電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐

河南南陽(yáng)理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 郭建昌 張 戈

電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)本學(xué)院沒(méi)有專門(mén)的實(shí)驗(yàn)室，但基本的測(cè)量理論需要相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)一些基本的電子測(cè)量?jī)x器也需要學(xué)生掌握基本操作，而這些儀器正是為電子類學(xué)科相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)所需要的。基于多年來(lái)的電子測(cè)量技術(shù)理論教學(xué)，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件，充分考慮學(xué)生具有的相關(guān)知識(shí)，對(duì)電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，提出具體的實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行實(shí)踐，特別是最后的綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)。

一、電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求

1.電子測(cè)量技術(shù)理論課基本內(nèi)容

電子測(cè)量技術(shù)教學(xué)大綱有幾次修改，但都包括如下基本內(nèi)容：①數(shù)據(jù)處理和誤差分析；②信號(hào)發(fā)生器；③時(shí)頻測(cè)量；④電壓測(cè)量；⑤時(shí)域測(cè)量。

2.電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

通過(guò)研究電子測(cè)量技術(shù)理論課基本內(nèi)容，確定電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要包括如下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：①信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)；②時(shí)頻測(cè)量實(shí)驗(yàn)；③電壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)；④示時(shí)域測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

數(shù)據(jù)處理和誤差分析包含在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中。

3.電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要的儀器

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，可以確定需要的儀器主要包括：信號(hào)發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、交流毫伏表、示波器、數(shù)字萬(wàn)用表。

電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒(méi)有專門(mén)的實(shí)驗(yàn)室，剛開(kāi)設(shè)時(shí)都用來(lái)擴(kuò)充理論課教學(xué)。通過(guò)研究基本實(shí)驗(yàn)儀器需求，確定這些儀器在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室中基本都用，其后的實(shí)驗(yàn)課都開(kāi)設(shè)在此實(shí)驗(yàn)室。但實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)缺少綜合設(shè)計(jì)類的實(shí)驗(yàn)，全部都是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)進(jìn)一步研究實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)室具有的儀器及學(xué)生具有的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)了電子測(cè)量技術(shù)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而形成了完整的電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

二、電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

表1 電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

通過(guò)多年研究和教學(xué)實(shí)踐，最后形成的電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中1、2、3 為基本實(shí)驗(yàn)，充分利用模擬電子實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)儀器，但綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)4 所需要的頻率計(jì)電路板實(shí)驗(yàn)室中沒(méi)有，所以采取動(dòng)手設(shè)計(jì)頻率計(jì)電路板，并完成焊接及相關(guān)功能的調(diào)試。

三、頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)此實(shí)驗(yàn)的目的是完成電子測(cè)量技術(shù)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，把已經(jīng)初步掌握的三個(gè)基本實(shí)驗(yàn)中涉及的儀器操作進(jìn)一步綜合應(yīng)用，通過(guò)動(dòng)手設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容，同時(shí)能結(jié)合學(xué)生已經(jīng)具有的知識(shí)。通過(guò)研究和實(shí)踐，最后形成了頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

此設(shè)計(jì)方案完全根據(jù)電子測(cè)量技術(shù)中頻率的定義來(lái)實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)（1 秒）內(nèi)周期性事件重復(fù)的次數(shù)。周期性事件采用信號(hào)發(fā)生器提供的周期性脈沖信號(hào)，單位時(shí)間采用模擬電子技術(shù)試驗(yàn)過(guò)的555 單穩(wěn)態(tài)電路提供，重復(fù)的次數(shù)采用在數(shù)字電子技術(shù)試驗(yàn)過(guò)的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，顯示采用數(shù)碼管來(lái)直接顯示被測(cè)量對(duì)象的頻率，一共4 位。

該方案工作原理如下：555 單穩(wěn)態(tài)電路輸出單位時(shí)間1 秒，控制頻率計(jì)計(jì)數(shù)器對(duì)輸入的周期性脈沖在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)，然后通過(guò)頻率計(jì)顯示器顯示計(jì)數(shù)結(jié)果，即為周期脈沖的頻率。

