于现在从事电子技术工作的人员必须具有软、硬件知识的综合应用能力，本实用新型更可在软、硬件结合方面对使用者进行综合训练。软件技术方面涉及：VHDL语言、计算机程序设计。本实用新型在电路组织上给使用者提供了比较大的自由度，使用者可以根据需要从仪器提供的硬件资源中选择需要的电路模块组织实验，进行从简单到复杂、从内容单一到多种技术综合应用的各种层次的实验。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种电子技术综合实验仪，由传感器安装平台、模拟信号处理电路组、电源模块、信号发生器、单片机电路、大规模可编程逻辑器件电路、时钟电路、键盘电路、显示电路、两端带插头的连接线组成；在所述的传感器安装平台上安装多种常见传感器，为给使用者提供方便、灵活的实验环境，各传感器都与插座连接，在所述的模拟信号处理电路组中的每一个电路都连接有插座，使用者可用两端带插头的连接线将需要的电路连接在一起。所述的电源模块可输出多种直流电压，在设计中除根据需要把电源模块提供的直流电压与各相关电路进行连接外还与输出插座连接，允许使用者通过外接实验电路的方式进一步提高实验仪器的功能。为避免使用仪器时电路连接过于复杂，大规模可编程逻辑器件电路与单片机电路、时钟电路、键盘电路已经连通；键盘电路与单片机电路已经连通；显示电路采用串口显示方式，在输入端设置有两个开关，通过切换这两个开关使显示电路与单片机电路或大规模可编程逻辑器件电路连接，这样可根据需要用同一显示电路显示来自单片机或大规模可编程逻辑器件的数据；所述的信号发生器由正弦信号发生器、低频振荡电路构成，正弦信号发生器的输出端与插座连接，通过两端带插头的连接线将正弦信号接入电路用作实验电路中的交流信号源；低频振荡电路的输出端与电子线圈Z连接。

在所述的传感器安装平台上安装的传感器组由应变式传感器、差动变压器、电容传感器、压电式传感器、涡流传感器、光电式传感器、霍尔元件和超声波传感器组成，在所述的传感器安装平台上安装有悬臂梁、传感器的支架、光电式传感器、霍尔元件、直流电机；所述的悬臂梁一端固定，另一端安装了永磁铁H1，在永磁铁H1的下方为与低频振荡电路相连的电子线圈Z，通过永磁铁H1与电子线圈Z的相互作用可引起悬臂梁的振动，便于进行动态实验；在悬臂梁上安装有应变式传感器、压电式传感器和电容传感器；传感器的支架由两个支架组成，在其中一个支架上固定有螺旋测微仪，另一个支架可根据需要在上面安装差动变压器或涡流传感器；在直流电机的转轴上装有一透明圆盘，圆盘上嵌有一片永磁铁H2，透明圆盘位于光电传感器的光通路中；直流电机带动透明圆盘转动时永磁铁H2可阻断光电传感器的光通路，霍尔元件安装在透明圆盘附近，直流电机带动透明圆盘转动到某一位置时，永磁铁H2与霍尔元件相互作用，使霍尔元件产生输出。电容传感器与电容变换器的输入端连接，电容变换器的输出端与插座连接；压电式传感器与电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与插座连接；涡流传感器与涡流变换器的输入端连接，涡流变换器的输出端与插座连接；光电式传感器由光电信号发射电路和光电信号接受电路组成，光电信号接受电路的输出端与插座连接；霍尔元件的输出端与插座连接；超声波传感器中的发射器件与超声波发射电路相接，超声波发射电路的输入端与插座连接，超声波传感器中的接收器件与超声波信号接收电路连接，超声波信号接收电路的输出与插座连接。

所述的模拟信号处理电路组由电桥电路、差动放大电路、电压放大电路、电压比较电路、射极跟随电路、移相电路、相敏检波电路、低通滤波电路、直流电机驱动电路、精密整流电路组成。

