专利名称：电工和电子技术综合实验平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实验平台，特别是涉及一种电工和电子技术综合实验平台。
背景技术：
现有的实验设备大多是分别针对电工技术或电子技术孤立的设备，也有少部分的电工技术集合实验设备或电子技术合成实验设备，但这些实验设备只能分别完成相关规定的部分实验内容，如电工技术设备，只能完成简单直流电路、交流电路实验，如叠加原理、暂态过程分析、单相串联阻抗测试等验证性的实验。又如电子技术实验设备均将模拟电子技术实验和数字电子技术实验分为两种设备，模拟电子技术实验设备中的放大电路和集成运算放大器又采用不同的实验设备；数字电子技术的各种实验设备均只能进行相对独立内容的实验。由于电工技术和电子技术实验采用不同的供电电源，则每个实验所需测量仪器也有很大差异。另外，现有的实验设备所用电工电子元器件、电路形式均由固定，实验者只能按固定模式下完成事先规定的实验内容。通常使用的电工电子实验装置多数是每个实验一块实验板，实验技术人员要在每次实验前后更换一块实验板，甚至需要事先搭建部分线路，这不仅加大了实验室的工作量， 而且不利于锻炼学生的动手能力。分立的元器件和分立的仪器仪表，这种方式有利于锻炼学生的实验动手能力，却对设备管理带来困难，也容易造成设备的损坏、丢失。在仪器方面， 实验室中现有的仪器在教学中只用了其中的一部分功能，有许多功能用不上；另一方面，某些需要的功能又不具备，需购置新的设备。另外，实验内容的更新要求购买新的实验设备， 也造成一些仪器的闲置和经费负担。
发明内容
为了克服现有的电工技术实验设备或电子技术实验设备功能单一的不足，本发明提供一种电工和电子技术综合实验平台。该装置包括电源模块、母板、查错功能模块、子板和虚拟示波器。该综合实验平台将电源模块、母板、查错功能模块、子板和虚拟示波器集成于同一平台，将要完成的电工电子技术每个实验内容设计成单独的子板，将要完成的各实验子板分别直接插接在平台的母板上，通过选择开关与实验所需电源接通进行实验，实验结果经数据采集处理单元、虚拟仪器单元与外接计算机联接，可直接获得实验结果数据或波形；该综合实验平台不仅可供完成电工技术和电子技术各种基础性、自主设计性和综合创新性实验内容，而且可为学生、教师和工程技术人员提供二次开发、科技创新的科学仪器实验平台。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种电工和电子技术综合实验平台，其特点是包括电源模块、母板、查错控制模块、子板、数据采集卡和PC机。电源模块、查错控制模块、子板和数据采集卡与母板采用标准的接插件连接，数据采集卡与PC机通信。 电源模块为系统提供士5V、士 12V、0 12V的电压，母板从左到右、从上到下布置有电源接口 7、小功率扬声器及驱动电路8、大功率器件接口 9、七段数码显示10、五十针接插件4、电路电压比较及蜂鸣器5、反相门驱动的LED3、多频率可调时钟信号源2、继电器11、电位器 12、八路逻辑开关量输出电路1和四路脉冲电路22，母板中间设置通气孔6，通气孔6的上下对称分布排针21。电源模块引出接线端子到母板上的电源接口 7，母板上电源接口 7的士5V、士 12V端口为子板供电。查错控制模块包括功能选择输入和功能实现两部分。功能选择输入部分为用户提供功能选择面板，功能实现部分采用相应的继电器使实验电路断开或闭合。选择功能有 0 F共十六个，除功能0外，每个功能对应一个继电器，继电器数量设计为十五个，使用一个4-16译码器。