技术摘要：
一种基于CDIO测控电路的软硬件交互式综合实验箱及方法。包括电源模块、动力调谐陀螺仪模拟器、电路模块实验箱、实验箱内的模拟器接口和两路结构完全相同的X轴电路和Y轴电路，以及实现矩阵运算的信号运算实验模块，实验箱内集成了液晶显示模块，电路原理图与实验步骤均  全部
背景技术：
当今信息社会，特别是物联网时代的到来，任何科技进步都离不开测量与控制，无 论是航天航空事业中的卫星发射，还是生活中的食品安全监测，都有测控系统在其中发挥 着重要的作用。测控电路与传感器和执行机构共同构成了测控系统，“测控电路”课程已经 被全国各高校的仪器信息相关专业列为核心课程，而测控电路实验作为课程学习与实践应 用的必要环节，已经被相关各专业列为必修课。 在以往的测控电路实验箱中，多采用一种或者多种特定的传感器或执行器进行信 号处理实验，依赖于传感器的原理、材料和工艺，大多具有固定的信号处理方式，无法锻炼 实验者的电路设计能力，并且往往局限于开环信号的测量或输出，很难将所学的控制理论 知识应用于实验中。甚至，有一些实验箱过多的集成了数字处理芯片和集成处理软件，使得 实验者对信号处理方法很难进行深入了解，无法应用所学的电路知识。目前，实验者用实验 箱进行特定实验时，还需要信号发生器、示波器等实验设备配套使用，实验操作比较繁琐， 而且软件仿真与硬件测试两者相对独立。因此，借助以往的测控电路实验箱，实验者只能学 到特定电路模块的使用方法，对整个测控系统的认识严重不足，软件仿真结果与硬件测试 结果无法直观的联系起来。 现有的实验箱，不能让实验者在实验中了解测控电路在测控系统中的作用，也不 足以训练实验者设计各类电路模块的能力，更难以应用所学的测量控制知识特别是闭环控 制理论，软件仿真结果与硬件测试的现象也无法直观的进行对比。因此，研发一种能够满足 实验者测控电路设计与应用需求的实验箱具有非常重要的价值。
技术实现要素：
本发明目的是解决现有实验箱存在电路模块不全面、控制知识应用缺失和软件仿 真与硬件测试关联性较差等方面的不足，提供一种基于CDIO测控电路的软硬件交互式综合 实验箱及实验方法。 本发明所采用的技术方案是： 一种基于CDIO测控电路的软硬件交互式综合实验箱，包括电源模块(101)、动力调 谐陀螺仪模拟器(102)、电路模块实验箱(103)和电路模块实验箱(103)内设置的模拟器接 口(104)、两路结构完全相同的X轴电路和Y轴电路，以及分别与X轴电路和Y轴电路连接的实 现矩阵运算的信号运算实验模块(108)，所述的电源模块(101)为动力调谐陀螺仪模拟器 (102)和电路模块实验箱(103)提供电源，所述动力调谐陀螺仪模拟器(102)通过模拟器接 口(104)连接电路模块实验箱(103)内的X轴电路和Y轴电路构成闭合回路，实验箱内还集成 了信号发生器、示波器、PC机接口(112)和液晶屏显示(113)。 4 CN 111583765 A 说　明　书 2/10 页 所述的X轴电路和Y轴电路都是由输入支路和输出支路构成，两路输入支路分别经 过信号运算实验模块(108)连接两路输出支路，所述的输入支路均由依次串联连接的信号 放大实验模块(105)、滤波电路实验模块(106)和信号解调实验模块(107)构成，所述的输出 支路均由相串联的校正电路实验模块(109)和执行器驱动实验模块(110)构成，其中，所述 信号放大实验模块(105)的信号输入端连接模拟器接口(104)，X轴电路的信号输出端和Y轴 电路的信号输出端亦即执行器驱动实验模块(110)的信号输出端分别连接模拟器接口 (104)，所述信号解调实验模块(107)的信号输出端对应连接所述实现矩阵运算的信号运算 实验模块(108)的X轴信号输入端和Y轴信号输入端，所述实现矩阵运算的信号运算实验模 块(108)的X轴信号输出端和Y轴信号输出端对应连接所述校正电路实验模块(109)的信号 输入端，所述执行器驱动实验模块(110)的信号输出端对应连接模拟器接口(104)的X轴信 号输入端和Y轴信号输入端。 所述的信号放大实验模块(105)的信号输入端，以及信号放大实验模块(105)、滤 波电路实验模块(106)、信号解调实验模块(107)、信号运算实验模块(108)、校正电路实验 模块(109)和执行器驱动实验模块(110)两两之间的连接点，以及执行器驱动实验模块 (110)的信号输出端均设置有用于连接替换对应电路模块的接线端子(111)。 