所述的单片机电路由51系列单片机仿真插座、模拟开关电路、地址译码电路、A/D转换电路、D/A转换电路、放大器、V/F转换电路构成，单片机仿真插座与模拟开关电路、地址译码电路、A/D转换电路、D/A转换电路连接所需的地址线、数据线和控制线已经连通；A/D转换电路的片选信号、D/A转换电路的片选信号已经与地址译码电路连通；D/A转换电路与放大器已连通；所述模拟开关电路的输入端和输出端、地址译码电路的输出端、A/D转换电路、D/A转换电路后连接放大器的输出端、V/F转换电路的输入和输出端都连接有插座。

所述的大规模可编程逻辑器件电路由插接大规模可编程逻辑器件的插座和安装有大规模可编程逻辑器件的电路板构成；电路板通过插针与插接大规模可编程逻辑器件的插座连接，由于目前大规模可编程逻辑器件有FPGA和CPLD两种形式，这种结构给使用者带来方便。

所述的传感器安装平台、模拟信号处理电路组、电源模块、信号发生器、单片机电路、大规模可编程逻辑器件电路、时钟电路、键盘电路、显示电路、两端带插头的连接线都置于箱体内。在箱体内左下部，分上、下两层，安装两块印制电路板、，置于下方的印制电路板上设计有：电容变换器、电荷放大器、涡流变换器、光电信号发射电路和光电信号接受电路、超声波发射电路和超声波信号接收电路、正弦信号发生器、低频振荡电路、直流电机驱动电路；置于上方的印制电路板上设置有除直流电机驱动电路以外的模拟信号处理电路组的其它电路、单片机电路、插接大规模可编程逻辑器件插座、时钟电路、键盘电路和串口显示电路，此外以前所述插座也都安装在置于上方的印制电路板上；传感器安装平台固定安装在箱体内的上方；两端带插头的连接线放置在箱体内的右下方；电源模块为一体化的开关电源，固定安装在箱体底面，各电路所需的电源已经连通；超声波传感器的发射器件和接收器件安装在箱体的壁上。将所述的传感器安装平台、模拟信号处理电路组、电源模块、信号发生器、单片机电路、大规模可编程逻辑器件电路、时钟电路、键盘电路、显示电路、两端带插头的连接线都置于箱体内的好处有：减少仪器占地面积，节省实验场地，节约设备投入，便于实验设备管理，提供灵活的实验条件，减少实验中接线的数量，便于使用者组成各种不同复杂程度、具有不同功能的实验电路，便于根据不同的教学要求组织实验，减少实验接线，便于组织比较复杂的综合性实验，提高实验效率，有利于学生综合能力和重新能力的培养。

利用本实用新型可进行以下等各种实验：

应变片单臂电桥性能测试实验、用应变片组成单臂、半桥、全桥时的性能比较、交流全桥的性能研究、交流全桥的测量振幅、光电传感器和直流电机转速实验、差动变压器性能测试、差动变压器的标定、涡流式传感器的静态标定、被测材料对涡流式传感器性能的影响、压电加速度传感器性能测试、电容传感器实验、组合逻辑设计、组合电路设计、触发器功能模拟、FPGA电路的串口显示实验、计数器及时序电路设计、七人表决器实验、频率计实验、波形发生器实验、FPGA与A/D转换器接口实验、MCS-51单片机与FPGA接口实验、二进制数到BCD码的转换实验、BCD码乘法实验、转移程序设计实验、数据排序实验、P1口输入输出实验、流水灯实验、键盘显示实验、定时器实验、电子钟实验、A/D转换实验、D/A转换实验、V/F转换实验、利用光电式传感器测量和控制电机转速、利用霍耳式传感器测量和控制直流电机转速、利用应变式传感器设计电子秤、利用差动变压器测量微位移、超声波测距仪。

