黃源

摘要：電子測量與儀器是測控專業(yè)的重要課程。針對以往該課程實驗教學(xué)中存在的不足，結(jié)合專業(yè)實際情況，提出了模塊化設(shè)計的改進思路，并以計數(shù)器實驗為例，闡明了模塊化設(shè)計的實現(xiàn)。在實驗教學(xué)過程中，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電子測量與儀器；模塊化設(shè)計；計數(shù)器

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）01-0260-02

一、引言

電子測量與儀器課程是測控相關(guān)專業(yè)的重要課程，主要運用電子科學(xué)的原理、方法和設(shè)備對各種電量及電路元件的特性和參數(shù)進行測量[1]。使學(xué)生掌握電子測量的基本概念，測量誤差理論及數(shù)據(jù)處理方法，掌握基本電參量的測量原理、方案設(shè)計及結(jié)果分析方法。

該課程所包含的實驗要求學(xué)生熟悉常用儀器儀表（電壓表、示波器、計數(shù)器、信號源等）的使用[2]，掌握儀器儀表工作原理，學(xué)會利用現(xiàn)有設(shè)備采取正確的測試方案進行一些簡單的測量，能根據(jù)所學(xué)知識綜合設(shè)計簡單的測量電路。

二、實驗教學(xué)過程中的不足

以計數(shù)器實驗為例，計數(shù)器實驗要求了解和掌握通用計數(shù)器的組成及工作原理和操作方法，掌握頻率比測量方法和測量誤差處理方法。在以往的實驗過程中，直接使用通用計數(shù)器進行相關(guān)參數(shù)的測量。雖然在實驗之前會向?qū)W生講解相關(guān)測量原理，但學(xué)生往往只記住了通用計數(shù)器的操作方法，即如何測量頻率、周期和頻率比，而對于通用計數(shù)器的內(nèi)部工作原理則沒有結(jié)合理論課上的內(nèi)容進行深究。這樣，實驗效果大打折扣，學(xué)生的認(rèn)識還只是停留在表面，沒有自覺的深入探討工作原理，理論與實際沒能結(jié)合到一起。

三、改進思路

針對這個問題，可以將實驗改成設(shè)計性實驗。設(shè)計性實驗教學(xué)對學(xué)生技能的提高，思考方法的訓(xùn)練，知識的綜合運用起了很好的作用[3]。如果讓學(xué)生自己設(shè)計制作一個簡易的通用計數(shù)器，當(dāng)然會有一定的改進效果。但又有可能讓學(xué)生的注意力轉(zhuǎn)移到了調(diào)試細(xì)節(jié)上，而又重新忽視了測量原理。因此，在細(xì)節(jié)的劃分上要有一個折中，模塊化設(shè)計是一個解決方案。我們重新設(shè)計了實驗項目，制作了實驗板，將通用計數(shù)器內(nèi)部的主要模塊分離出來，體現(xiàn)在實驗板上。

計數(shù)器測量信號頻率的原理框圖如圖1所示，其中，fA為被測信號，經(jīng)過放大整形后變成標(biāo)準(zhǔn)的方波。門控電路產(chǎn)生門控信號，控制閘門的開啟和關(guān)閉。閘門可以用邏輯門電路中的與門來實現(xiàn)，門控信號為低電平時，與門關(guān)閉，方波信號不能通過與門；門控信號為高電平時與門打開，方波信號能通過，此時要求門控信號的頻率要小于方波信號。門控信號的高電平持續(xù)時間為閘門時間。閘門時間內(nèi)通過的方波送入計數(shù)器進行計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果顯示出來。計數(shù)結(jié)果N再除以已知的閘門時間即得到fA的頻率。

將圖1所示的原理框圖稍作修改就可以用來測量信號周期。將fA整形后的方波看成門控信號，而將原來的門控信號頻率提高并看成被測信號fg，此時fg的頻率要高于fA且fg的周期已知。這樣，在fA的方波高電平持續(xù)期間，fg信號可以通過閘門，計數(shù)器對fg進行計數(shù)。計數(shù)結(jié)果N再乘以fg的周期tg即得到高電平持續(xù)的時間，若高低電平時間相等，那么fA的周期應(yīng)為N*tg*2。

計數(shù)器測量兩個信號頻率比的原理框圖如圖2所示，fA與fB為不同頻率的兩個輸入信號，假設(shè)fA的頻率大于fB的頻率。fA經(jīng)過放大整形后直接送到閘門的輸入端，而fB經(jīng)過放大整形后的信號作為閘門信號輸入。此時，在fB高電平持續(xù)期間，fA整形后的方波能通過閘門進入計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果是fB的半個周期內(nèi)（假設(shè)fB的正負(fù)半周期相等）通過的fA的脈沖數(shù)，因而頻率比為計數(shù)結(jié)果N*2。

根據(jù)以上的分析，測量電路中的關(guān)鍵模塊為：放大整形電路、閘門、門控電路、計數(shù)器及顯示器。因此，設(shè)計圖3所示的電路模塊。其中，計數(shù)器及門控電路由單片機構(gòu)成，可以通過鍵盤設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)閘門信號的時間長短。將這幾個模塊使用PCB電路板實現(xiàn)，要求學(xué)生根據(jù)測量原理在這幾個模塊之間進行連線，搭建正確的電路對信號的頻率、周期以及頻率比進行測量。并寫出計算表達(dá)式。期間，要求學(xué)生使用示波器對連線的各個結(jié)點的波形進行測量記錄，進一步領(lǐng)會相應(yīng)的測量原理。這樣，學(xué)生面對的是這幾個抽取出來的主要模塊，對通用計數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)會有一個更清晰的認(rèn)識，能夠?qū)⒆⒁饬Ψ旁跍y量原理上。

四、結(jié)論

該實驗板在我院2012級測控專業(yè)與自動化專業(yè)中進行了使用，取得了較好的實驗效果。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.將通用計數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過若干主要模塊體現(xiàn)出來，屏蔽了一定細(xì)節(jié)，減少了學(xué)生的重復(fù)勞動，有助于學(xué)生將注意力集中到理解測頻原理上來；

2.同樣的幾個模塊，連接方法不同，實現(xiàn)的測量目標(biāo)（測頻、測周、測頻率比）也不同，有助于學(xué)生靈活運用所學(xué)知識，提高動手能力；

3.通過使用示波器測量各個連接點的波形，有助于學(xué)生理論聯(lián)系實際，提高電路調(diào)試能力。

參考文獻：

[1]陳尚松，郭慶.電子測量與儀器（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]林占江.電子測量實驗教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]張成亮，李衛(wèi)兵，杜玉杰.電子測量設(shè)計性實驗研究[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2011，9（6）.