专利名称：自动控制原理实验模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种教学实验产品，尤其涉及一种自动控制原理实验模块。
背景技术：
目前，教学所用的自动控制原理实验系统包括以下实验内容典型环节的时域响 应、典型系统的时域响应和稳定性分析、线性系统的根轨迹分析、线性系统的频率响应分 析、线性系统的校正、离散系统的稳定性分析、线性系统的状态空间分析、典型非线性环节 静态特性测试、直流电机的速度控制实验以及热电偶温度控制实验。传统的自动控制原理 实验系统大多是利用面包板搭建实验所需的电路，电路搭建完成后通过手动调节示波器上 的参数值进行波形显示，在面包板上搭建电路需要准备好电路所需的电线、元器件等，再将 准备好的元器件和电线逐一插入面包板中，且需要手动调节示波器，占用时间较多，并且由 于课堂时间的局限性，很多学生都不能按时完成实验。
实用新型内容鉴于现有技术中存在的上述问题，本实用新型的主要目的在于解决现有技术的缺 陷，提供一种节省课堂时间的自动控制原理实验模块。一种自动控制原理实验模块，其特征在于，所述自动控制原理实验模块包括一基 于典型非线性环节静态特性测试实验内容的模拟电路、一电源开关、一为所述模拟电路提 供可变电压的电源输出端、一调节所述电源输出端电压的电压调节旋钮、一将所述模拟电 路的测量信号输出至一实验平台的信号输出端、一将所述模拟电路的测量信号转接至所述 信号输出端的信号输入端及一连接所述实验平台的外围设备连接插槽，所述模拟电路集成 在所述教学实验面板中。根据本实用新型的技术构思，所述自动控制原理实验模块的上表面绘制有所述模 拟电路的电路原理图。根据本实用新型的技术构思，所述自动控制原理实验模块的上表面蚀刻有所述模 拟电路的电路原理图。根据本实用新型的技术构思，所述自动控制原理实验模块的上表面粘贴有所述模 拟电路的电路原理图。根据本实用新型的技术构思，所述自动控制原理实验模块的还包括一信号发生器 输出端。根据本实用新型的技术构思，所述自动控制原理实验模块中还集成有多个单独元 器件，各所述单独元器件两端连接有接线柱，所述单独元器件中的一个或多个通过对应的 接线柱连接至在所述模拟电路中。根据本实用新型的技术构思，所述模拟电路包括一接收可变电压的电压输入端、 一输出所述模拟电路的测量信号的测量信号输出端、第一、第二运算放大器、第一至第六电 阻、第七电阻或第一电容、第八电阻或第二电容、第一至第四稳压二极管及一反相器，所述
3电压输入端、测量信号输出端分别连接一接线柱，所述第一电阻的一端连接所述电压输入 端及一接线柱，另一端连接所述第一运算放大器的反相输入端，所述第二电阻连接在所述 第一运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述第三至第六电阻依次串联连接在一+15V 电源和一-15V电源之间，所述第一稳压二极管的负极连接所述第三、第四电阻的连接节 点，正极连接所述第二稳压二极管的负极，所述第二稳压二极管的正极连接所述第五、第六 电阻的连接节点，所述第四、第五电阻的连接节点连接一接线柱，所述第一、第二稳压二极 管的连接节点连接一接线柱，所述第三、第四稳压二极管的负极相连，所述第三稳压二极管 的正极连接所述第二运算放大器的反相输入端，所述第四稳压二极管的正极连接所述第二 运算放大器的输出端，所述第三、第四稳压二极管的正、负极各连接一接线柱，所述反相器 的输入端连接所述第二运算放大器的输出端，所述反相器的输出端作为所述测量信号输出 端，所述第一、第二运算放大器的正相输入端均接地，所述第二运算放大器的反相输入端和 输出端还连接所述第七电阻或第一电容，所述第二运算放大器的反相输入端还连接所述第 八电阻或第二电容的一端，所述第七电阻或第一电容以及第八电阻或第二电容的两端各连 接一接线柱，所述第三、第四稳压二极管、第七电阻或第一电容以及第八电阻或第二电容为 所述单独元器件中的元件。根据本实用新型的技术构思，所述模拟电路还包括一采集所述模拟电路的输入信 号至所述实验平台的通道输出端以及一将所述模拟电路的输入信号转接至所述通道输出 端的通道输入端。本实用新型的有益效果为本实用新型预先将典型非线性环节静态特性测试实验 内容的电路集成在自动控制原理实验模块中，并代替传统的面包板连接实验平台，可即插 即用，实验者无需花费太多的时间在元器件的准备和实验电路的搭建上，因此可充分利用 课堂时间完成实验并理解实验内容。