本实用新型的电子技术综合实验仪，在一个实验仪器上提供一种涉及多门课程知识、可综合应用多门技术、具有较多硬件资源的实验平台，除可对使用者在硬件技术的综合应用方面进行综合训练以外，更可在软、硬件结合方面对使用者进行综合训练。该实验仪器涉及的软件技术包括：VHDL语言、计算机程序设计。本实用新型在电路组织上给使用者提供了比较大的自由度，使用者可以根据需要自行选择硬件资源，进行从简单到复杂、从内容单一到多种技术综合应用的各种层次的实验。

附图说明    图1是本实用新型电路结构示意图

图2是本实用新型电子技术综合实验箱的结构示意图

图3是本实用新型传感器安装平台的结构示意图

图4是图3中A-A剖视结构示意图

图5是本实用新型实施例1的电路结构示意图

图6是本实用新型实施例2的电路结构示意图

图7是本实用新型实施例3的电路结构示意图

具体实施方式  下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，如图1、图2、图3、图4所示：

一种电子技术综合实验仪，由传感器安装平台1、模拟信号处理电路组2、电源模块3、信号发生器4、单片机电路5、大规模可编程逻辑器件电路6、时钟电路7、键盘电路8、显示电路9、两端带插头的连接线10组成；在所述的传感器安装平台1上安装有传感器组11，所述的传感器组11中的每一个传感器都连接有插座；在所述的模拟信号处理电路组2中的每一个电路都连接有输入和输出插座；所述的电源模块3连接有输出插座；大规模可编程逻辑器件电路6与单片机电路5、时钟电路7、键盘电路8连通；键盘电路8与单片机电路5连通；显示电路9设置有两个开关，通过切换这两个开关使显示电路9与单片机电路5或大规模可编程逻辑器件电路6连接；所述的信号发生器4由正弦信号发生器41、低频振荡电路42构成，正弦信号发生器41的输出端与插座连接，低频振荡电路42的输出端与电子线圈Z连接。

所述的传感器安装平台1的传感器组11由应变式传感器111、差动变压器112、电容传感器113、压电式传感器114、涡流传感器115、光电式传感器116、霍尔元件117和超声波传感器118组成，在所述的传感器安装平台1上安装有悬臂梁101、传感器的支架102、光电式传感器116、霍尔元件117、直流电机104；所述的悬臂梁101一端固定，另一端安装了永磁铁H1，在永磁铁H1的下方为与低频振荡电路42相连的电子线圈Z；在悬臂梁101上安装有应变式传感器111、压电式传感器144和电容式传感器113；传感器的支架102由支架1021和支架1022构成，在支架1021上固定有螺旋测微仪103，在支架1022上设有差动变压器112或涡流传感器115；在直流电机104的转轴上装有一透明圆盘105，透明圆盘105上嵌入一永磁铁片H2；其中，电容式传感器113与电容变换器1131的输入端连接，电容变换器1131的输出端与插座连接；压电式传感器114与电荷放大器1141的输入端连接，电荷放大器1141的输出端与插座连接；涡流传感器115与涡流变换器1151的输入端连接，涡流变换器1151的输出端与插座连接。光电式传感器116由光电信号发射电路1161和光电信号接受电路1162组成，光电信号接受电路1162的输出端与插座连接；霍尔元件117的输出端与插座连接；超声波传感器118中的发射器件与超声波发射电路1181相接，超声波发射电路1181的输入端与插座连接，超声波传感器118中的接收器件与超声波信号接收电路1182连接，超声波信号接收电路1182的输出与插座连接。

所述的模拟信号处理电路组2由电桥电路21、差动放大电路22、电压放大电路23、电压比较电路24、射极跟随电路25、移相电路26、相敏检波电路27、低通滤波电路28、直流电机驱动电路29、精密整流电路20组成。