所述的动力调谐陀螺仪模拟器(102)包括有第一函数模拟器(3002)、第二函数模 拟器(3008)、第三函数模拟器(3104)和第四函数模拟器(3107)，其中，所述第一函数模拟器 (3002)和第三函数模拟器(3104)的信号输入端MX通过电路模块实验箱(103)上的模拟器接 口(104)中X轴输出端MX连接X轴电路中的执行器驱动实验模块(110)的信号输出端，所述第 二函数模拟器(3008)和第四函数模拟器(3107)的信号输入端MY通过电路模块实验箱(103) 上的模拟器接口(104)的Y轴输出端MY连接Y轴电路中的执行器驱动实验模块(110)的信号 输出接线端子(111)，所述第一函数模拟器(3002)和第二函数模拟器(3008)的信号输出分 别连接第一加法器(3009)的信号输入端，所述第一加法器(3009)的信号输出端经过第一调 制模块(3010)通过电路模块实验箱(103)上的模拟器接口(104)的X轴输入端UOX连接X轴电 路中的信号放大实验模块(105)的信号输入端，所述第三函数模拟器(3104)和第四函数模 拟器(3107)的信号输出分别连接第二加法器(3108)的信号输入端，所述第二加法器(3108) 的信号输出端经过第二调制模块(3019)通过电路模块实验箱(103)上的模拟器接口(104) 的Y轴输入端UOY连接Y轴电路中的信号放大实验模块(105)的信号输入端。 所述的第一函数模拟器(3002)是由依次串联的第一组合电路(3001)和第一反相 器(3003)构成，所述的第二函数模拟器(3008)是由依次串联的第二组合电路(3004)、第一 德玻积分器(3005)、第一比例器(3006)和第二反相器(3007)构成，所述第三函数模拟器 (3104)是由依次串联的第三组合电路(3101)、第二德玻积分器(3102)和第二比例器(3103) 构成，所述第四函数模拟器(3107)是由依次串联的第四组合电路(3105)和第三反相器 (3106)构成，其中，所述第一函数模拟器(3002)中的第一组合电路(3001)和第三函数模拟 器(3104)中的第三组合电路(3101)的信号输入端通过电路模块实验箱(103)上的模拟器接 口(104)中的X轴输出端MX连接X轴电路中的执行器驱动实验模块(110)的信号输出端，所述 第二函数模拟器(3008)中的第二组合电路(3004)和第四函数模拟器(3107)中的第四组合 电路(3105)的信号输入端通过电路模块实验箱(103)上的模拟器接口(104)中的Y轴输出端 MY连接Y轴电路中的执行器驱动实验模块(110)的信号输出端，所述第一反相器(3003)和第 5 CN 111583765 A 说　明　书 3/10 页 二反相器(3007)的信号输出分别连接第一加法器(3009)的信号输入端，所述第二比例器 (3103)和第三反相器(3106)的信号输出分别连接第二加法器(3108)的信号输入端。 所述的第一组合电路(3001)、第二组合电路(3004)、第三组合电路(3101)和第四 组合电路(3105)结构相同，均包括有：依次串联构成回路的第三加法器(30042)、第四反相 器(30041)、第三德玻积分器(30043)、第四德玻积分器(30044)和第五反相器(30045)，其 中，所述第三加法器(30042)两个输入端中的一个输入端通过连接电路模块实验箱(103)上 的模拟器接口(104)中的X轴输出端MX或Y轴输出端MY连接X轴电路中的执行器驱动实验模块 (110)的信号输出端或Y轴电路中的执行器驱动实验模块110的信号输出端，所述第四德玻 积分器30044的输出UO构成第一组合电路(3001)或第二组合电路(3004)或第三组合电路 (3101)或第四组合电路(3105)的输出并对应连接第一反相器(3003)或第一德玻积分器 (3005)或第二德玻积分器(3102)或第三反相器(3106)。 本发明同时提供了基于CDIO测控电路软硬件交互式综合实验箱的实验方法，包括 分别进行的：信号放大电路实验、信号滤波电路实验、信号解调电路实验、信号运算电路实 验、校正电路实验和执行器驱动实验，以及在信号放大电路实验、信号滤波电路实验、信号 解调电路实验、信号运算电路实验、校正电路实验和执行器驱动实验的基础上进行的闭合 回路调试实验，并且集成了信号发生器、示波器、PC机接口和液晶屏显示，实验者可以更加 深入理解软件仿真结果与硬件测试现象的区别，通过液晶屏显示实验原理图与实验步骤， 为学生实验提供便利。 