数据采集卡和PC机组成虚拟示波器，利用标准串并口进行数据采集、控制和通信，由8051单片机实现自动切换量程功能。八路逻辑开关量输出电路1通过拨动开关改变电路板的高低电平输出。多频率可调时钟信号源2产生时钟信号，反相门驱动的LED 3构建反相集成电路，五十针接插件4用于连接母板和功能选择模块20，电路电压比较及蜂鸣器5为母版提供基准电压，当输入电压高于基准电压时，蜂鸣器报警。小功率扬声器及驱动电路8由独立的功率放大器及扬声器组成，两者用导线连接。七段数码显示10采用共阴极接法。四路脉冲电路22产生输入信号脉冲，包括上升沿脉冲和下降沿脉冲。母板通过螺栓固定在箱体底座13上。可调直流电源18、电源开关19和功能选择模块20通过螺栓固定在控制面板14上。功能选择模块20安装在控制面板14上，功能选择模块20的输出接到母板上。箱体底座13的底部有通风槽15，箱体底座13的内部分布电源调理电路板16、环形变压器17和直流可调电源18，电源调理电路板16居左，环形变压器17居右，二者之间通过导线连接。环形变压器17与直流可调电源18之间用电源线连接。所述子板包括电子技术模块、电路芯片模块、运算放大器模块、直流/交流电路模块、三极管应用电路模块、晶闸管应用电路模块和单片机仿真电路模块。所述多频率可调时钟信号源2采用集成电路74HC14。所述反相门驱动的LED 3采用集成电路74LS04。所述功率放大器是低电压音频功率放大器LM386。所述大功率器件接口 9采用UL拟80 X系列芯片。所述七段数码显示10采用芯片MC14495。所述四路脉冲电路22采用施密特触发器74HC14(1)芯片。本发明的有益效果是由于本发明将电源模块、母板、查错功能模块、子板和虚拟示波器集成于同一平台，将要完成的电工电子技术每个实验内容设计成单独的子板，将要完成的各实验子板分别直接插接在平台的母板上，通过选择开关与实验所需电源接通进行实验，实验结果经数据采集处理单元、虚拟仪器单元与外接计算机联接，直接获得了实验结果数据或波形；该综合实验平台不仅提供了完成电工技术和电子技术各种基础性、自主设计性和综合创新性实验内容，而且为学生、教师和工程技术人员提供了二次开发、科技创新的科学仪器实验平台。下面结合具体实施方式
对本发明作详细说明。
图1是本发明电工和电子技术综合实验平台结构示意图。图2是本发明电工和电子技术综合实验平台总体功能关系示意图。图3是图1中数据采集卡的框图。图4是图1中母板平面示意图。图5是本发明电工和电子技术综合实验平台实验箱外部结构图。图6是本发明电工和电子技术综合实验平台控制面板平面示意图。图7是本发明电工和电子技术综合实验平台实验箱内部结构图。图中，1-八路逻辑开关量输出；2-多频率可调时钟信号源；3-反相门驱动的LED ； 4-五十针接插件；5-电路电压比较及蜂鸣器；6-通气孔；7-电源接口 ；8-小功率扬声器及驱动电路；9-大功率器件接口 ； 10-七段数码显示；11-继电器；12-电位器；13-箱体底座；14-控制面板；15-通风槽；16-电源调理电路板；17-环形变压器；18-直流可调电源； 19-电源开关；20-功能选择模块；21-排针；22-四路脉冲电路。