所述的单片机电路5由51系列单片机仿真插座51、模拟开关电路52、地址译码电路53、A/D转换电路54、D/A转换电路55、放大器56、V/F转换电路57构成，单片机仿真插座51与模拟开关电路52、地址译码电路53、A/D电路54、D/A电路55已分别连通；地址译码电路53分别与A/D转换电路54和D/A转换电路55的片选端连通；D/A转换电路55与放大器56连通；所述模拟开关电路52的输入端和输出端、地址译码电路53的输出端、A/D电路54的输入端、放大器56、D/A电路55的输出端、V/F转换电路57的输入和输出端都连接有插座。

所述的大规模可编程逻辑器件电路6由插接大规模可编程逻辑器件的插座61和安装有大规模可编程逻辑器件的电路板62构成；电路板62通过插针插接在大规模可编程逻辑器件的插座61上。

所述的传感器安装平台1、模拟信号处理电路组2、电源模块3、信号发生器4、单片机电路5、大规模可编程逻辑器件电路6、时钟电路7、键盘电路8、显示电路9、两端带插头的连接线10都置于箱体81内。

在箱体81的左下部，分上、下两层，安装两块印制电路板811、812，置于下方的印制电路板811上有如下电路：电容变换器1131、电荷放大器1141、涡流变换器1151、光电信号发射电路1161和光电信号接受电路1162、超声波发射电路1181和超声波信号接收电路1182、正弦信号发生器41、低频振荡电路42、直流电机驱动电路29；置于上方的印制电路板812上设置有除直流电机驱动电路29以外的模拟信号处理电路组2中的其它电路、单片机电路5、插接大规模可编程逻辑器件插座61、时钟电路7、键盘电路8和显示电路9；传感器安装平台1固定安装在实验箱81的上方；两端带插头的连接线10放置在箱体81的右下方；电源模块3为开关电源，固定安装在箱体81底面；超声波传感器118的发射器件和接收器件安装在箱体的壁上。

实施例1

用差动变压器测量微位移，参附图5：

在支架1021装上螺旋测微仪103，支架1022装上差动变压器112，用两端带插头的连接线10将正弦信号发生器41的输出端与差动变压器112的输入端相连，用两端带插头的连接线10将差动变压器112的另一个输入端与地连接，用两端带插头的连接线10将差动变压器112的两个输出端分别与地和精密整流电路20的输入端连接，用两端带插头的连接线10将精密整流电路20的输出端与低通滤波电路28的输入端相连，用两端带插头的连接线10将低通滤波电路28的输出端与电压放大电路22的输入端相连，适当调整电压放大电路22的放大倍数，用两端带插头的连接线10将电压放大电路22的输出端与A/D转换电路54的输入端相连，A/D转换电路54的输出端和其它控制信号在电路板上已与单片机插座51相连，在螺旋测微仪103的测量端固定一个铁芯，铁芯***差动变压器112内，旋转螺旋测微仪103，使铁芯在差动变压器112内移动。在单片机仿真插座51上接入仿真机，将显示电路9的开关K设置在与单片机仿真插座51相接的状态，通过旋转螺旋测微仪103，记录下螺旋测微仪103上所标数据对应的位于差动变压器112内部铁芯的位置，用仿真机的程序监控该段距离的起点和终点的数字信号，对它进行标定，此后既可在此范围内测量微位移。

实施例2

利用应变式传感器设计电子秤，参附图6

在悬臂梁101上已粘贴有一组四片应变片，它们组成应变式传感器111，应变式传感器111已通过导线连接到印制电路板812的插座上，用两端带插头的连接线10将受力状态不同的应变片按实验要求接入电桥的各个桥臂(相邻桥臂上的应变片的受力状态应相反)，用两端带插头的连接线10将电源模块3的电压输出插座电桥电路21的电压输入端连接给电桥供电，组成直流电桥，用两端带插头的连接线10将电桥电路21的两个输出端与差动放大电路22的两个输入端相接，调整差动放大电路22的放大倍数(如差动放大电路22的放大倍数不够，可后面再接一级电压放大电路23)，用两端带插头的连接线10将差动放大电路22的输出端和A/D转换电路54的输入端相连，A/D转换电路54的输出端和其它控制信号线在电路板上已与单片机仿真插座51相连，在单片机仿真插座51上接入仿真机，将显示电路9的开关K设置在与单片机仿真插座51相接的状态，调节电桥电路21中的调平衡电阻，用仿真机的程序监控在悬臂梁上不放置重物时的输入信号(此时A/D转换器54的输出信号可以不为零)和放置已知重物时的输入信号，对电子秤进行标定，此后既可在已标定的电子秤上测量重物的重量。

