使用虚拟实验室进行实验教学优化方案

Pocket Lab虚拟实验室可以实现示波器、逻辑分析仪、波特图、直流电压表等多种功能。功能的选择可在主面板Function功能中选定。在这一节中我们将重点介绍这几种功能的操作说明，同时在介绍每个功能时都会通过一个实验案例来具体说明Pocket Lab硬件与软件之间的联系。

1）信号发生器

信号发生器可以使Pocket Lab输出用户设定的信号。可以产生波形可设置（正弦波、方波、三角波），频率、幅度、直流偏置可调的独立通道信号；也可以产生直流偏置相等、互为差分信号（幅度相同，相位差180°）的双通道信号。

在使用时需要注意以下两点：

①信号发生器的CH1、CH2通道分别对应S1、S2通道（S1、S2通道见图2-13），这两通道为Pocket Lab的输出信号通道；

②该功能在信号发生器功能下有效，当虚拟实验室工作在其他方式下时，自动被关闭。

操作说明

①打开信号发生器界面，如图2-19所示，根据所需信号在Mode中选择两通道独立设置或双通道差分输入。

选择双通道差分输入，在CH1、CH2处产生直流偏置相等、互为差分信号（幅度相同，相位差180°）的输出信号；

选择两通道独立设置时，可以单独设置CH1或者CH2的参数。此时Signal Route处于可选状态，可选择被设置参数的通道。

②在Waveform Setting设置框左侧选择所需要的波形，在Frequency、Amplitude、DC Offset设置条中依次设定频率、幅度、直流偏置值；在Duty Cycle设置条中调节方波占空比，仅在Waveform Setting设定为方波时可调。