图1为本实用新型自动控制原理实验模块连接于一实验平台的模块图。图2为图1中的一自动控制原理实验模块安装在所述实验平台的一底座上的结构 图。图3为图2中的自动控制原理实验模块安装在所述底座上的俯视图。图4为图1中的自动控制原理实验模块具有一电路原理图的示意图。图5、图7、图9、图11分别为继电特性、饱和特性、死区特性以及间隙特性的模拟电路。图6、图8、图10、图12分别为继电特性曲线、饱和特性曲线、死区特性曲线以及间 隙特性曲线。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明。请参考图1，本实用新型自动控制原理实验模块1用于连接一 NI ELVIS实验平台 2，所述自动控制原理实验模块1中集成有一预定实验内容的模拟电路，所述OT ELVIS实验 平台2采集所述模拟电路的信号，并将采集到的信号传送给一计算机3进行显示。所述计算机3包括一信号采集单元31、一参数调节单元32及一信号模拟单元33。本实施方式中， 所述模拟电路是基于典型非线性环节静态特性测试的实验内容设计的。请继续参考图2及图3，所述自动控制原理实验模块1可拆卸地安装在所述NI ELVIS实验平台2的一底座20上，具体操作时，可将传统的实验面包板从所述NI ELVIS实 验平台2的底座20上取下来，再将所述自动控制原理实验模块1固定在所述底座上20上， 所述自动控制原理实验模块1的较佳实施方式包括多个接线柱12、一电源开关13、一电压 调节旋钮14、一电源输出端15、一信号输入端16、一信号输出端17、一信号发生器输出端18 以及一PCI (Peripheral Component Interconnect，外围设备连接)插槽19图，当所述自动 控制原理实验模块1固定在所述底座20上时，其PCI插槽19便与所述底座20上的金手指 接触，所述电源输出端15用于为所述模拟电路提供可变电压，所述电压调节旋钮14用于调 节所述电源输出端15输出的电压值，所述信号输出端17连接所述OT ELVIS实验平台2，用 于采集所述自动控制原理实验模块1的输出信号，即所述模拟电路的测量信号，所述信号 输入端16用于将所述模拟电路的测量信号转接至所述信号输出端17。所述计算机3的信号采集单元31与一设于所述底座20上的所述NIELVIS实验平 台2的信号输出端相连，用于接收所述自动控制原理实验模块1的输入、输出信号，所述信 号采集单元31为USB接口或IEEE 1394接口。所述参数调节单元32通过一信号模拟操作界面设置信号采集参数，例如，使能通 道、触发方式、采样率等，本实施方式中，可通过计算机键盘、鼠标等输入设备在所述信号模 拟操作界面中设置所述信号采集参数。所述信号模拟单元33通过内设的软件对所述信号采集单元31所接收的自动控制 原理实验模块1的输入、输出信号进行模拟仿真，以产生所述模拟电路的波形响应曲线，并 将产生的波形响应曲线显示在所述计算机3的屏幕上，供实验者观察、记录。请继续参考图4，所述自动控制原理实验模块1还包括一绘制、粘帖或蚀刻在其 上表面的一电路原理图11、所述电路原理图11为所述模拟电路的原理图，所述模拟电路 是“典型非线性环节静态特性测试”的实验电路。所述自动控制原理实验模块1中还集成 有多个可选择性地连接至所述模拟电路的单独元器件，如图4中的阻值为10KQ、100KQ、 200KQ的电阻、容值为IP F、2. 