具体实施例方式参照图1 7，本发明电工和电子技术综合实验平台包括电源模块、母板、查错控制模块、子板、数据采集卡和PC机。电源模块作为系统的一个独立模块，物理上表现为PCB板，与平台的接口采用标准的接插件。实验系统的电源输入为220V、50Hz交流电，电源模块通过降压、整流、滤波、稳压以后为系统提供士5V、士 12V、0 12V的电压。按照一般电源的设计，这部分将采用先由变压器调压，然后滤波整流，再送到三端稳压器输出直流电压的常规方法设计电路，选择固定式三端稳压器为核心器件进行设计。0 12￥可调0(作00采用串联反馈式稳压电路设计方案。母板从左到右、从上到下布置有电源接口 7、小功率扬声器及驱动电路8、大功率器件接口 9、七段数码显示10、五十针接插件4、电路电压比较及蜂鸣器5、反相门驱动的 LED、多频率可调时钟信号源、继电器11、电位器12、八路逻辑开关量输出电路1和四路脉冲电路，母板中间设置通气孔6，通气孔6的上下各分布有一排排针21。母板连接了其它所有模块，是结构上的核心。母板PCB上由多个功能区构成，也是各个实验子板的支撑平台，即子板是通过接插件联接到母板上的。母板功能是多个实验的通用要素，提取出来置于母板上，接口是通用的接插件，实验时，母板通过接插件与子板电路相连，提供输入输出接口。每个实验还有一块单独的电路板，通过接插件联接插到母板上。查错控制模块包括功能选择输入和功能实现(即继电器发生动作)两部分。其作用是使实验者发现实验结果与预期结果不符时及时找出问题，主要依靠继电器的断开与闭合实现电路通断。功能输入部分为用户提供一个功能选择面板，将用户选择的功能以相应的信号输出，有手动输入和计算机输入两种输入方式。功能实现部分的功能是依据输入的不同信号，相应的继电器发生动作，使实验电路断开或闭合。选择功能有O F共16个，除功能0外，每个功能对应一个继电器，即每选择一项功能时，就会有一个继电器动作。所以， 继电器数量设计为15个，使用一个4-16译码器即可满足要求。子板包括电子技术模块、电路芯片模块、运算放大器模块、直流/交流电路模块、三极管应用电路模块、晶闸管应用电路模块、单片机仿真电路模块。子板的设计是为了给用户留下更多自由发挥的空间，避免验证实验的束缚，所以上述各模块可以根据用户的需求单独设计或者由学生自行设计。虚拟示波器由数据采集卡和PC数据处理程序组成。利用微机标准的串并口进行数据采集、控制和通信，使用增强并口(EPP)进行数据采集，为了能测量超过A/D输入范围的信号，以及提高测量小信号的精度，由8051单片机控制实现自动切换量程的功能。软件部分包括8051程序和PC机上运行的显示波形的程序。单片机程序实现接收PC启动和设置采样率等命令、量程转换、启动A/D、响应A/D中断读取转换结果、写结果到PC机EPP 口等功能。PC机程序从EPP读取8051送出的测量结果数据，进行必要的处理后，以图形方式显示出来。8051使用一片8255A可编程并行I/O接口实现与PC并行口的接口电路。电源模块提供士5V、士 12V、0 12V电压，通过连线接到实验平台上。操作者根据实验目的在实验平台上搭建实验电路，做实验准备工作。操作者设计给定功能输入，查错控制模块决定继电器是否动作并将结果传递到母板。实验开始后，母板上的士5V、士 12V端口为子板供电，同时接收继电器动作信号，并向子板发送相应信号。实验完成后，模板上的显示模块或虚拟仪器将实验结果传递给操作者。这便完成一个功能过程，如果操作者需要继续实验，则重复以上动作。数据采集卡采用外置式，数据采集卡采集电压数据，然后与PC机通信，由PC机上的数据处理程序处理并显示波形。常用的A/D转换器输入电压一般不超过正负20伏的范围，双极性的输入电压更小一些。而平台上需要测量的电压参数会超过A/D允许的输入范围，故数据采集卡具有分压功能。当被测电压比较小时，A/D转换精度不够高，需对信号进行放大处理，就有必要添加可编程放大功能电路。再经过采样保持和A/D转换以后就可以将数据送至PC接口，这些过程都由8051单片机程序控制。PC机程序读取数据并处理显示。在八路逻辑开关量输出1中，直接拨动开关可以改变电路板的高低电平输出。