一、技能訓練目的1. 針對 10~100mV 和 4~20mA 的 2 路（至少各 1 路，可擴展為更多路）浮地測量信號，設計信號調理電路（放大、濾波等）實現測量精度為 1mv 和 0.1mA 的雙路數據采集系統；2. 熟悉并掌握系統開發 Altium Designer、Multisim 等軟件的應用，能完成電路仿真；3. 掌握單片機工作原理并使用 STC12C5A60S2 單片機；4. 掌握儀用放大電路的應用，能針對接口輸入規范的要求、選擇適當的器件和工具，設計實驗并實現；5. 根據原理圖進行電路焊接調試，完成數據采集變換系統的焊接及編程工作；6. 掌握 PCB 制版及 SMT 焊接的工藝流程；7. 拓展單片機系統，實現多路數據及信號測量；8. 掌握通用板的使用方法以實現電路搭載。
二、技能訓練任務
1. 完成符合要求的系統原理設計；2. 掌握工程實踐中電路原理圖與 PCB 圖、原理圖庫、PCB 庫、的繪制規范；3. 完成浮地差動信號采集系統的原理圖和 PCB 板的設計；4. 應用仿真軟件對系統進行功能仿真（盡量全面）；5. 完成多路數據采集系統焊接（單片機系統+以通用板為基礎的信號調理電路）與測試；6. 完成多參量數據采集方案的實現；7. 完成設計與系統測試及分析。
三、實驗設計與實驗結果（支撐目標2、3、4）
1、電路系統設計（給出3種電路設計方案，并從成本、性能等因素分析方案并得出結論）（支撐目標3）
方案一采用雙運放放大電路方案，針對10~100mV 和 4~20mA 的 2 路（至少各 1 路，可擴展為更多路）浮地測量信號設計信號調理電路，通過合理選擇雙運放型號（如LM358等低成本、高性能元件）、電阻、電容等元件，并精心設計電路結構（包括放大、濾波等環節），能夠實現一個既滿足1mV和0.1mA高精度測量要求，又具備強抗干擾能力、良好穩定性及易于擴展性的雙路數據采集系統。此方案不僅成本相對較低，而且通過精確的元件選擇和電路設計，確保了信號的精確放大與測量，同時，雙運放放大電路的設計也為其提供了足夠的增益帶寬積，以適應不同信號的放大需求。此外，該方案對共模干擾和噪聲具有較強的抑制能力，適合用于浮地測量信號，且通過合理的元件選擇和電路設計，可以確保電路在各種環境條件下保持穩定的性能。因此，在針對此類浮地測量信號的雙路數據采集系統設計中，采用雙運放放大電路方案無疑是一個值得考慮和推薦的優秀選擇。 圖 1 雙運放放大電路 方案二采用LM328運算放大器、電阻及二極管等元件構建的差分放大電路，在針對10~100mV 和 4~20mA的 2 路（至少各 1 路，可擴展為更多路）浮地測量信號的雙路數據采集系中，展現出低成本、高精度測量（達1mV和0.1mA）、強抗干擾能力（有效抑制共模擾）及良好穩定性等顯著優勢。該電路通過精確的元件選擇與電路設計，確保了信號的精確放大與測量，同時，LM328的低功耗與高增益特性使其非常適合此類應用。然而，該電路也有一些缺點，如為了實現高精度的信號放大和測量，需要對元件的精度進行嚴格控制；電雖然差分放大電路的設計相對簡單，但調試過程可能需要一定的專業知識和經驗；LM328運算放大器的帶寬可能限制差分放大電路在高速應用中的性能。 圖 2 差分放大電路 方案三針對10~100mV 和 4~20mA 的 2 路（至少各 1 路，可擴展為更多路）浮地測量信號，設計一個采用三運放放大電路的信號調理系統以實現1mV和0.1mA的高精度雙路數據采集，該系統在成本上相對較高但提供了高精度測量、強抗干擾能力和良好的穩定性，同時展現出易于擴展至多路信號處理的靈活性。通過精心選擇運算放大器型號和輔助元件，并優化電路設計，該系統能夠確保信號的精確放大與傳輸，有效抑制共模干擾和噪聲，適應各種環境條件下的穩定性能需求。然而，三運放放大電路也帶來了較高的成本、相對復雜的電路設計和調試過程，以及相對較大的功耗的缺點。 圖 3 三運放放大電路 方案選擇最終經過我們小組內的討論后選擇了雙運放放大電路，理由在于：雙運放放大電路在提供足夠放大倍數和穩定性的同時，保持了適中的成本和相對較低的復雜度，其性能足以滿足高精度測量需求，且無需像差分放大電路那樣可能需要額外的隔離措施，也不像三運放放大電路那樣因高成本和復雜性而可能過于昂貴或不適用于所有場景。雙運放放大電路能夠處理浮地信號，提供較低的噪聲和失真，且易于實現和擴展，因此在成本效益、技術實現難度和實際應用需求之間提供了良好的平衡。盡管其共模抑制比可能略低于三運放放大電路，但通常足夠滿足大多數高精度測量應用的要求，使得雙運放放大電路成為這一特定應用場景下的優選方案。通過精心設計和調試，雙運放放大電路能夠確保信號的精確放大與傳輸，實現所需的高精度數據采集，同時保持系統的穩定性和可靠性。
2、設計步驟（需針對被測目標，圖文說明如何設計實驗及實驗步驟）（支撐目標2）
（1）根據設計的總體目標，首先規劃并繪制出電路的結構框圖和Multisim仿真圖 圖 4 系統結構框圖
 圖 5 Multisim電路仿真圖 （2）在仿真驗證通過的基礎上，將設計好的原理圖轉化為AD原理圖，并進一步進行PCB的布局與布線設計。
 圖 6 原理圖  圖 7 PCB繪制 （3）SMT 工藝流程學習；完成系統焊接與測試。 圖 8 焊接實物圖 （4）完成系統程序設計，在現有硬件基礎上，實現模塊化程序編制，驗證和仿真調試系統硬件工作狀態。主程序為：
- #include <reg52.h>
- #include "lcd1602.h"
- #include "adc0832.h"
- #include <stdio.h>
- void LCD_WriteFloat(float num);
- void main() {
