探討數(shù)字示波器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

王 旗，胡廣興，杜 安

(東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。它能把肉眼看不見的電信號(hào)變換成看得見的圖象，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程［1］。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測(cè)試各種不同的電學(xué)量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等［2-4］。為適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的需求，我們?cè)诓糠謱?shí)驗(yàn)中用數(shù)字存儲(chǔ)示波器替代了早年的模擬示波器。做為比較我們?cè)趲讉€(gè)不同的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行了數(shù)字示波器與模擬示波器的對(duì)比。

1 模擬示波器和數(shù)字示波器的區(qū)別

模擬示波器核心部件為示波管，教學(xué)主要是圍繞它向?qū)W生講解示波器屏幕上光點(diǎn)、掃描線的產(chǎn)生機(jī)理，待觀察信號(hào)是如何控制光點(diǎn)在屏幕上的位置，以及觸發(fā)掃描等概念。數(shù)字示波器與模擬示波器在電路結(jié)構(gòu)和原理上有許多不同之處，其中最為本質(zhì)的區(qū)別就在于模擬示波器直接采集并顯示被測(cè)信號(hào)而數(shù)字示波器則將輸入模擬信號(hào)通過處理器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行處理后再將其還原成模擬信號(hào)顯示。

在數(shù)字示波器輸入端輸入的模擬信號(hào)經(jīng)放大器放大后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)再存入采集存儲(chǔ)器，然后由觸發(fā)器給出觸發(fā)信號(hào)將采集并存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)傳輸給顯示處理器，在示波器屏幕上顯示輸入信號(hào)，同時(shí)將采集并存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)傳輸給示波器的測(cè)量和分析系統(tǒng)，運(yùn)用示波器內(nèi)安裝的各種應(yīng)用軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種處理，包括存儲(chǔ)、放大、自動(dòng)測(cè)量、數(shù)學(xué)運(yùn)算等等［5］。也可以將信號(hào)從數(shù)字示波器輸出，包括存儲(chǔ)到u盤、輸出到打印機(jī)等。

2 數(shù)字示波器與模擬示波器在“示波器的使用”實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的比較

2．1 方波信號(hào)電壓、周期的測(cè)量

模擬示波器測(cè)方波信號(hào)電壓、周期一般步驟是:

(1)通過調(diào)節(jié)示波器相關(guān)旋鈕，得到穩(wěn)定的電壓波形;

(2)在Y軸方向上讀出電壓上下平臺(tái)對(duì)應(yīng)的格數(shù)n1和對(duì)應(yīng)的電壓靈敏度Volt/Dive;計(jì)算得到電壓;

(3)在X軸方向上讀出一個(gè)周期波形對(duì)應(yīng)的格數(shù)n2和對(duì)應(yīng)的時(shí)間靈敏度Sec/Dive;計(jì)算得到周期;

而數(shù)字示波器是按AUTO鍵即顯示穩(wěn)定的電壓波形、MEASURE鍵顯示的菜單中選擇電壓測(cè)量，可直接讀出5 V，選擇時(shí)間測(cè)量，可以讀出周期1．0 ms，如圖 1 示。

圖1 利用數(shù)字示波器測(cè)量方波信號(hào)

2．2 觀察李薩如圖形

李薩如圖形是指由在互相垂直的方向上的兩個(gè)頻率成簡(jiǎn)單整數(shù)比的簡(jiǎn)諧振動(dòng)所合成的規(guī)則的、穩(wěn)定的閉合曲線。在模擬示波器中由于參與合成的正弦信號(hào)的相位差處于變化狀態(tài)，因而李薩如圖形不可能靜止，這樣會(huì)給學(xué)生畫李薩如圖造成困惑，而數(shù)字存儲(chǔ)示波器就顯示出先天優(yōu)勢(shì)，通過電子技術(shù)讓其靜止下來(lái)。如圖2所示。

圖2 利用數(shù)字示波器測(cè)量李薩如圖形

3 數(shù)字示波器與模擬示波器在“差動(dòng)變壓器測(cè)量位移”實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的比較

差動(dòng)變壓器是一種廣泛用于電子技術(shù)和非電量檢測(cè)中的變壓器裝置。主要用于測(cè)量位移、壓力、振動(dòng)等非電量參量。差動(dòng)變壓器的基本組成部分包括一個(gè)線框和一個(gè)鐵心。在線框上設(shè)置一個(gè)原繞組和兩個(gè)對(duì)稱的副繞組，鐵心放在線框中央的圓柱形孔中。在原繞組中施加交流電壓時(shí)，兩個(gè)副繞組中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u21和u22。如果兩個(gè)副繞組按反向串聯(lián)(圖3)，則它的總輸出電壓u2=u21-u22。當(dāng)鐵心處在中央位置時(shí)，由于對(duì)稱關(guān)系，u21=u22，輸出電壓u2為零。如果鐵心向右移動(dòng)，則穿過副繞組2的磁通將比穿過副繞組1的磁通多，于是差動(dòng)變壓器輸出電壓u2不等于零，而且輸出電壓的大小與鐵心位移x之間基本成線性關(guān)系，其特性如圖4所示，呈V字形。用示波器測(cè)量交流電壓值，即可以得到差動(dòng)變壓器輸出電壓與位移x成比例的線性讀數(shù)。