当开关中间引脚和O伏接通时，逻辑输出为0(低)；当开关中间引脚与5V接通时，逻辑输出为1(高)。每个电平输出端接有负载电阻，其作用是限流。多频率可调时钟信号源2的目的是产生频率为60 600Hz和0. 5 5Hz两个范围的时钟信号，其范围由拨动开关实现， 这些时钟信号可用于时序电路。本实施例中采用了集成电路74HC14、+5V供电产生时钟脉冲。在反相门驱动的LED 3中，选择74LS04构建反相集成电路，在输出端设计一个发光二级管显示输出端电平高低，未输入信号时，发光二级管状态为熄灭。五十针接插件4的作用是连接母板和功能选择模块20，选择双排单列直插针式插头连接，在插头两端安装四个金属支撑，以保证受力。电路电压比较及蜂鸣器5为母版提供基准电压，当输入电压高于基准电压时，蜂鸣器报警。本实施例选择专用的电压比较芯片，在比较电路输出端接上拉电阻， 输出端接蜂鸣器。通气孔6的作用是辅助散热。电源接口 7为电路提供电源接口，只需从电源模块引出接线端子到母板上即可，包括+5V、-5V、+12V和-12V四种。小功率扬声器及驱动电路8由独立的功率放大器及扬声器组成，可以用导线将两者连接起来，功率放大器选用的是低电压音频功率放大器LM386。大功率器件接口 9采用UL拟80X系列芯片，八个发光二级管的作用是显示输出端电位的高低，在芯片输出端串联限流电阻可以防止电流过大烧坏二极管。七段数码显示10中选用芯片MC14495，采用共阴极接法。继电器11的为电路提供两个可控的继电器，其驱动电路中选择达林顿管，当输入为低电平时，达林顿管不导通，继电器不工作；当输入为高电平时，达林顿管导通，继电器工作。电位器12由三个简单的电位器组成，其作用是为实验电路提供可变的电阻或电位器，每个电位器都提供三个触头。排针21选用单排直插式，对称安装在母板中心位置。四路脉冲电路22的作用是产生输入信号脉冲，包括上升沿脉冲和下降沿脉冲，开关由按键式开关实现，选择施密特触发器 74HC14(1)芯片。当按下开关时，将同时产生上升和下降两种脉冲。箱体底座13用于支撑母板，通过螺栓连接将母板固定。控制面板14用于支撑和固定功能选择开关20、可调直流电源18、电源开关19。功能选择模块20通过螺栓固定在控制面板14上。功能选择模块20安装在控制面板14上，且必须和电源电路板以及功能输入电路板相连。另外，功能选择模块20的输出接到母板上，控制电路的开闭。通风槽15位于箱体的底部，其作用是散热。电源调理电路板16居左，环形变压器 17居右，二者之间通过导线连接。电源部分需要接地，用螺钉将电源调理电路板16和环形变压器17固定在箱体底座13上。环形变压器17和直流可调电源18之间用电源线连接。本实施例中，箱体、控制面板、均采用5mm钢板，各金属板板之间的连接方式为螺栓连接，箱体底座安装四个相同的橡胶垫圈，安装位置为距离底座各边缘线20mm。
权利要求
1.一种电工和电子技术综合实验平台，其特征在于包括电源模块、母板、查错控制模块、子板、数据采集卡和PC机；电源模块、查错控制模块、子板和数据采集卡与母板采用标准的接插件连接，数据采集卡与PC机通信；电源模块为系统提供士5V、士 12V、0 12V的电压，母板从左到右、从上到下布置有电源接口(7)、小功率扬声器及驱动电路(8)、大功率器件接口(9)、七段数码显示(10)、五十针接插件G)、电路电压比较及蜂鸣器(5)、反相门驱动的LED(3)、多频率可调时钟信号源O)、继电器(11)、电位器(12)、八路逻辑开关量输出电路⑴和四路脉冲电路(22)，母板中间设置通气孔(6)，通气孔(6)的上下对称分布排针 (21)；电源模块引出接线端子到母板上的电源接口(7)，母板上电源接口(7)的士5V、士 