2yF的电容以及端电压为5. IV的稳压二极管，各所述单独 元器件的两端均连接有接线柱12。所述模拟电路包括一接收可变电压的电压输入端r(t)、一输出所述模拟电路的测 量信号的测量信号输出端Uo、两运算放大器U1、U2、电阻R1-R6、电阻R0或电容Ci、电阻Rf 或电容Cf、稳压二极管D1-D4、及一反相器I，所述电压输入端r (t)、测量信号输出端Uo分 别连接一接线柱12，所述电阻R1的一端连接所述电压输入端r(t)及一接线柱12，另一端 连接所述运算放大器U1的反相输入端，所述电阻R2连接在所述运算放大器U1的反相输入 端和输出端之间，所述电阻R3-R6依次串联连接在一+15V电源和一-15V电源之间，所述 稳压二极管D1的负极连接所述电阻R3、R4的连接节点，正极连接所述稳压二极管D2的负 极，所述稳压二极管D2的正极连接所述电阻R5、R6的连接节点，所述电阻R4、R5的连接节 点连接一接线柱12，所述稳压二极管Dl、D2的连接节点连接一接线柱12，所述稳压二极管 D3、D4的负极相连，所述稳压二极管D3的正极连接所述运算放大器U2的反相输入端，所述 稳压二极管D4的正极连接所述运算放大器U2的输出端，所述稳压二极管D3、D4的正、负极各连接一接线柱12，所述反相器I的输入端连接所述运算放大器U2的输出端，所述反相器 I的输出端作为所述测量信号输出端，所述运算放大器U1、U2的正相输入端均接地，所述运 算放大器U2的反相输入端和输出端还连接所述电阻Rf或电容Cf，所述运算放大器U2的 反相输入端还连接所述电阻R0或电容Ci的一端，所述电阻Rf或电容Cf以及电阻R0或电 容Cf的两端各具有一接线柱12，可在所述单独元器件中选择对应的元器件分别作为所述 稳压二极管D3、D4、电阻Rf或电容Cf以及电阻R0或电容Cf。所述模拟电路还包括一通道输入端CH_0IN和一通道输出端CH0_0UT，所述通道输 入端CH0_IN和通道输出端CH0_0UT分别连接一接线柱12。所述通道输入端CH0_IN用于在 实验时采集所述模拟电路的信号输入端(即运算放大器U1输出端或所述电阻R4、R5之间 的连接节点)的信号，所述通道输出端CH0_0UT与所述NI ELVIS实验平台2相连，用以将 通道输入端CH0_IN获取的信号传送至所述计算机3。请继续参考图5及图6，当测试继电特性时，在所述单独元器件中选择阻值为 10KQ的电阻作为所述电阻R0，选择端电压为5. IV的两个稳压二极管分别作为所述稳压二 极管D3和D4，且所述电阻R0连接在所述运算放大器U1的输出端和运算放大器U2的反相 输入端之间，构成如图5所示的继电特性模拟电路。将所述电压输入端r(t)与所述自动控 制原理实验模块1的电源输出端15相连，图5中，运算放大器U1输出端作为所述模拟电路 的信号输入端Ui，其与所述通道输入端CH0_IN相连，所述测量信号输出端Uo与所述自动控 制原理实验模块1的信号输入端16相连，在所述信号模拟操作界面设置波形显示格式、显 示时间、使能通道、触发方式、采样周期、运行方式等信号采集参数后便可运行对所述自动 控制原理实验模块1的输入、输出信号(即所述信号输入端Ui和测量信号输出端Uo的信 号)的仿真，通过所述电压调节旋钮14调节所述电源输出端15输出的电压，此时，所述计 算机3显示的继电特性曲线如图6所示。请继续参考图7及图8，当测试饱和特性时，在所述单独元器件中选择阻值为 10KQ的电阻作为所述电阻R0，选择阻值为200KQ的电阻作为所述电阻Rf，选择端电压为 5. IV的两个稳压二极管分别作为所述稳压二极管D3和D4，且所述电阻R0连接在所述运算 放大器U1的输出端和运算放大器U2的反相输入端之间，所述电阻Rf连接在所述运算放大 器U2的反相输入端和输出端之间，构成如图7所示的饱和特性模拟电路。