電子測量技術實驗教學研究與實踐

河南南陽理工學院電子與電氣工程學院 郭建昌 張 戈

電子測量技術實驗教學本學院沒有專門的實驗室，但基本的測量理論需要相關的試驗驗證，同時一些基本的電子測量儀器也需要學生掌握基本操作，而這些儀器正是為電子類學科相關課程實驗和課程設計所需要的。基于多年來的電子測量技術理論教學，結合現有的實驗室條件，充分考慮學生具有的相關知識，對電子測量技術實驗進行研究，提出具體的實驗方案并進行實踐，特別是最后的綜合設計類實驗。

一、電子測量技術實驗教學需求

1.電子測量技術理論課基本內容

電子測量技術教學大綱有幾次修改，但都包括如下基本內容：①數據處理和誤差分析；②信號發生器；③時頻測量；④電壓測量；⑤時域測量。

2.電子測量技術實驗教學內容

通過研究電子測量技術理論課基本內容，確定電子測量技術實驗教學需要包括如下實驗內容：①信號發生器實驗；②時頻測量實驗；③電壓測量實驗；④示時域測量實驗。

數據處理和誤差分析包含在相關的實驗中。

3.電子測量技術實驗教學需要的儀器

根據實驗教學內容，可以確定需要的儀器主要包括：信號發生器、計數器、交流毫伏表、示波器、數字萬用表。

電子測量技術實驗教學沒有專門的實驗室，剛開設時都用來擴充理論課教學。通過研究基本實驗儀器需求，確定這些儀器在模擬電子技術實驗室中基本都用，其后的實驗課都開設在此實驗室。但實驗教學中發現缺少綜合設計類的實驗，全部都是驗證性的實驗。通過進一步研究實驗內容、實驗室具有的儀器及學生具有的相關知識，設計了電子測量技術綜合設計性實驗內容，從而形成了完整的電子測量技術實驗教學內容。

二、電子測量技術實驗教學方案

表1 電子測量技術實驗教學內容

通過多年研究和教學實踐，最后形成的電子測量技術實驗教學內容如表1所示。

電子測量技術實驗教學中1、2、3 為基本實驗，充分利用模擬電子實驗中的相關儀器，但綜合設計性實驗4 所需要的頻率計電路板實驗室中沒有，所以采取動手設計頻率計電路板，并完成焊接及相關功能的調試。

三、頻率計電路設計方案

設計此實驗的目的是完成電子測量技術綜合設計性實驗，把已經初步掌握的三個基本實驗中涉及的儀器操作進一步綜合應用，通過動手設計來實現電子測量技術實驗的基本內容，同時能結合學生已經具有的知識。通過研究和實踐，最后形成了頻率計電路設計方案，如圖1所示。

此設計方案完全根據電子測量技術中頻率的定義來實現：單位時間內（1 秒）內周期性事件重復的次數。周期性事件采用信號發生器提供的周期性脈沖信號，單位時間采用模擬電子技術試驗過的555 單穩態電路提供，重復的次數采用在數字電子技術試驗過的十進制計數器來實現，顯示采用數碼管來直接顯示被測量對象的頻率，一共4 位。

該方案工作原理如下：555 單穩態電路輸出單位時間1 秒，控制頻率計計數器對輸入的周期性脈沖在單位時間內計數，然后通過頻率計顯示器顯示計數結果，即為周期脈沖的頻率。

在設計方中充分考慮實驗的綜合性、設計性和具有的相關知識。在綜合性方面，此設計方案把前面三個實驗中用的主要儀器操作和參數測量都使用到；在設計性方面，主要功能模塊555 單穩態電路和頻率計計數器電路學生可以查閱資料自行設計，具體見頻率計電路詳細設計。

四、頻率計電路詳細設計

圖1 頻率計電路設計方案

頻率計電路如圖2和圖3所示。圖2中包括電源接口，輸入5V 電壓取自模擬電子試驗臺，免去額外電源，當然也配有USB 接口的電源線，學生可以采用手機充電器或者電腦USB 作為電源，另外還提供4 組插針的電源，便于在設計相關電路時采用杜邦線連接。另外還包括電源指示燈和電源開關。

555 單穩態電路的時間常數包括電位器R1 和C2，通過調整電位器R1 可以改變時間常數，獲得需要的單位時間1 秒，按鍵S2 為觸發按鍵，按下S2 即可獲得單位時間，C2 兩端采用插針，根據需要可以設計為高電平或者低電平暫態輸出，指示燈可以指示單穩態電路的狀態。單位時間可以通過示波器來測量，特別是需要數字示波器，否則不容易測量。

頻率計計數電路包括復位電路R2 和C3，通過設計可以獲得高電平或者低電平復位信號，按鍵S3 可以實現手動復位，從而實現計數顯示清零，計數芯片采用CD4518，兩片級聯為4 位十進制計數器，通過JP2（外部輸入脈沖）和JP11（CD4518 脈沖輸入管腳）的不同，可以實現與555 兩類不同的單穩態電路配合，學生需要查閱芯片資料，設計不同的電路，通過測試選擇最后的方案。外部輸入的脈沖采用信號發生器提供，同時需要通過示波器來觀測脈沖信號的頻率、電平幅度和脈沖寬度。

圖3為頻率計顯示電路，采用共陽極數碼管靜態顯示電路，4 位數碼管分別由BCD 碼譯碼器芯片74LS47D 直接驅動。此部分電路不需要學生進行設計，只要頻率計計數器電路設計正確，顯示電路就能正常工作。

圖3 頻率計顯示電路

五、電子測量技術實驗教學實踐

設計制作完畢后的頻率計電路板如圖4所示。

第一版采用學生課外焊接的方式，實驗中問題太多，實驗學時遠遠不夠，沒能很好突出實驗任務，第二版由筆者手動焊接后完整調試，實驗中發給學生，學生通過杜邦線的不同連接實現不同的功能，類似現在實驗設備中常見的實驗箱。通過多次實踐發現效果不錯，達到了實驗目的，制作的電路板主要芯片采用插座，出現問題手動更換芯片即可，可以多年使用，實驗費用低。

圖4 頻率計電路板

六、結論

經過多年多次的電子測量技術實驗教學環節的研究和實踐，解決了沒有專門實驗室的短板，充分利用現有實驗條件，同時通過老師自己制作電路版，很好滿足了綜合設計性實驗要求，制作費用很低，并且可以多年使用，降低了實驗費用。學生通過相關實驗，能進一步理解相關實驗儀器原理，掌握相關操作。

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