本发明的优点和有益效果： 本发明提供的CDIO测控电路软硬件交互式综合实验箱及实验方法，以动力调谐陀 螺仪再平衡回路为基础设计测控电路硬件综合实验，集成了信号调制、放大、滤波、解调、解 耦、控制和功率放大等七大电路模块的设计与调试，可以在进行各模块的独立实验后联合 调试，各个模块均由两种及以上电路实现，完成陀螺仪再平衡回路这个综合实验，在调试过 程中，实验者可以对同一模块的不同电路进行任意切换，实验相关原理图与实验步骤通过 液晶屏实时显示，为学生实验提供便利，并且脱离信号发生器、示波器等实验设备，采用实 验箱所集成的信号发生器与示波器功能模块接口，通过连接PC机对信号发生器及示波器进 行控制，通过上位机界面对硬件测试信号进行观测，并且可以与对应模块仿真信号进行对 比。不仅能让实验者熟悉掌握各类电路模块的设计，引导实验者学习闭环测量控制电路的 设计方法，还能使实验者深入理解软件仿真结果与硬件测试现象的区别。使得实验者能够 在一套实验箱的使用中，掌握测控电路在闭环测控控制系统中的功能，也可以兼顾软件仿 真、硬件测试的交互式实验。另外，本发明还提供了一种动力调谐陀螺仪模拟器的设计实现 方法，完全可替代陀螺仪机械表头，有效地克服了动力调谐陀螺仪应用于实验者实验中造 价过高和实验现象不直观的问题。 附图说明 图1是本发明的CDIO测控电路软硬件交互式综合实验箱整体电路构成框图； 图2是发明中动力调谐陀螺仪模拟器的结构框图； 图3是发明中动力调谐陀螺仪模拟器中X轴、Y轴信号处理的电路构成框图； 图4是发明中动力调谐陀螺仪模拟器中X轴、Y轴信号处理电路中的组合电路的电 6 CN 111583765 A 说　明　书 4/10 页 路构成框图； 图5是发明中电路模块实验箱的信号放大实验模块的电路原理图； 图6是发明中电路模块实验箱的滤波电路实验模块的电路原理图； 图7是发明中电路模块实验箱的信号解调实验模块的电路原理图； 图8是发明中电路模块实验箱的实现矩阵运算的信号运算实验模块的电路原理 图； 图9是发明中电路模块实验箱的校正电路实验模块的电路原理图； 图10是发明中电路模块实验箱的执行器驱动实验模块的电路原理图。 图中 101：电源模块                     102：动力调谐陀螺仪模拟器 103：电路模块实验箱               104：模拟器接口 105：信号放大实验模块             106：滤波电路实验模块 107：信号解调实验模块             108：实现矩阵运算的信号运算实验模块 109：校正电路实验模块             110：执行器驱动实验模块 111：接线端子                     112：信号发生器、示波器、PC机接口模块 113：液晶屏显示 201：动力调谐陀螺仪模拟器外壳     202：陀螺仪模拟器外部接口 203：陀螺仪模拟器X轴信号处理输出板 204：陀螺仪模拟器Y轴信号处理输出板 205：角度感应转换成电压信号输出板 301:陀螺仪模拟器X轴信号处理      302：陀螺仪模拟器Y轴信号处理 3002：第一函数模拟器              3008：第二函数模拟器 3104：第三函数模拟器              3107：第四函数模拟器 3009：第一加法器                  3010：第一调制模块 3108：第二加法器                  3109：第二调制模块 3001：第一组合电路                3003：第一反相器 3004：第二组合电路                3005：第一德玻积分器 3006：第一比例器                  3007：第二反相器 3101：第三组合电路                3102：第二德玻积分器 3103：第二比例器                  3105：第四组合电路 3106：第三反相器                  30041：第四反相器 30042：第三加法器                 30043：第三德玻积分器 30044：第四德玻积分器             30045：第五反相器。