12V 端口为子板供电；查错控制模块包括功能选择输入和功能实现两部分；功能选择输入部分为用户提供功能选择面板，功能实现部分采用相应的继电器使实验电路断开或闭合；选择功能有0 F共十六个，除功能0外，每个功能对应一个继电器，继电器数量设计为十五个， 使用一个4-16译码器；数据采集卡和PC机组成虚拟示波器，利用标准串并口进行数据采集、控制和通信，由8051单片机实现自动切换量程功能；八路逻辑开关量输出电路(1)通过拨动开关改变电路板的高低电平输出；多频率可调时钟信号源( 产生时钟信号，反相门驱动的LED(3)构建反相集成电路，五十针接插件(4)用于连接母板和功能选择模块00)， 电路电压比较及蜂鸣器(5)为母版提供基准电压，当输入电压高于基准电压时，蜂鸣器报警；小功率扬声器及驱动电路(8)由独立的功率放大器及扬声器组成，两者用导线连接；七段数码显示(10)采用共阴极接法；四路脉冲电路0 产生输入信号脉冲，包括上升沿脉冲和下降沿脉冲；母板通过螺栓固定在箱体底座(1 上；可调直流电源(18)、电源开关(19) 和功能选择模块OO)通过螺栓固定在控制面板(14)上；功能选择模块OO)安装在控制面板(14)上，功能选择模块OO)的输出接到母板上；箱体底座(1 的底部有通风槽(15)，箱体底座(1 的内部分布电源调理电路板(16)、环形变压器(17)和直流可调电源(18)，电源调理电路板(16)居左，环形变压器(17)居右，二者之间通过导线连接；环形变压器(17) 与直流可调电源(18)之间用电源线连接。
2.根据权利要求1所述的电工和电子技术综合实验平台，其特征在于所述子板包括电子技术模块、电路芯片模块、运算放大器模块、直流/交流电路模块、三极管应用电路模块、晶闸管应用电路模块和单片机仿真电路模块。
3.根据权利要求1所述的电工和电子技术综合实验平台，其特征在于所述多频率可调时钟信号源( 采用集成电路74HC14。
4.根据权利要求1所述的电工和电子技术综合实验平台，其特征在于所述反相门驱动的LEDC3)采用集成电路74LS04。
5.根据权利要求1所述的电工和电子技术综合实验平台，其特征在于所述功率放大器是低电压音频功率放大器LM386。
6.根据权利要求1所述的电工和电子技术综合实验平台，其特征在于所述大功率器件接口(9)采用UL拟80 X系列芯片。
7.根据权利要求1所述的电工和电子技术综合实验平台，其特征在于所述七段数码显示(10)采用芯片MC14495。
8.根据权利要求1所述的电工和电子技术综合实验平台，其特征在于所述四路脉冲电路02)采用施密特触发器74HC14(1)芯片。
全文摘要
本发明公开了一种电工和电子技术综合实验平台，用于解决现有的电工技术实验设备或电子技术实验设备功能单一的技术问题。技术方案是将电源模块、母板、查错功能模块、子板和虚拟示波器集成于一同平台，将要完成的电工电子技术每个实验内容设计成单独的子板，将要完成的各实验子板分别直接插接在平台的母板上，通过选择开关与实验所需电源接通进行实验，实验结果经数据采集处理单元、虚拟仪器单元与外接计算机联接，直接获得了实验结果数据或波形；该综合实验平台不仅提供了完成电工技术和电子技术各种基础性、自主设计性和综合创新性实验内容，而且为学生、教师和工程技术人员提供了二次开发、科技创新的科学仪器实验平台。
文档编号G09B23/18GK102542888SQ20121001772
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者刘江, 史仪凯, 唐炜, 王文东, 袁小庆 申请人:西北工业大学