- unsigned char voltageAdc, currentAdc;
- float voltage, current;
- LCD_Init(); // 初始化LCD
- LCD_Clear(); // 清除LCD顯示
- while (1) {
- voltageAdc = ADC0832_Read(0); // 讀取CH0的電壓值
- currentAdc = ADC0832_Read(1); // 讀取CH1的電流值
- voltage = (float)voltageAdc /255*5.0*20; // 轉換電壓值
- current = (float)currentAdc /255*5.0*4; // 轉換電流值
- // 顯示電壓值
- LCD_SetCursor(0, 0); // 設置LCD光標位置
- LCD_WriteString("Vol: ");
- //LCD_WriteCommand(0x80+3);
- LCD_WriteData((unsigned int)voltage/100+0x30);
- LCD_WriteData((unsigned int)voltage%100/10+0x30);
- LCD_WriteData((unsigned int)voltage%10+0x30);
- LCD_WriteData('.');
- LCD_WriteData((unsigned int)voltage%100/10+0x30);
- LCD_WriteString("mV");
- // 顯示電流值
- LCD_SetCursor(1, 0); // 設置LCD光標位置4
- LCD_WriteString("Cur: ");
- //LCD1602_Write_Com(0xC0+3);
- //LCD_WriteFloat(current); // 假設已經實現了LCD_WriteFloat函數
- LCD_WriteData((unsigned int)current%100/10+0x30);
- LCD_WriteData((unsigned int)current%10+0x30);
- LCD_WriteData('.');
- LCD_WriteData((unsigned int)current%100/10+0x30);
- LCD_WriteString("mA");
- LCD_Delay(100); // 等待一段時間再次讀取
- }
- }
- void LCD_WriteFloat(float num) {
- char buffer[16];
- sprintf(buffer, "%f", num);
- LCD_WriteString(buffer);
 圖 9 Proteus仿真圖 3、系統調試（包括仿真實驗結果和實測實驗結果，并從仿真軟件的局限性角度說明仿真結果與實測結果的差別，其中實測實驗結果需給出照片）（支撐目標2、4）（1）實測結果 圖 10 實測結果圖 （2）仿真結果圖 11 Proteus仿真結果圖  圖 12 Multisim仿真結果圖 （3）結果分析通過分析仿真與實物結果，得到的最終結果與系統設計要求相一致，且該信號調理電路很好的實現了測量精度為1mV和0.1mA的設計要求；PCB圖的繪制也達到了原理圖的設計要求，實測結果得到了成功的實驗結果。
四、 解釋技能訓練中，電子儀器加工過程的工藝流程與工藝參數，對環境及產品質量的影響。（考察目標1、5，對產品質量的影響支撐目標1、對環境的影響支撐目標5）在電子儀器加工過程中，嚴格控制從原理圖設計到PCB制版、SMT焊接以及系統調試的工藝流程與工藝參數，不僅直接決定了產品的質量和可靠性，還對環境產生重要影響，因此需確保設計準確性、版圖規范性、參數精準控制及調試充分性，并妥善處理制版殘液和焊接煙塵等環境問題，以實現高質量生產和環境友好型制造。具體而言，該過程首先始于原理圖設計，利用專業軟件如Altium Designer進行電路布局與邏輯驗證，確保電路設計的正確性和可行性，這是電子儀器制造的基礎，任何設計上的瑕疵都可能直接影響后續產品的性能和穩定性。隨后，將原理圖轉化為PCB版圖，進行精密的布局和布線設計，并設定關鍵的工藝參數，如線寬、線距和銅厚，這些參數的選擇需兼顧電路性能和制造要求，任何偏差都可能導致電路板質量下降。進入PCB制版階段，需將設計數據發送給制版廠家，廠家在制版過程中需嚴格控制蝕刻深度、阻焊層厚度等工藝參數，確保電路板的質量。接著是SMT焊接，即將元器件精確貼片到電路板上，并通過精確控制的焊接溫度、時間和壓力等參數進行焊接，這一過程對焊接質量和元器件的可靠性至關重要。然而，在追求高質量產品的同時，也不能忽視對環境的影響。制版過程中產生的化學廢液和SMT焊接過程中釋放的煙塵都含有有害物質，若處理不當，將對環境和操作人員構成威脅。因此，必須采取嚴格的環保措施，如控制化學藥品使用量、妥善處理廢液和煙塵收集處理等，以減少對環境的污染。最后，系統調試階段是對整個加工過程質量的全面檢驗。通過硬件和軟件調試，測試電路的性能指標，確保系統滿足設計要求。調試的充分性直接影響產品的最終質量，任何潛在的故障都可能在這一階段被發現并修復。綜上所述，電子儀器加工過程是一個復雜而精細的系統工程，需要嚴格控制每一個環節的工藝流程和工藝參數，以確保產品的質量和可靠性。同時，也要注重環保，采取必要的措施減少對環境的影響，實現可持續發展。只有這樣，才能生產出既滿足市場需求又符合環保要求的高質量電子儀器產品。
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