专利名称：计算机多用实验接口仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种测量和控制的仪器。
目前和计算机配合使用的教学实验系统通常采用如图1的配置和连接方法，见《微机在实验物理学中的应用》一书，何乃文、姚钢、李灿国编著，高等教育出版社出版，1992年6月。这样方案其不足之处是1、由于程序需由磁盘驱动器调入，而驱动器对使用环境要求较高，且易出故障，可靠性不好，故在教学和生产现场使用不便；2、通用性不强，一般仅能处理单一的实验内容，对于不同的实验或测量控制对象，需改用不同的接口卡及相应的信号处理系统，不熟悉计算机的教学人去无法利用该系统进行其它的实验内容；功能受计算机扩充槽口数的限制，特别象中华学习机，只有一个插槽，无法同时使用多块接口卡，此外，计算机电源功率有限，若插入的接口卡功耗大，整个计算机系统工作不稳定，甚至受损。
随着当代新技术的不断进步，各种高性能的计算机不断问世，原来曾经广泛使用的AppleⅡ微机及其兼容机已逐渐被性能更好的机种所取代，虽然AppleⅡ不能适应大型的文字处理、科学计算，但是用于实时数据采集处理、测量控制方面还是可用的。本实用新型的目的是充分利用现有的AppleⅡ及其兼容机，给其配上本实用新型，在相应的软件支持下，使之成为一种多功能的实验仪器。
本实用新型其电路由数据、地址、控制总线缓冲电路和地址译码电路(1)，程序存储器电路(2)，A／D转换电路(3)，多路输入转换和程序控制放大电路(4)，D／A转换电路(5)，通用接口适配器(VIA)电路(6)，交流放大、绝对值放大和功率放大电路(7)，直流差值放大电路(8)，时基电路(9)，V／F转换器电路(10)，继电器驱动电路(11)和电源电路(12)组成，见图2。其中电路(1)－(6)装配在一块印刷电路板上；电路(7)－(12)装在另一块印刷电路板板上。下面结合图3－图13对各部分电路说明如下数据、地址、控制总线缓冲电路和地址译码电路(1)见图3，由元器件(101)－(118)组成。它是用来完成本实用新型对计算机系统的隔离及给出A／D、D／A、VIA、程序存储器电路的选通、启动等信号。由计算机槽口中引出的16根地址线A0－A15经(102)、(106)、(110)缓冲，A0－A7作为本实用新型地址总线低8位，A4－A15加到3线－8线译码器(104)、(108)、(112)上，完成译码的功能。当地址高位A15－A8中值为C5时，译码器(112)的Y1变低，并使译码器(108)的Y5也为低电平，译出C5XX，数据缓冲器(114)选通，当A15－A8中值为C4时，译码器(108)的Y4为低电平，译出C4XX，数据缓冲器(114)也被选通，同时在A0－A4的作用下，译出C40X－C45X，去控制A／D、D／A、 VIA、程序存储器等的工作。由于AppleⅡ计算机寻址范围为OOOO－FFFF，而本实用新型只占了C4XX和C5XX，故数据缓冲器114允许端G通过与非门(115)、(116)与C4XX和C5XX相连。这样仅当地址线高位为C4或C5时，数据缓冲器(114)才选通，本实用新型能和主机的CPU进行数据传递。上述缓冲译码电路，使主机能够驱动较大的负载，并且使外部设备的工作状态可以脱离总线槽口上的DEV、I／OSELECT等信号线而由译码器输出来决定，从而能控制多个外部器件，使本实用新型具有较多的功能和较大的灵活性。
