模块化设计在电子测量与仪器实验教学改革中的应用

摘要：电子测量与仪器是测控专业的重要课程。针对以往该课程实验教学中存在的不足，结合专业实际情况，提出了模块化设计的改进思路，并以计数器实验为例，阐明了模块化设计的实现。在实验教学过程中，取得了良好的教学效果。

关键词：电子测量与仪器；模块化设计；计数器

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）01-0260-02

一、引言

电子测量与仪器课程是测控相关专业的重要课程，主要运用电子科学的原理、方法和设备对各种电量及电路元件的特性和参数进行测量[1]。使学生掌握电子测量的基本概念，测量误差理论及数据处理方法，掌握基本电参量的测量原理、方案设计及结果分析方法。

该课程所包含的实验要求学生熟悉常用仪器仪表（电压表、示波器、计数器、信号源等）的使用[2]，掌握仪器仪表工作原理，学会利用现有设备采取正确的测试方案进行一些简单的测量，能根据所学知识综合设计简单的测量电路。

二、实验教学过程中的不足

以计数器实验为例，计数器实验要求了解和掌握通用计数器的组成及工作原理和操作方法，掌握频率比测量方法和测量误差处理方法。在以往的实验过程中，直接使用通用计数器进行相关参数的测量。虽然在实验之前会向学生讲解相关测量原理，但学生往往只记住了通用计数器的操作方法，即如何测量频率、周期和频率比，而对于通用计数器的内部工作原理则没有结合理论课上的内容进行深究。这样，实验效果大打折扣，学生的认识还只是停留在表面，没有自觉的深入探讨工作原理，理论与实际没能结合到一起。

三、改进思路

针对这个问题，可以将实验改成设计性实验。设计性实验教学对学生技能的提高，思考方法的训练，知识的综合运用起了很好的作用[3]。如果让学生自己设计制作一个简易的通用计数器，当然会有一定的改进效果。但又有可能让学生的注意力转移到了调试细节上，而又重新忽视了测量原理。因此，在细节的划分上要有一个折中，模块化设计是一个解决方案。我们重新设计了实验项目，制作了实验板，将通用计数器内部的主要模块分离出来，体现在实验板上。

计数器测量信号频率的原理框图如图1所示，其中，fA为被测信号，经过放大整形后变成标准的方波。门控电路产生门控信号，控制闸门的开启和关闭。闸门可以用逻辑门电路中的与门来实现，门控信号为低电平时，与门关闭，方波信号不能通过与门；门控信号为高电平时与门打开，方波信号能通过，此时要求门控信号的频率要小于方波信号。门控信号的高电平持续时间为闸门时间。闸门时间内通过的方波送入计数器进行计数，并将计数结果显示出来。计数结果N再除以已知的闸门时间即得到fA的频率。

将图1所示的原理框图稍作修改就可以用来测量信号周期。将fA整形后的方波看成门控信号，而将原来的门控信号频率提高并看成被测信号fg，此时fg的频率要高于fA且fg的周期已知。这样，在fA的方波高电平持续期间，fg信号可以通过闸门，计数器对fg进行计数。计数结果N再乘以fg的周期tg即得到高电平持续的时间，若高低电平时间相等，那么fA的周期应为N*tg*2。

计数器测量两个信号频率比的原理框图如图2所示，fA与fB为不同频率的两个输入信号，假设fA的频率大于fB的频率。fA经过放大整形后直接送到闸门的输入端，而fB经过放大整形后的信号作为闸门信号输入。此时，在fB高电平持续期间，fA整形后的方波能通过闸门进入计数器进行计数，计数的结果是fB的半个周期内（假设fB的正负半周期相等）通过的fA的脉冲数，因而频率比为计数结果N*2。

根据以上的分析，测量电路中的关键模块为：放大整形电路、闸门、门控电路、计数器及显示器。因此，设计图3所示的电路模块。其中，计数器及门控电路由单片机构成，可以通过键盘设置标准闸门信号的时间长短。将这几个模块使用PCB电路板实现，要求学生根据测量原理在这几个模块之间进行连线，搭建正确的电路对信号的频率、周期以及频率比进行测量。并写出计算表达式。期间，要求学生使用示波器对连线的各个结点的波形进行测量记录，进一步领会相应的测量原理。这样，学生面对的是这几个抽取出来的主要模块，对通用计数器内部结构会有一个更清晰的认识，能够将注意力放在测量原理上。

四、结论

该实验板在我院2012级测控专业与自动化专业中进行了使用，取得了较好的实验效果。主要体现在以下几个方面：

1.将通用计数器内部结构通过若干主要模块体现出来，屏蔽了一定细节，减少了学生的重复劳动，有助于学生将注意力集中到理解测频原理上来；

2.同样的几个模块，连接方法不同，实现的测量目标（测频、测周、测频率比）也不同，有助于学生灵活运用所学知识，提高动手能力；

3.通过使用示波器测量各个连接点的波形，有助于学生理论联系实际，提高电路调试能力。

参考文献：

[1]陈尚松，郭庆.电子测量与仪器（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]林占江.电子测量实验教程[M].北京：电子工业出版社，2010.

[3]张成亮，李卫兵，杜玉杰.电子测量设计性实验研究[J].实验科学与技术，2011，9（6）.