实施例3

超声波测距仪，参附图7

在单片机仿真插座51上接入仿真机，用两端带插头的连接线10将单片机仿真插座51的某一端口和超声波发射电路1181的输入端相接，用两端带插头的连接线10将超声波信号接收电路1182的输出端与单片机仿真插座51的一个外部中断接口相接，将显示电路9的开关K设置在与单片机仿真插座51相接的状态，在键盘电路8中设置一个键作为启动键。在单片机程序中通过定时中断方式生成与超声波传感器所需频率对应的一串发射信号，按下一次启动键，超声波发射电路1181输出一串超声波信号，同时启动一个定时器开始计时，超声波信号遇障碍物后反射到超声波信号接收电路1182，超声波信号接收电路1182接收到信号后产生一个输出信号，该信号触发单片机的外部中断，通过测量超声波信号从发射到接收中间的时间间隔，利用声速即可计算超声波传感器118到障碍物之间的距离。

在具体实施过程中，实验仪的各种形状以及各种传感器和电路板等电子硬件资源在实验箱中的安装方式都落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电子技术综合实验仪，其特征在于：由传感器安装平台(1)、模拟信号处理电路组(2)、电源模块(3)、信号发生器(4)、单片机电路(5)、大规模可编程逻辑器件电路(6)、时钟电路(7)、键盘电路(8)、显示电路(9)、两端带插头的连接线(10)组成；在所述的传感器安装平台(1)上安装有传感器组(11)，所述的传感器组(11)中的每一个传感器都连接有插座；在所述的模拟信号处理电路组(2)中的每一个电路的输入输出都与插座相连；所述的电源模块(3)连接有输出插座；大规模可编程逻辑器件电路(6)与单片机电路(5)、时钟电路(7)、键盘电路(8)连通；键盘电路(8)与单片机电路(5)连通；显示电路(9)设置有两个开关，通过切换这两个开关使显示电路(9)与单片机电路(5)或大规模可编程逻辑器件电路(6)连接；所述的信号发生器(4)由正弦信号发生器(41)、低频振荡电路(42)构成，正弦信号发生器(41)的输出端与插座连接，低频振荡电路(42)的输出端与电子线圈Z连接。

2.根据权利要求1所述的电子技术综合实验仪，其特征在于：所述的传感器安装平台(1)上安装的传感器组(11)由应变式传感器(111)、差动变压器(112)、电容传感器(113)、压电式传感器(114)、涡流传感器(115)、光电式传感器(116)、霍尔元件(117)和超声波传感器(118)组成，在所述的传感器安装平台(1)上安装有悬臂梁(101)、传感器的支架(102)、光电式传感器(116)、霍尔元件(117)、直流电机(104)；所述的悬臂梁(101)一端固定，另一端安装了永磁铁H1，在永磁铁H1的下方为与低频振荡电路(42)相连的电子线圈Z；在悬臂梁(101)上安装有应变式传感器(111)、压电式传感器(114)和电容传感器(113)；传感器的支架(102)由支架(1021)和支架(1022)构成，在支架(1021)上固定有螺旋测微仪(103)，在支架(1022)上设有差动变压器(112)或涡流传感器(115)；在直流电机(104)的转轴上装有一透明圆盘(105)，透明圆盘(105)上嵌入一永磁铁片H2；其中，电容传感器(113)与电容变换器(1131)的输入端连接，电容变换器(1131)的输出端与插座连接；压电式传感器(114)与电荷放大器(1141)的输入端连接，电荷放大器(1141)的输出端与插座连接；涡流传感器(115)与涡流变换器(1151)的输入端连接，涡流变换器(1151)的输出端与插座连接；光电式传感器(116)由光电信号发射电路(1161)和光电信号接受电路(1162)组成，光电信号接受电路(1162)的输出端与插座连接；霍尔元件(117)的输出端与插座连接；超声波传感器(118)中的发射器件与超声波发射电路(1181)相接，超声波发射电路(1181)的输入端与插座连接，超声波传感器(118)中的接收器件与超声波信号接收电路(1182)连接，超声波信号接收电路(1182)的输出端与插座连接。