程序存储器电路(2)见图4，它由(201)－(213)组成。用来存放应用软件和数据，使整个系统可以脱离磁盘驱动器而工作，并可以固化一些专用软件，以补偿主机监控系统的不足，使整个计算机系统功能增强。随机程序存储器有掉电保护，断电后利用机内电池可长期保存RAM中信息。存储器(204)、(213)的低8位地址线接A0－A7，高8位地址线不接A14－A8，而接在八D触发器(202)的Q端，即地址高位由数据线D0－D6经触发器(202)锁存而得。存储器(204)、(213)选通与否由八D触发器(202)锁存后的D7送译码器(206)译码而定。在这里本实用新型采用了地址重叠的方法，即两块程序存储器(204)、(213)共64K字节，重叠于主机空间C500－C5FF这一区域，这样对计算机总线而言，外部仅占用了它的256字节，而对程序存储器(204)、(213)本身，64K容量全部利用，足以存放相对较大的程序及数据。静态RAM(213)的掉电保护电路由(207)——(212)组成。外接电池电压范围2.5－4.5V，因静态RAM维持状态下功耗很小，外接电池可以使用很长时间。
A／D转换电路(3)见图5，由(301)－(315)组成。它用来完成外部模拟量至数字量的变换，使外界来的信号能由计算机处理。转换速度为100μs，分辨率为八位二进制，对应于模拟量0－5V转换成数字量OO－FF。A／D转换器(304)的参考电压由稳压二极管(306)经跟随器(307)缓冲后提供。当CS与WR线同时为低时启动A／D转换器。A／D转换结束后，访问C41X，使CS与RD同时为低，可从数据总线上读出一次A／D转换后的结果。
多路输入转换和程序控制放大电路(4)见图6，由(401)－(440)组成。它的功能是将外部的多路(最多8路)模拟量信号通过8通道模拟开关分时送入A／D转换器，并可根据需要由程序来控制放大器的放大量，以便使输入的小信号也能得到较高精度的转换结果。八D触发器(440)锁存数据总线上的信号，得到转换的输入通道号和放大量程，经同相缓冲器(438)缓冲后分别送入8通道模拟开关(418)和(423)的地址输入端，使相应的通道接入。8通道模拟开关(418)对输入模拟量进行切换。输入端加了二极管(401)－(416)进行箝位，保护8通道模拟开关。8通道模拟开关(423)与运算放大器(419)的反馈回路相连，它可以切换通道改变反馈电阻值，使放大器的放大倍率8级可变。
D／A转换电路(5)见图7，由501－506组成。它用来完成数字量——模拟量的转换。D／A转换器(502)、(505)的参考电压由图5中的运放器(313)提供，为－5V。D／A转换器(502)、(505)精度为八位二进制，转换速度1μs，对应于数字量OO－FF其输出模拟值为0－5V。二只D／A转换器(502)和(505)的启动由C40X和A0线决定。当C40X为低且A0＝1时，选中(502)，从中得到输出电压；当C40X为低且A0＝1时，选中(505)，输出电压。被选中的D／A转换器的输出一直被锁存，直到该D／A 转换器再次被访问为止。
通用接口适配器电路(6)见图8，由(601)－(611)组成。它用来完成数字量输入输出(I／O)、定时／计数、中断等功能。主机中φ1相时钟信号经(603)、(604)、 (605)及外围元件组成的移相电路移相后送入(602)、(611)的CLK端，作为它的时钟信号。通用接口适配器(602)、(611)的数据线、地址线、控制线、选通线等与图3的相应线直接相连，初始化后，I／O口就可按被认定的状态工作。
交流放大、绝对值放大和功率放大电路(7)见图9，由(701)－(728)组成。它是一功能电路，独立于计算机系统，用于信号处理，功率输出等，以适应各种不同的物理信号。(709)为交流小信号放大器，(714)、(719)及外围元件构成绝对值放大电路，(722)为跟随器，(726)为音频功率放大器，可以推动换能器、扬声器等。