③完成以上设定后，点击Set，Pocket Lab在对应通道产生设定的信号；

④点击Stop，Pocket Lab停止产生信号。

信号发生器产生的波形可以用示波器直接观察，详见后面的示波器部分。

图2-19　信号发生器界面

（1）熟悉Pocket Lab信号发生器的使用方法，包括面板上每一个旋钮或按键的功能。

（2）熟悉Pocket Lab信号发生器的主要性能，如频率范围、频率步进等。

（3）如何用Pocket Lab信号发生器产生任意值直流信号？并亲自操作试一试。

（4）如何用Pocket Lab信号发生器输出一个只有正极性的正弦波？并亲自操作试一试。

（5）需要给一个差分放大器施加输入信号，使用Pocket Lab应该怎样做？并亲自操作试一试。

2）示波器

示波器用于分析通道信号的电压数据。该仪器提供了实验室中示波器的典型功能。在使用时需要注意以下两点：

（1）示波器的CH1、CH2通道分别对应C1、C2通道（C1、C2通道见图2-13），这两通道为Pocket Lab的输入信号通道；

（2）当用户选择示波器功能时，信号发生器功能有效，主界面辅助选择区Disp Mode和Math功能自动变为可用。

操作说明

①在主面板Function功能中选择示波器，此时屏幕显示区显示示波器波形；

②如图2-20所示，在示波器界面下点击Run按键，示波器开始工作；

③点击Stop按键，示波器工作结束。

图2-20　示波器界面

界面按钮功能键

①垂直位移：调节垂直偏转灵敏度，根据输入信号的幅度调节旋钮的位置。

②耦合方式：选择交流（AC）、直流（DC）。

·直流耦合（DC）用于测定信号直流绝对值和观测极低频信号；

·交流耦合（AC）用于观测交流和含有直流成分的交流信号。

③VOLTS/DIV：调节Y轴增益，波段开关的指示值代表对应通道Y轴方向一格的电压值。

④TIME/DIV：调节X轴增益，波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一格的时间值。

⑤Mode：选择触发类型，共有4种方式可供选择。

·连续：直接显示信号；

·电平：只要检测到达某一个电平，就从这一点开始显示；

·上升沿：检测到信号以上升沿的方式穿过给定的电平的时间点，开始显示波形；

·下降沿：检测到信号以下降沿的方式穿过给定的电平的时间点，开始显示波形。

⑥Trigger：在Mode选定“电平”“上升沿”“下降沿”时可用，设置触发电平。

⑦Cursor 1，Cursor 2：在示波器波形上显示一个光标，当选定后，会显示当前波形在光标所处位置的时间和幅值，如图2-20所示。

⑧Save：保存波形数据。当示波器处于Stop状态时，可以保存示波器的波形。

⑨Disp Mode：选择需要显示波形的通道：

·CH1：只显示CH1通道，即C1通道的信号波形；

·CH2：只显示CH2通道，即C2通道的信号波形；

·CH1&CH2：同时显示CH1、CH2两个通道的信号波形。

⑩Math：对波形进行简单的处理：

·none：（默认）不进行处理；

·+：显示两通道相加波形；

·-：显示两通道相减波形；

·X-Y：将CH1和CH2信号分别作为横坐标和纵坐标变量；

·X-（Y-X）：将CH1和（CH2-CH1）信号分别作为横坐标和纵坐标变量；

·FFT：显示对应通道信号的FFT频谱。

FFT Frequency：当Math选择开关选择FFT时开启，对所选择通道的信号进行FFT频谱分析，FFT Frequency可以调节频谱分析的最大频率。

实验举例

本实验介绍Pocket Lab信号发生器与示波器的配合使用。

①用连接线将S1与C1相连，S2与C2相连，即将信号发生器的信号直接接入示波器通道。

②用USB MINI线将Pocket Lab与装好软件程序与驱动的PC端连接，并启动电源，确认成功连接。

③用信号发生器设置任意的信号，点击Set按钮，然后切换到示波器界面，点击Run按钮显示波形，检查是否与设置信号一致。

Ⅰ.设置1000 Hz，1 V的双通道差分输出正弦波，显示CH1&CH2双通道波形，结果见图2-21。

(www.xing528.com)

图2-21　双通道差分正弦波

Ⅱ.选择两通道独立设置，给定CH1通道2000 Hz，2 V，占空比为50%的方波信号，显示CH1通道信号波形，结果见图2-22。

图2-22　单通道方波

Ⅲ.选择两通道独立设置，给定CH2通道500 Hz，0.5 V的三角波信号，显示CH2通道信号波形，结果见图2-23。

图2-23　　单通道三角波

（1）2.2.4节展示了1 k Hz正弦波和方波的频域波形。请熟悉Pocket Lab频谱仪（FFT）的使用方法，采用Pocket Lab的频谱仪功能，查看1 k Hz三角波频谱。

（2）熟悉Pocket Lab数学功能的使用方法，产生两路正弦波，尝试它们的波形相加和相减功能。

（3）Pocket Lab无法测试输出电流，但是可以通过测试电阻上电压的方法等效测试电流。思考如何利用“X-Y”功能或“X-（Y-X）”功能得到如图1-13所示的二极管伏安特性扫描曲线？拿起一个二极管试试你的方法正确吗？

（4）还记得第一章中图1-14的李沙育图形吗？了解李沙育图形产生的基本原理：将被测正弦信号和频率已知的标准信号分别加至示波器的Y轴输入端和X轴输入端，在示波器显示屏上将出现一个合成图形，这个图形就是李沙育图形。李沙育图形随两个输入信号的频率、相位、幅度不同，所呈现的波形也不同。尝试两路不同频率、幅度和相位差的正弦信号，在示波器上显示李沙育图形。

