模擬示波器和數(shù)字示波器在高中物理實(shí)驗(yàn)中的比較分析

蔣將

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及教育體制的改革，模擬示波器和數(shù)字示波器被廣泛應(yīng)用在我國(guó)高中物理實(shí)驗(yàn)中，促進(jìn)了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果的提升。一般而言，示波器作為一種實(shí)驗(yàn)儀器，其主要是對(duì)電信號(hào)波形進(jìn)行測(cè)量，能夠?qū)㈦妷弘S時(shí)間變化的波形更加形象顯示出來(lái)，并對(duì)相位和頻率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。本文就對(duì)模擬示波器和數(shù)字示波器在高中物理實(shí)驗(yàn)中的比較進(jìn)行深入分析和探討。

關(guān)鍵詞：模擬示波器;數(shù)字示波器;高中物理實(shí)驗(yàn);比較

收稿日期：2015-08-24

示波器作為信號(hào)特性測(cè)試的儀器，其能夠?qū)﹄娐穼?shí)驗(yàn)的現(xiàn)象進(jìn)行觀察，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，測(cè)量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。[1]示波器包括數(shù)字示波器和模擬示波器，由于兩者的工作原理不同，導(dǎo)致其特征也不盡相同，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也不同。

一、模擬示波器概述

模擬示波器主要是通過(guò)電子示波管的特性，將交變電信號(hào)用圖像的形式展示出來(lái)。其工作原理主要是指被測(cè)信號(hào)在傳播的過(guò)程中逐漸衰減，并傳送至兩個(gè)放大器中，信號(hào)放大之后會(huì)加至示波管上。同時(shí)測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)觸發(fā)電路時(shí)，會(huì)有觸發(fā)脈沖產(chǎn)生，從而促進(jìn)掃描電路的啟動(dòng)，產(chǎn)生掃描電壓，并且該電壓利用放大器加以輸出，加到示波器上。[2]一般而言，模擬示波器能夠快速實(shí)時(shí)顯示波形，并且波形真實(shí)，具有較高的波形捕獲率，能夠有效控制亮度和聚焦，確保顯示結(jié)果的清晰和銳利。當(dāng)然其也存在不足之處，如只能邊沿觸發(fā)、準(zhǔn)確度低、無(wú)法觀察瞬變信號(hào)和非重復(fù)性信號(hào)等。

二、數(shù)字示波器概述

數(shù)字示波器在對(duì)波形進(jìn)行輸入時(shí)，主要是對(duì)規(guī)則的間隔進(jìn)行采樣，并在內(nèi)部存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)由采樣模擬值轉(zhuǎn)換成的數(shù)字碼，然后恢復(fù)數(shù)字碼，在屏幕上顯示波形。數(shù)字示波器的工作原理主要是指在輸入端將信號(hào)輸入，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蛩p，將信號(hào)輸送到A/D轉(zhuǎn)換器，然后在采集存儲(chǔ)器中存入，利用微處理器在LCD屏幕上顯示出波形。數(shù)字示波器的特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，可在軟磁盤(pán)、硬盤(pán)和內(nèi)存中存入波形，并且波形能夠與打印機(jī)和繪圖儀進(jìn)行連接，從而進(jìn)行硬拷貝。二是處理波形，內(nèi)部的微處理器能夠有效處理各種類型的波形。三是具有先進(jìn)的觸發(fā)功能，如預(yù)觸發(fā)、漏失、TV等。四是具有信號(hào)處理功能以及自動(dòng)設(shè)置功能。當(dāng)然數(shù)字示波器存在無(wú)法實(shí)時(shí)顯示、二維顯示難以將事件發(fā)生頻度進(jìn)行標(biāo)明、缺乏亮度等級(jí)等缺陷。

三、模擬示波器和數(shù)字示波器在高中物理實(shí)驗(yàn)中的比較分析

（1）模擬電路實(shí)驗(yàn)。對(duì)于單級(jí)放大電路實(shí)驗(yàn)而言，在采用模擬電子技術(shù)時(shí)，如果正弦波信號(hào)在輸入過(guò)程中不超過(guò)5mV時(shí)，可以利用模擬示波器對(duì)輸出與輸入波形的穩(wěn)定性加以觀察。同時(shí)也可利用數(shù)字示波器對(duì)波形的毛刺進(jìn)行觀察，但是其往往難以測(cè)量，其主要原因就是數(shù)字示波器會(huì)捕捉到干擾的信號(hào)，而難以觀察到主要的小信號(hào)。此外，在進(jìn)行微分和積分電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以對(duì)模擬示波器和數(shù)字示波器的數(shù)據(jù)測(cè)量和波形觀察進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)這兩種示波器在觀察波形時(shí)，能夠進(jìn)行較好地觀察，并且度數(shù)沒(méi)有出現(xiàn)較大誤差。

（2）信號(hào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。在系統(tǒng)和信號(hào)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)RC濾波的幅頻特性進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)于正弦波信號(hào)輸入電壓而言，其幅度要保持不變，改變其頻率，從而對(duì)RC濾波器中的輸出端電壓幅值進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)輸出和輸入的波形加以觀察。如果信號(hào)頻率低，采用模擬示波器進(jìn)行觀察，可知輸入和輸出的波形不穩(wěn)定，并且如果信號(hào)從左至右進(jìn)行快速移動(dòng)時(shí)，則難以測(cè)量和觀察，只有升高頻率，使其達(dá)到1kHz，波形才會(huì)穩(wěn)定。此外利用數(shù)字示波器進(jìn)行觀察時(shí)，如果頻率低至130Hz時(shí)，輸入和輸出的波形較為穩(wěn)定。

（3）電視技術(shù)實(shí)驗(yàn)。在調(diào)整全電視信號(hào)過(guò)程中，模擬示波器能夠?qū)⒘炼茸兓?、波形?xì)節(jié)以及彩色調(diào)制等情況進(jìn)行顯示;而在應(yīng)用數(shù)字示波器時(shí)，往往難以及時(shí)有效反映出波形的細(xì)節(jié)信息。一般情況下，如果信號(hào)具有重復(fù)性和簡(jiǎn)單性特點(diǎn)，可以利用數(shù)字示波器和模擬示波器對(duì)其進(jìn)行觀察。在調(diào)整信號(hào)時(shí)，則應(yīng)采用模式示波器，而在對(duì)單次高速信號(hào)或慢速信號(hào)進(jìn)行觀察時(shí)，則應(yīng)采用數(shù)字視示波器。

總之，在高中物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用模擬示波器和數(shù)字示波器，必須要對(duì)這兩種示波器的工作原理以及優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)了解和掌握，正確使用示波器，從而確保數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李 杉，趙 輝.數(shù)字示波器的優(yōu)點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)[J].科技傳播， 2012，（16）：172-173.

[2]劉 暢.中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化策略研究[D].長(zhǎng)春：東北師范大學(xué)，2013.