王 旗，胡廣興，杜 安

(東北大學，遼寧 沈陽 110819)

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖象，便于人們研究各種電現象的變化過程［1］。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電學量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等［2-4］。為適應現代技術發(fā)展的需求，我們在部分實驗中用數字存儲示波器替代了早年的模擬示波器。做為比較我們在幾個不同的大學物理實驗中，進行了數字示波器與模擬示波器的對比。

1 模擬示波器和數字示波器的區(qū)別

模擬示波器核心部件為示波管，教學主要是圍繞它向學生講解示波器屏幕上光點、掃描線的產生機理，待觀察信號是如何控制光點在屏幕上的位置，以及觸發(fā)掃描等概念。數字示波器與模擬示波器在電路結構和原理上有許多不同之處，其中最為本質的區(qū)別就在于模擬示波器直接采集并顯示被測信號而數字示波器則將輸入模擬信號通過處理器轉換為數字信號并進行處理后再將其還原成模擬信號顯示。

在數字示波器輸入端輸入的模擬信號經放大器放大后通過A/D轉換器轉換為數字信號再存入采集存儲器，然后由觸發(fā)器給出觸發(fā)信號將采集并存儲的數字信號傳輸給顯示處理器，在示波器屏幕上顯示輸入信號，同時將采集并存儲的數字信號傳輸給示波器的測量和分析系統(tǒng)，運用示波器內安裝的各種應用軟件對信號進行各種處理，包括存儲、放大、自動測量、數學運算等等［5］。也可以將信號從數字示波器輸出，包括存儲到u盤、輸出到打印機等。

2 數字示波器與模擬示波器在“示波器的使用”實驗中應用的比較

2．1 方波信號電壓、周期的測量

模擬示波器測方波信號電壓、周期一般步驟是:

(1)通過調節(jié)示波器相關旋鈕，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對應的格數n1和對應的電壓靈敏度Volt/Dive;計算得到電壓;

(3)在X軸方向上讀出一個周期波形對應的格數n2和對應的時間靈敏度Sec/Dive;計算得到周期;

而數字示波器是按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量，可直接讀出5 V，選擇時間測量，可以讀出周期1．0 ms，如圖 1 示。

圖1 利用數字示波器測量方波信號

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頻率成簡單整數比的簡諧振動所合成的規(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，這樣會給學生畫李薩如圖造成困惑，而數字存儲示波器就顯示出先天優(yōu)勢，通過電子技術讓其靜止下來。如圖2所示。

圖2 利用數字示波器測量李薩如圖形

3 數字示波器與模擬示波器在“差動變壓器測量位移”實驗中應用的比較

差動變壓器是一種廣泛用于電子技術和非電量檢測中的變壓器裝置。主要用于測量位移、壓力、振動等非電量參量。差動變壓器的基本組成部分包括一個線框和一個鐵心。在線框上設置一個原繞組和兩個對稱的副繞組，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，兩個副繞組中就會產生感應電動勢u21和u22。如果兩個副繞組按反向串聯(lián)(圖3)，則它的總輸出電壓u2=u21-u22。當鐵心處在中央位置時，由于對稱關系，u21=u22，輸出電壓u2為零。如果鐵心向右移動，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之間基本成線性關系，其特性如圖4所示，呈V字形。用示波器測量交流電壓值，即可以得到差動變壓器輸出電壓與位移x成比例的線性讀數。

圖3 差動變壓器原理圖

圖4 差動變壓器位移電壓理論曲線

分別采用了數字示波器和模擬示波器做了“差動變壓器測量位移”的實驗，結果如圖5，圖6所示。從圖中可知，兩種測量結果基本一致。但在測量過程中，在模擬示波器中，測電壓需要數格，計算電壓，誤差較大，圖像中出現了非常明顯的鋸齒狀情況。在數字示波器中，我們直接使用測量功能測量電壓，既提高測量效率，又提高測量精度。數字示波器的使用使得實驗時間大幅減少，效率提高，學生實驗的興趣也大幅增加，可以提高該實驗的課堂教學質量。

圖5 利用數字示波器測量差動變壓器位移特性曲線

圖6 利用模擬示波器測量差動變壓器位移特性曲線

4 數字示波器在“液晶響應時間測量”實驗中應用的比較

液晶是現今重要的顯示器件，其具有驅動電壓低，功耗極小，體積小，壽命長等優(yōu)點?！耙壕У碾姽庑币呀洺蔀樯钍軐W生喜歡的新增實驗項目之一。液晶光開關的時間響應特性是液晶光電效應的重要實驗內容。加上(或去掉)驅動電壓能使液晶的開關狀態(tài)發(fā)生改變，是因為液晶的分子排序發(fā)生了改變，這種重新排序需要一定時間，反映在時間響應曲線上，用上升時間τr和下降時間τd描述。給液晶開關加上一個如圖7上圖所示的周期性變化的電壓，就可以測量得到液晶的時間響應曲線，上升時間和下降時間。

液晶的響應時間越短，顯示動態(tài)圖像的效果越好，這是液晶顯示器的重要指標。用數字示波器觀察此光開關時間響應特性曲線，可以看到完整的波形，再利用數字示波器的測量功能，即可測量曲線的上升時間τr=44．00 ms和下降時間τd=44．00 ms。而利用模擬示波器，由于本實驗方波信號頻率很低，約為1 Hz，所以只能看到光點的波動，無法看到全部的波形，也就無法測量其上升時間和下降時間。

圖7 液晶相應時間特性理論曲線

5 數字示波器在大學物理實驗教學中應用的效果及意義

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

2．數字示波器在大學物理實驗中的應用可以提高實驗效率，豐富課堂內容。

數字示波器具備了強大的測量功能，不再需要模擬示波器的數格，這樣可以極大地加快實驗進程，提高實驗效率。這樣，一些新實驗，新技術就可以引入到大學物理實驗，豐富實驗課程的內容。

3．數字示波器的使用可提高實驗課教學效果。

數字示波器提高了學生對實驗的興趣程度。學生進入實驗室后，見到數字示波器，猶如見到液晶電視替換了顯像管電視，會認為很先進，學習的意愿也會大幅增加。在我校物理實驗教學中心，對同時使用過數字示波器和模擬示波器的學生進行了調查，90%左右的學生明確表示，希望在實驗中使用數字示波器。另外，由于對電腦的熟練操作，學生學習使用數字示波器也更為簡單、快速。這樣，實驗課堂的教學會改善很多，教學效果也會大幅提高。

綜上，數字示波器在大學物理實驗教學中的應用已勢在必行，電子集成技術的飛速發(fā)展已改變了物理實驗上課方式，在培養(yǎng)人才過程中越來越起到主要作用。數字示波器在大學物理實驗教學中的應用將會給課程帶來一次革命，使得我們有機會去發(fā)展物理實驗課，將新技術引入實驗課。

［1］ 劉靜，劉國良，趙濤．大學物理實驗［M］．沈陽:東北大學出版社，2009:66-68．

［2］ 樊振軍，張自力，鄭志遠，等．示波器在物理實驗教學中的應用［J］．大學物理實驗，2010，23(3):33-35．

［3］ 王素紅，張曉旭．基于示波器使用的系列拓展實驗研究［J］．大學物理實驗，2012，25(1):30-31．

［4］ 王全宇．示波器掃描與觸發(fā)方式的選擇［J］．大學物理實驗，2010，23(3):20-22．

［5］ 鄭航．利用數字示波器測量RC電路的時間常數［J］．大學物理實驗，2013，26(6):52-54．