3）直流电压表

系统从信号发生器的CH1和CH2输出直流电压信号，同时通过示波器的CH1和CH2检测信号的直流电压值。

操作说明

①在主面板Function功能中选择直流电压表；

②如图2-24所示，在直流电压表界面下，设定CH1、CH2的直流偏置，点击Set键完成设置；

③点击ON/OFF开关，使电压表处于ON状态，上方将实时显示CH1、CH2信号的直流电压。

图2-24　直流电压表

熟悉Pocket Lab直流电压表的使用方法，并用该功能测试Pocket Lab三路直流电源的电压值，填入表2-1中。

表2-1

4）波特分析仪

分析仪生成用于分析系统的频率特性曲线（Bode图）。

操作说明

在软件操作前，使用者必须准备好待测电路。电路的输入信号由S1通道（或S2通道）产生，同时接入Pocket Lab的C1通道，将经过系统电路之后的响应输出信号接入C2通道，见图2-25。

图2-25　波特分析电路连接示意图

当完成所有的硬件准备后，进行以下软件操作：

①在主面板Function功能中选择波特图，此时主界面屏幕显示波特图，如图2-26；

②在波特图界面下，设定起始频率（Start Frequency）、截止频率（Stop Frequency）、步进（Steps）以及正弦信号幅值（Amplitude），同时根据需要可以调节幅频坐标最大值、幅频坐标最小值、相频坐标最大值、相频坐标最小值来控制波特图的纵坐标范围；

③设置完毕后，点击Scan，系统开始工作，按点画出波特图，运行时led指示灯为绿色，结束运行时变为红色。

图2-26　波特分析仪界面

实验举例

这里采用一个一阶RC实验电路进行演示。这是一个标准的一阶极点电路。

如图2-27（a）所示，将输入信号从S1通道（或S2通道）引出，并接到C1通道，输出信号接到C2通道。最终波特分析结果见图2-27（b），曲线①为幅频特性，曲线②为相频特性。

图2-27　波特分析实验

熟悉Pocket Lab波特图仪的使用方法，并用该功能测试图2-27（a）的电路，得到你的第一张波特图吧。

5）逻辑分析仪

逻辑分析仪可以控制引脚的输入/输出状态，读取引脚的高低电平。在主面板Function功能中选择逻辑分析仪，此时主界面屏幕显示逻辑分析波形，如图2-28所示。

逻辑分析仪的功能界面主要由两部分组成：

①引脚设置区：设置各个引脚的工作状态。该区域有P0～P7共8个设置区，分别对应Pocket Lab设备0～7号引脚，详见图2-13。每个引脚设置区里由3部分组成：

·Mode：设定引脚状态。可以设置成3种不同的状态：

IN：将引脚设置为输入状态；

OUT：将引脚设置为输出状态；

CLK：将引脚设置为时钟（输出状态），即下一状态输出电平反相。

·OUT：当Mode设定状态为OUT或CLK时，用来设定输出电平的高低。

·State：当逻辑分析仪运行时，用来判断引脚的电平高低，高电平时led灯亮，低电平时led灯灭。

②系统控制区：控制逻辑分析仪的工作方式。主要有3个控制按钮：

·Step：每次执行一个周期，按各引脚设置要求设定所有引脚工作状态，然后读取各个引脚电平高低，在屏幕上显示波形；

·Run：系统以大约1 s为周期自动连续工作，同Step工作。

·Reset：重置系统，波形清零。

图2-28　逻辑分析仪

操作说明

①在逻辑分析仪界面下，设置各引脚的输入/输出状态（Mode）以及电平高低（OUT，在OUT/CLK输出模式下可用）；

②点击Step，每次执行一个周期，按各引脚设置要求设定所有引脚工作状态，然后读取各个引脚电平高低，在屏幕上显示波形；

③点击Run，此时系统以大约1 s为周期自动连续工作，同Step工作，此时按钮变为Stop，按下Stop后，系统停止工作；

④点击Reset，重置系统，波形清零。

经过本章的学习，读者对构成便携式实验室的两大利器——NI公司的Multisim仿真工具和东南大学的Pocket Lab虚拟仪器的功能和使用方法应该有了初步的了解和认知，并能简单地使用这两种工具。下一章，我们将在两大利器构成的便携式实验平台上，开启自己的专属实验室之旅。

【注释】

[1]输入电压范围等于USB供电电压。