直流差值放大电路(8)见图10，它由(801)－ (814)组成。它产生V06用来处理不是以零电平起始的信号，如不平衡电桥、温度／电压信号等，以增大动态范围，提高测量精度。参考电压VR由(803)确定，可任意调节。该放大电路中用了二个跟随器(801)和(811)，(801)提高放大器的输入阻抗，并以低阻输出，使差值放大器(807)工作正常。(811)主要目的是使放大器的低阻形式输出。(813)、(814)作箝位用，使输出电压限制在－0.7V－＋5.7V间，以保护后级器件。
时基电路(9)见图11，由901－905组成。它是一由CMOS分频器构成的时基电路。晶振频率经(905)分频后，在Q4、Q7、Q9、Q14得到2048、256、64、2Hz的方波，作测量标准之用。
V／F转换器电路10见图12。由集成电路1006及外围元件构成，它可作为A／D转换器的补充。A／D转换器(304)速度快，但分辨率不高。当需要进行高精度测量且对速度要求不高时可使用V／F转换器。在1N10端送入电压信号，在VF0端可得到脉冲输出。用VIA的计数器对(1006)的输出信号记数，可得到V／F转换结果。该V／F转换器满量程频率范围为0－10KHz，分辨率优于12位二进制的A／D转换器，且有较强的抗50Hz工频干扰能力和良好的精度——温度特性。
继电器驱动电路(11)见图13，是一简单的放大器。将1N11接至VIA的PA口或PB口，就可用程序来控制继电器的开合。根据被驱动负载的大小，亦可在继电器后面加一级接触器。
电源电路(12)，它由变压器、整流器、三端稳压器等组成。它对整个仪器供电，并对外提供±5V，±12V稳压电源。
本实用新型的特征是将程序存储器电路(2)，A／D转换电路(3)，D／A转换电路(5)，通用接口适配器(6)集中装配在一起，独立控制，与计算机的连接线只需从任一计算机槽口引出即可，不受槽口号及控制信号线限制，这一功能由数据、地址、控制总线缓冲电路和地址译码电路(1)中的(104)、(108)、(112)及φ1线完成，3线－8线译码器(112)、(108)产生C4XX，C5XX信号，而C4XX再与(104)配合产生C40X－C47X选通信号，从而实现了分时对多个接口电路控制的功能。
本实用新型的另一特征是在程序存储器电路(2)中采用了二块大规模存储集成电路(204)和(213)，为了使二块集成电路能够分时读写，采用了数据线D7配合选通信号线C5XX通过译码器进行译码，即译码器(206)的片选信号由C5XX产生，而地址信号由D7产生，当C5XX有效时，译码器(206)工作，其输出状态由D7决定，只要在存储工作前增加一条指令，使D7为0或1，就可指定程序存储器(204)或(213)工作。
本实用新型还设置了一些通用电路(7)－(11)，使得在大部分场合下，使用者不必再制作前置线路，只要在面板上的接插件上进行适当的连接和调整，即可对外部电平进行预处理，转换成合适的信号由计算机处理。
本实用新型的优点1、采用了微机专用的各种接口器件，与计算机连接后，使该系统具有很强的功能和多方面的适用性，如(1)与常规仪器相连可通过计算机控制实验仪器工作，采集数据、计算结果，构成智能化的实验系统，特别适合常规仪器所不能完成的工作，如大量数据采集、高速测量、弱信号提取等。
(2)可作为多功能的实验室仪器，如构成数字电压表、记忆示波器、频率计、激光功率计、信号发生器等。
(3)可直接控制电机、电磁铁、记录仪等执行机构。
(4)可进行演示实验和模拟实验，处理实验数据等。
2、使用方便在AppleⅡ及其兼容机或中华学习机的支持下，只要加上相应的传感器，就可测量力、热、声、光、电等物理信号，使用人员只要将本实用新型内部功能电路按需要连接，再调用或自己编写相应程序即可。
3、可靠性强采用了大容量的EPROM和带掉电保护的ROM作为存储器，而不用磁盘驱动器，降低了系统对环境的要求，工作可靠性大大提高；由于本实用新型仅通过一个插件与计算机槽口相接，使故障率下降。
