模塊化設計在電子測量與儀器實驗教學改革中的應用

黃源

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

關鍵詞：電子測量與儀器；模塊化設計；計數器

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：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專業的重要課程，主要運用電子科學的原理、方法和設備對各種電量及電路元件的特性和參數進行測量[1]。使學生掌握電子測量的基本概念，測量誤差理論及數據處理方法，掌握基本電參量的測量原理、方案設計及結果分析方法。

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

二、實驗教學過程中的不足

以計數器實驗為例，計數器實驗要求了解和掌握通用計數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，直接使用通用計數器進行相關參數的測量。雖然在實驗之前會向學生講解相關測量原理，但學生往往只記住了通用計數器的操作方法，即如何測量頻率、周期和頻率比，而對于通用計數器的內部工作原理則沒有結合理論課上的內容進行深究。這樣，實驗效果大打折扣，學生的認識還只是停留在表面，沒有自覺的深入探討工作原理，理論與實際沒能結合到一起。

三、改進思路

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

計數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，經過放大整形后變成標準的方波。門控電路產生門控信號，控制閘門的開啟和關閉。閘門可以用邏輯門電路中的與門來實現，門控信號為低電平時，與門關閉，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時間為閘門時間。閘門時間內通過的方波送入計數器進行計數，并將計數結果顯示出來。計數結果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的方波高電平持續期間，fg信號可以通過閘門，計數器對fg進行計數。計數結果N再乘以fg的周期tg即得到高電平持續的時間，若高低電平時間相等，那么fA的周期應為N*tg*2。

計數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fA的頻率大于fB的頻率。fA經過放大整形后直接送到閘門的輸入端，而fB經過放大整形后的信號作為閘門信號輸入。此時，在fB高電平持續期間，fA整形后的方波能通過閘門進入計數器進行計數，計數的結果是fB的半個周期內（假設fB的正負半周期相等）通過的fA的脈沖數，因而頻率比為計數結果N*2。

根據以上的分析，測量電路中的關鍵模塊為：放大整形電路、閘門、門控電路、計數器及顯示器。因此，設計圖3所示的電路模塊。其中，計數器及門控電路由單片機構成，可以通過鍵盤設置標準閘門信號的時間長短。將這幾個模塊使用PCB電路板實現，要求學生根據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。并寫出計算表達式。期間，要求學生使用示波器對連線的各個結點的波形進行測量記錄，進一步領會相應的測量原理。這樣，學生面對的是這幾個抽取出來的主要模塊，對通用計數器內部結構會有一個更清晰的認識，能夠將注意力放在測量原理上。

四、結論

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

1.將通用計數器內部結構通過若干主要模塊體現出來，屏蔽了一定細節，減少了學生的重復勞動，有助于學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，實現的測量目標（測頻、測周、測頻率比）也不同，有助于學生靈活運用所學知識，提高動手能力；

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

參考文獻：

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

[2]林占江.電子測量實驗教程[M].北京：電子工業出版社，2010.

[3]張成亮，李衛兵，杜玉杰.電子測量設計性實驗研究[J].實驗科學與技術，2011，9（6）.