圖3 差動(dòng)變壓器原理圖

圖4 差動(dòng)變壓器位移電壓理論曲線

分別采用了數(shù)字示波器和模擬示波器做了“差動(dòng)變壓器測(cè)量位移”的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5，圖6所示。從圖中可知，兩種測(cè)量結(jié)果基本一致。但在測(cè)量過程中，在模擬示波器中，測(cè)電壓需要數(shù)格，計(jì)算電壓，誤差較大，圖像中出現(xiàn)了非常明顯的鋸齒狀情況。在數(shù)字示波器中，我們直接使用測(cè)量功能測(cè)量電壓，既提高測(cè)量效率，又提高測(cè)量精度。數(shù)字示波器的使用使得實(shí)驗(yàn)時(shí)間大幅減少，效率提高，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣也大幅增加，可以提高該實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)質(zhì)量。

圖5 利用數(shù)字示波器測(cè)量差動(dòng)變壓器位移特性曲線

圖6 利用模擬示波器測(cè)量差動(dòng)變壓器位移特性曲線

4 數(shù)字示波器在“液晶響應(yīng)時(shí)間測(cè)量”實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的比較

液晶是現(xiàn)今重要的顯示器件，其具有驅(qū)動(dòng)電壓低，功耗極小，體積小，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)?！耙壕У碾姽庑?yīng)”已經(jīng)成為深受學(xué)生喜歡的新增實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一。液晶光開關(guān)的時(shí)間響應(yīng)特性是液晶光電效應(yīng)的重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。加上(或去掉)驅(qū)動(dòng)電壓能使液晶的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，是因?yàn)橐壕У姆肿优判虬l(fā)生了改變，這種重新排序需要一定時(shí)間，反映在時(shí)間響應(yīng)曲線上，用上升時(shí)間τr和下降時(shí)間τd描述。給液晶開關(guān)加上一個(gè)如圖7上圖所示的周期性變化的電壓，就可以測(cè)量得到液晶的時(shí)間響應(yīng)曲線，上升時(shí)間和下降時(shí)間。

液晶的響應(yīng)時(shí)間越短，顯示動(dòng)態(tài)圖像的效果越好，這是液晶顯示器的重要指標(biāo)。用數(shù)字示波器觀察此光開關(guān)時(shí)間響應(yīng)特性曲線，可以看到完整的波形，再利用數(shù)字示波器的測(cè)量功能，即可測(cè)量曲線的上升時(shí)間τr=44．00 ms和下降時(shí)間τd=44．00 ms。而利用模擬示波器，由于本實(shí)驗(yàn)方波信號(hào)頻率很低，約為1 Hz，所以只能看到光點(diǎn)的波動(dòng)，無(wú)法看到全部的波形，也就無(wú)法測(cè)量其上升時(shí)間和下降時(shí)間。

圖7 液晶相應(yīng)時(shí)間特性理論曲線

5 數(shù)字示波器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的效果及意義

1．?dāng)?shù)字示波器具備一些模擬示波器不具備的有點(diǎn):1)體積小、重量輕，便于攜帶，液晶顯示。2)可以貯存波形。并可以對(duì)存儲(chǔ)的波形進(jìn)行放大等多種操作和分析。3)特別適合測(cè)量單次和低頻信號(hào)。測(cè)量低頻時(shí)沒有模擬示波器的閃爍現(xiàn)象。4)可以通過 GPIB、RS232、USB等接口同計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、繪圖儀連接，可以打印、存檔、分析文件。5)有強(qiáng)大的波形處理能力，能自動(dòng)測(cè)量很多參數(shù)。雖然不同廠家和型號(hào)提供的功能有所不同，但它們一般包括諸如頻率、上升時(shí)間、脈沖寬度等等的測(cè)量。

2．?dāng)?shù)字示波器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用可以提高實(shí)驗(yàn)效率，豐富課堂內(nèi)容。

數(shù)字示波器具備了強(qiáng)大的測(cè)量功能，不再需要模擬示波器的數(shù)格，這樣可以極大地加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，提高實(shí)驗(yàn)效率。這樣，一些新實(shí)驗(yàn)，新技術(shù)就可以引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，豐富實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容。

3．?dāng)?shù)字示波器的使用可提高實(shí)驗(yàn)課教學(xué)效果。

數(shù)字示波器提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣程度。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，見到數(shù)字示波器，猶如見到液晶電視替換了顯像管電視，會(huì)認(rèn)為很先進(jìn)，學(xué)習(xí)的意愿也會(huì)大幅增加。在我校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，對(duì)同時(shí)使用過數(shù)字示波器和模擬示波器的學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查，90%左右的學(xué)生明確表示，希望在實(shí)驗(yàn)中使用數(shù)字示波器。另外，由于對(duì)電腦的熟練操作，學(xué)生學(xué)習(xí)使用數(shù)字示波器也更為簡(jiǎn)單、快速。這樣，實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)會(huì)改善很多，教學(xué)效果也會(huì)大幅提高。

綜上，數(shù)字示波器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用已勢(shì)在必行，電子集成技術(shù)的飛速發(fā)展已改變了物理實(shí)驗(yàn)上課方式，在培養(yǎng)人才過程中越來(lái)越起到主要作用。數(shù)字示波器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用將會(huì)給課程帶來(lái)一次革命，使得我們有機(jī)會(huì)去發(fā)展物理實(shí)驗(yàn)課，將新技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)課。

［1］ 劉靜，劉國(guó)良，趙濤．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］．沈陽(yáng):東北大學(xué)出版社，2009:66-68．

［2］ 樊振軍，張自力，鄭志遠(yuǎn)，等．示波器在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010，23(3):33-35．

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