图7中，运算放 大器U1输出端作为所述模拟电路的信号输入端Ui，将所述电压输入端r(t)与所述自动控 制原理实验模块1的电源输出端15相连，所述运算放大器U1的输出端与所述通道输入端 CH0_IN相连，所述测量信号输出端Uo与所述自动控制原理实验模块1的信号输入端16相 连，在所述信号模拟操作界面设置信号采集参数后便可运行对所述米欧电路输入、输出信 号的仿真，通过所述电压调节旋钮14调节所述电源输出端15输出的电压，此时，所述计算 机3显示的饱和特性曲线如图8所示。请继续参考图9及图10，当测试死区特性时，在所述单独元器件中选择阻值为 100KQ的电阻作为所述电阻R0，选择阻值为200KQ的电阻作为所述电阻Rf，所述运算放大 器U1的输出端与所述电阻R4、R5的连接节点相连，且所述电压输出端Ui与所述电阻R4、 R5的连接节点相连，所述电阻R0连接在所述稳压二极管Dl、D2的连接节点和运算放大器 U2的反相输入端之间，所述电阻Rf连接在所述运算放大器U2的反相输入端和输出端之间， 构成如图9所示的死区特性模拟电路。图9中，所述电阻R4、R5的连接节点作为所述模拟
6电路的信号输入端Ui，将所述电压输入端r (t)与所述自动控制原理实验模块1的电源输出 端15相连，所述电阻R1、R2的连接节点与所述通道输入端CH0_IN相连，所述测量信号输出 端Uo与所述自动控制原理实验模块1的信号输入端16相连，在所述信号模拟操作界面设 置信号采集参数后便可运行对所述信号输入端Ui和测量信号输出端Uo的信号的仿真，通 过所述电压调节旋钮14调节所述电源输出端15输出的电压，此时，所述计算机3显示的死 区特性曲线如图10所示。请继续参考图11及图12，当测试间隙特性时，在所述单独元器件中选择容值为 1 y F和1 y F的两个电容分别作为所述电容Ci和Cf，所述运算放大器U1的输出端与所述 电阻R4、R5的连接节点相连，且所述电压输出端Ui与所述电阻R4、R5的连接节点相连，所 述电容Ci连接在所述稳压二极管Dl、D2的连接节点和运算放大器U2的反相输入端之间， 所述电容Cf连接在所述运算放大器U2的反相输入端和输出端之间，构成如图11所示的间 隙特性模拟电路。图11中，所述电阻R4、R5的连接节点作为所述模拟电路的信号输入端 Ui，将所述电压输入端r(t)与所述自动控制原理实验模块1的电源输出端15相连，所述电 阻R4、R5的连接节点与所述通道输入端CH0_IN相连，所述测量信号输出端Uo与所述自动 控制原理实验模块1的信号输入端16相连，在所述信号模拟操作界面设置信号采集参数后 便可运行对所述信号输入端Ui和测量信号输出端Uo的信号的仿真，通过所述电压调节旋 钮14调节所述电源输出端15输出的电压，此时，所述计算机3显示的间隙特性曲线如图12 所示。本实用新型预先将教学材料中的实验电路集成在自动控制原理实验模块中，并代 替传统的面包板连接NI ELVIS实验平台，可即插即用，实验者无需花费太多的时间在元器 件的准备和实验电路的搭建上，可在计算机上快速、准确地设置信号采集参数，并且直接通 过所述计算机显示波形，实验者可充分利用课堂时间完成实验并理解实验内容。
权利要求一种自动控制原理实验模块，其特征在于，所述自动控制原理实验模块包括一基于典型非线性环节静态特性测试实验内容的模拟电路、一电源开关、一为所述模拟电路提供可变电压的电源输出端、一调节所述电源输出端电压的电压调节旋钮、一将所述模拟电路的测量信号输出至一实验平台的信号输出端、一将所述模拟电路的测量信号转接至所述信号输出端的信号输入端及一连接所述实验平台的外围设备连接插槽，所述模拟电路集成在所述自动控制原理实验模块中。
2.如权利要求1所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述自动控制原理实验 模块的上表面绘制有所述模拟电路的电路原理图。