3.根据权利要求1所述的电子技术综合实验仪，其特征在于：所述的模拟信号处理电路组(2)由电桥电路(21)、差动放大电路(22)、电压放大电路(23)、电压比较电路(24)、射极跟随电路(25)、移相电路(26)、相敏检波电路(27)、低通滤波电路(28)、直流电机驱动电路(29)、精密整流电路(20)组成。

4.根据权利要求1所述的电子技术综合实验仪，其特征在于：所述的单片机电路(5)由51系列单片机仿真插座(51)、模拟开关电路(52)、地址译码电路(53)、A/D转换电路(54)、D/A转换电路(55)、放大器(56)、V/F转换电路(57)构成；单片机仿真插座(51)中的各输入输出口都连接有插座；单片机仿真插座(51)与模拟开关电路(52)、地址译码电路(53)、A/D转换电路(54)、D/A转换电路(55)分别连通；地址译码电路(53)分别与A/D转换电路(54)和D/A转换电路(55)连通；D/A转换电路(55)与放大器(56)连通；所述模拟开关电路(52)的输入端和输出端、地址译码电路(53)的输出端、A/D电路(54)的输入端、放大器(56)的输出端、V/F转换电路(57)的输入和输出端都连接有插座。

5.根据权利要求1所述的电子技术综合实验仪，其特征在于：所述的大规模可编程逻辑器件电路(6)由插接大规模可编程逻辑器件的插座(61)和安装有大规模可编程逻辑器件的电路板(62)构成；电路板(62)通过插针与插接大规模可编程逻辑器件的插座(61)连接。

6.根据权利要求1所述的电子技术综合实验仪，其特征在于：所述的传感器安装平台(1)、模拟信号处理电路组(2)、电源模块(3)、信号发生器(4)、单片机电路(5)、大规模可编程逻辑器件电路(6)、时钟电路(7)、键盘电路(8)、显示电路(9)、两端带插头的连接线(10)都置于箱体(81)内。

7.根据权利要求6所述的电子技术综合实验仪，其特征在于：在箱体(81)内的左下部，分上、下两层，安装两块印制电路板(811)、(812)，置于下方的印制电路板(811)上有如下电路：电容变换器(1131)、电荷放大器(1141)、涡流变换器(1151)、光电信号发射电路(1161)和光电信号接受电路(1162)、超声波发射电路(1181)和超声波信号接收电路(1182)、正弦信号发生器(41)、低频振荡电路(42)、直流电机驱动电路(29)；置于上方的印制电路板(812)上设置有除直流电机驱动电路(29)外的其余模拟信号处理电路组(2)中的电路、单片机电路(5)、插接大规模可编程逻辑器件的插座(61)、时钟电路(7)、键盘电路(8)和显示电路(9)；传感器安装平台(1)固定安装在实验箱(81)内的上方；两端带插头的连接线(10)放置在箱体(81)内的右下方；电源模块(3)为一体化的开关电源，固定安装在箱体(81)内的底面；超声波传感器(118)的发射器件和接收器件安装在箱体(81)的壁上。

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