4、各种功能的接口器件集成在一起，使得一部分电路可以公用或者合用，与独立的各个接口卡相比，成本要低得多。
图1是目前通常所采用的教学实验系统的配置与连接。它是采用磁盘驱动器作为程序存储器和采用多个接口卡来测量或控制不同对象。
图2是本实用新型的总框图。
图3是数据、地址、控制总线缓冲电路和地址译码电路图。
图4是程序存储器电路图。
图5是A／D转换电路图。
图6是多路输入转换器和程序控制放大电路图。
图7是D／A转换电路图。
图8是通用接口适配器电路图。
图9是交流放大、绝对值放大和功率放大电路图。
图10是直流差值放大电路图。
图11是时基电路图。
图12是V／F转换器电路图。
图13是继电器驱动电路图。
实施例本实用新型的原理图见图2－图13。其中主要集成电路的型号已注明在图中。图中有()者与计算机槽口座接。
本实用新型的外形尺寸为30cm×22cm×10cm(长×宽×高)，外壳由铝板制作，表面涂塑。面板上装有一只50芯插座(供主板输出入用)，一只37芯插座(供功能电路用)，4只接线柱(直流稳压电源输出)，2只电位器，6只开关及1只电源指示发光管。面板背面装有3只接线柱(继电器输出端)，1只保险座，1根电源线及1根50线扁平电缆，电缆另一端为一块总线插入板。
机箱内部由电源、主板、功能电路板三部分构成。主板及功能电路板用双面金属化孔印刷板。主板与功能板之间内部无连接，电源与二块板都采用一只四芯电源插座相连。
此外，变压器的静电隔离层机壳都接地，以取得良好的抗干扰性能及安全性。
权利要求1.一种与AppleⅡ及兼容计算机连接的多用实验接口仪，其电路由数据、地址、控制总线缓冲电路和地址译码电路(1)，程序存储器电路(2)，A/D转换电路(3)，多路输入转换和程序控制放大电路(4)，D/A转换电路(5)，通用接口适配器电路(6)，交流放大、绝对值放大和功率放大电路(7)，直流差值放大电路(8)，时基电路(9)，V/F转换器电路(10)，继电器驱动电路(11)和电源电路(12)组成，其特征是将程序存储器电路(2)，A/D转换电路(3)，D/A转换电路(5)，通用接口适配器(6)，集中装配在一起，独立控制，与计算机的连接线只需从任一计算机槽口引出即可，不受槽口号及控制信号线的限制，这一功能由数据、地址、控制总线缓冲电路和地址译码电路(1)中的(104)、(108)、(112)及Φ1线完成，3线-8线译码器(112)、(108)产生C4XX、C5XX信号，而C4XX再与(104)配合产C4OX－C47X生选通信号，从而实现了分时对多个接口电路控制的功能。
2.根据权利要求1所述的计算机多用实验接口仪，其特征是所说的程序存储器电路(2)中采用了二块大规模存储集成电路(204)和(213)，为了使二块集成电路能够分时读写，采用了数据线D7配合选通信号线C5XX通过译码器进行译码，即译码器(206)的片选信号由C5XX产生，而地址信号由D7产生，当C5XX有效时，译码器(206)工作其输出状态由D7决定，只要在存储工作前增加一条指令，使D7为0或1，就可指定程序存储器(204)或(213)工作。
专利摘要一种与AppleII及兼容计算机连接的多用实验接口仪，它由常用的计算机接口电路及缓冲、译码电路、若干通用功能电路和电源电路组成。计算机的数据总线、地址总线和控制总线由槽口中引至本仪器中，计算机就能执行固化在本接口仪中的程序而工作，成为一种多功能、多用途的实验仪器。这种仪器可用于实验室或工业生产现场。
文档编号G06F3/00GK2142584SQ9223390
公开日1993年9月22日 申请日期1992年9月17日 优先权日1992年9月17日
发明者王起文 申请人:杭州师范学院