3.如权利要求1所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述自动控制原理实验 模块的上表面蚀刻有所述模拟电路的电路原理图。
4.如权利要求1所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述自动控制原理实验 模块的上表面粘贴有所述模拟电路的电路原理图。
5.如权利要求1所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述自动控制原理实验 模块的还包括一信号发生器输出端。
6.如权利要求1所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述自动控制原理实验 模块中还集成有多个单独元器件，各所述单独元器件两端连接有接线柱，所述单独元器件 中的一个或多个通过对应的接线柱连接至在所述模拟电路中。
7.如权利要求6所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述模拟电路包括一接 收可变电压的电压输入端、一输出所述模拟电路的测量信号的测量信号输出端、第一、第二 运算放大器、第一至第六电阻、第七电阻或第一电容、第八电阻或第二电容、第一至第四稳 压二极管及一反相器，所述电压输入端、测量信号输出端分别连接一接线柱，所述第一电阻 的一端连接所述电压输入端及一接线柱，另一端连接所述第一运算放大器的反相输入端， 所述第二电阻连接在所述第一运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述第三至第六电 阻依次串联连接在一 +15V电源和一 -15V电源之间，所述第一稳压二极管的负极连接所述 第三、第四电阻的连接节点，正极连接所述第二稳压二极管的负极，所述第二稳压二极管的 正极连接所述第五、第六电阻的连接节点，所述第四、第五电阻的连接节点连接一接线柱， 所述第一、第二稳压二极管的连接节点连接一接线柱，所述第三、第四稳压二极管的负极相 连，所述第三稳压二极管的正极连接所述第二运算放大器的反相输入端，所述第四稳压二 极管的正极连接所述第二运算放大器的输出端，所述第三、第四稳压二极管的正、负极各连 接一接线柱，所述反相器的输入端连接所述第二运算放大器的输出端，所述反相器的输出 端作为所述测量信号输出端，所述第一、第二运算放大器的正相输入端均接地，所述第二运 算放大器的反相输入端和输出端还连接所述第七电阻或第一电容，所述第二运算放大器的 反相输入端还连接所述第八电阻或第二电容的一端，所述第七电阻或第一电容以及第八电 阻或第二电容的两端各连接一接线柱，所述第三、第四稳压二极管、第七电阻或第一电容以 及第八电阻或第二电容为所述单独元器件中的元件。
8.如权利要求1所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述模拟电路还包括一 采集所述模拟电路的输入信号至所述实验平台的通道输出端以及一将所述模拟电路的输 入信号转接至所述通道输出端的通道输入端。
专利摘要一种自动控制原理实验模块，包括一基于典型非线性环节静态特性测试实验内容的模拟电路、一电源开关、一为所述模拟电路提供可变电压的电源输出端、一调节所述电源输出端电压的电压调节旋钮、一将所述模拟电路的测量信号输出至一实验平台的信号输出端、一将所述模拟电路的测量信号转接至所述信号输出端的信号输入端及一连接所述实验平台的外围设备连接插槽，所述模拟电路集成在所述自动控制原理实验模块中。所述自动控制原理实验模块无需实验者花费太多的时间在元器件的准备和实验电路的搭建上，节省了教学实验时间。
文档编号G05B17/02GK201725181SQ201020293340
公开日2011年1月26日 申请日期2010年8月16日 优先权日2010年8月16日
发明者吴学冲, 王雪峰, 秦莉娜, 高智俊 申请人:北京中科泛华测控技术有限公司