在設(shè)計(jì)方中充分考慮實(shí)驗(yàn)的綜合性、設(shè)計(jì)性和具有的相關(guān)知識(shí)。在綜合性方面，此設(shè)計(jì)方案把前面三個(gè)實(shí)驗(yàn)中用的主要儀器操作和參數(shù)測(cè)量都使用到；在設(shè)計(jì)性方面，主要功能模塊555 單穩(wěn)態(tài)電路和頻率計(jì)計(jì)數(shù)器電路學(xué)生可以查閱資料自行設(shè)計(jì)，具體見(jiàn)頻率計(jì)電路詳細(xì)設(shè)計(jì)。

四、頻率計(jì)電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

圖1 頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)方案

頻率計(jì)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(yàn)臺(tái)，免去額外電源，當(dāng)然也配有USB 接口的電源線，學(xué)生可以采用手機(jī)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(shè)計(jì)相關(guān)電路時(shí)采用杜邦線連接。另外還包括電源指示燈和電源開(kāi)關(guān)。

555 單穩(wěn)態(tài)電路的時(shí)間常數(shù)包括電位器R1 和C2，通過(guò)調(diào)整電位器R1 可以改變時(shí)間常數(shù)，獲得需要的單位時(shí)間1 秒，按鍵S2 為觸發(fā)按鍵，按下S2 即可獲得單位時(shí)間，C2 兩端采用插針，根據(jù)需要可以設(shè)計(jì)為高電平或者低電平暫態(tài)輸出，指示燈可以指示單穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)。單位時(shí)間可以通過(guò)示波器來(lái)測(cè)量，特別是需要數(shù)字示波器，否則不容易測(cè)量。

頻率計(jì)計(jì)數(shù)電路包括復(fù)位電路R2 和C3，通過(guò)設(shè)計(jì)可以獲得高電平或者低電平復(fù)位信號(hào)，按鍵S3 可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)顯示清零，計(jì)數(shù)芯片采用CD4518，兩片級(jí)聯(lián)為4 位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，通過(guò)JP2（外部輸入脈沖）和JP11（CD4518 脈沖輸入管腳）的不同，可以實(shí)現(xiàn)與555 兩類不同的單穩(wěn)態(tài)電路配合，學(xué)生需要查閱芯片資料，設(shè)計(jì)不同的電路，通過(guò)測(cè)試選擇最后的方案。外部輸入的脈沖采用信號(hào)發(fā)生器提供，同時(shí)需要通過(guò)示波器來(lái)觀測(cè)脈沖信號(hào)的頻率、電平幅度和脈沖寬度。

圖3為頻率計(jì)顯示電路，采用共陽(yáng)極數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路，4 位數(shù)碼管分別由BCD 碼譯碼器芯片74LS47D 直接驅(qū)動(dòng)。此部分電路不需要學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)，只要頻率計(jì)計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)正確，顯示電路就能正常工作。

圖3 頻率計(jì)顯示電路

五、電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

設(shè)計(jì)制作完畢后的頻率計(jì)電路板如圖4所示。

第一版采用學(xué)生課外焊接的方式，實(shí)驗(yàn)中問(wèn)題太多，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，沒(méi)能很好突出實(shí)驗(yàn)任務(wù)，第二版由筆者手動(dòng)焊接后完整調(diào)試，實(shí)驗(yàn)中發(fā)給學(xué)生，學(xué)生通過(guò)杜邦線的不同連接實(shí)現(xiàn)不同的功能，類似現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)設(shè)備中常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)箱。通過(guò)多次實(shí)踐發(fā)現(xiàn)效果不錯(cuò)，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康模谱鞯碾娐钒逯饕酒捎貌遄霈F(xiàn)問(wèn)題手動(dòng)更換芯片即可，可以多年使用，實(shí)驗(yàn)費(fèi)用低。

圖4 頻率計(jì)電路板

六、結(jié)論

經(jīng)過(guò)多年多次的電子測(cè)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的研究和實(shí)踐，解決了沒(méi)有專門(mén)實(shí)驗(yàn)室的短板，充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)通過(guò)老師自己制作電路版，很好滿足了綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求，制作費(fèi)用很低，并且可以多年使用，降低了實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。學(xué)生通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，能進(jìn)一步理解相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器原理，掌握相關(guān)操作。

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