王 旗，胡广兴，杜 安

(东北大学，辽宁 沈阳 110819)

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程［1］。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电学量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等［2-4］。为适应现代技术发展的需求，我们在部分实验中用数字存储示波器替代了早年的模拟示波器。做为比较我们在几个不同的大学物理实验中，进行了数字示波器与模拟示波器的对比。

1 模拟示波器和数字示波器的区别

模拟示波器核心部件为示波管，教学主要是围绕它向学生讲解示波器屏幕上光点、扫描线的产生机理，待观察信号是如何控制光点在屏幕上的位置，以及触发扫描等概念。数字示波器与模拟示波器在电路结构和原理上有许多不同之处，其中最为本质的区别就在于模拟示波器直接采集并显示被测信号而数字示波器则将输入模拟信号通过处理器转换为数字信号并进行处理后再将其还原成模拟信号显示。

在数字示波器输入端输入的模拟信号经放大器放大后通过A/D转换器转换为数字信号再存入采集存储器，然后由触发器给出触发信号将采集并存储的数字信号传输给显示处理器，在示波器屏幕上显示输入信号，同时将采集并存储的数字信号传输给示波器的测量和分析系统，运用示波器内安装的各种应用软件对信号进行各种处理，包括存储、放大、自动测量、数学运算等等［5］。也可以将信号从数字示波器输出，包括存储到u盘、输出到打印机等。

2 数字示波器与模拟示波器在“示波器的使用”实验中应用的比较

2．1 方波信号电压、周期的测量

模拟示波器测方波信号电压、周期一般步骤是:

(1)通过调节示波器相关旋钮，得到稳定的电压波形;

(2)在Y轴方向上读出电压上下平台对应的格数n1和对应的电压灵敏度Volt/Dive;计算得到电压;

(3)在X轴方向上读出一个周期波形对应的格数n2和对应的时间灵敏度Sec/Dive;计算得到周期;

而数字示波器是按AUTO键即显示稳定的电压波形、MEASURE键显示的菜单中选择电压测量，可直接读出5 V，选择时间测量，可以读出周期1．0 ms，如图 1 示。

图1 利用数字示波器测量方波信号

2．2 观察李萨如图形

李萨如图形是指由在互相垂直的方向上的两个频率成简单整数比的简谐振动所合成的规则的、稳定的闭合曲线。在模拟示波器中由于参与合成的正弦信号的相位差处于变化状态，因而李萨如图形不可能静止，这样会给学生画李萨如图造成困惑，而数字存储示波器就显示出先天优势，通过电子技术让其静止下来。如图2所示。

图2 利用数字示波器测量李萨如图形

3 数字示波器与模拟示波器在“差动变压器测量位移”实验中应用的比较

差动变压器是一种广泛用于电子技术和非电量检测中的变压器装置。主要用于测量位移、压力、振动等非电量参量。差动变压器的基本组成部分包括一个线框和一个铁心。在线框上设置一个原绕组和两个对称的副绕组，铁心放在线框中央的圆柱形孔中。在原绕组中施加交流电压时，两个副绕组中就会产生感应电动势u21和u22。如果两个副绕组按反向串联(图3)，则它的总输出电压u2=u21-u22。当铁心处在中央位置时，由于对称关系，u21=u22，输出电压u2为零。如果铁心向右移动，则穿过副绕组2的磁通将比穿过副绕组1的磁通多，于是差动变压器输出电压u2不等于零，而且输出电压的大小与铁心位移x之间基本成线性关系，其特性如图4所示，呈V字形。用示波器测量交流电压值，即可以得到差动变压器输出电压与位移x成比例的线性读数。

图3 差动变压器原理图

图4 差动变压器位移电压理论曲线

分别采用了数字示波器和模拟示波器做了“差动变压器测量位移”的实验，结果如图5，图6所示。从图中可知，两种测量结果基本一致。但在测量过程中，在模拟示波器中，测电压需要数格，计算电压，误差较大，图像中出现了非常明显的锯齿状情况。在数字示波器中，我们直接使用测量功能测量电压，既提高测量效率，又提高测量精度。数字示波器的使用使得实验时间大幅减少，效率提高，学生实验的兴趣也大幅增加，可以提高该实验的课堂教学质量。

图5 利用数字示波器测量差动变压器位移特性曲线

图6 利用模拟示波器测量差动变压器位移特性曲线

4 数字示波器在“液晶响应时间测量”实验中应用的比较

液晶是现今重要的显示器件，其具有驱动电压低，功耗极小，体积小，寿命长等优点。“液晶的电光效应”已经成为深受学生喜欢的新增实验项目之一。液晶光开关的时间响应特性是液晶光电效应的重要实验内容。加上(或去掉)驱动电压能使液晶的开关状态发生改变，是因为液晶的分子排序发生了改变，这种重新排序需要一定时间，反映在时间响应曲线上，用上升时间τr和下降时间τd描述。给液晶开关加上一个如图7上图所示的周期性变化的电压，就可以测量得到液晶的时间响应曲线，上升时间和下降时间。

液晶的响应时间越短，显示动态图像的效果越好，这是液晶显示器的重要指标。用数字示波器观察此光开关时间响应特性曲线，可以看到完整的波形，再利用数字示波器的测量功能，即可测量曲线的上升时间τr=44．00 ms和下降时间τd=44．00 ms。而利用模拟示波器，由于本实验方波信号频率很低，约为1 Hz，所以只能看到光点的波动，无法看到全部的波形，也就无法测量其上升时间和下降时间。

图7 液晶相应时间特性理论曲线

5 数字示波器在大学物理实验教学中应用的效果及意义

1．数字示波器具备一些模拟示波器不具备的有点:1)体积小、重量轻，便于携带，液晶显示。2)可以贮存波形。并可以对存储的波形进行放大等多种操作和分析。3)特别适合测量单次和低频信号。测量低频时没有模拟示波器的闪烁现象。4)可以通过 GPIB、RS232、USB等接口同计算机、打印机、绘图仪连接，可以打印、存档、分析文件。5)有强大的波形处理能力，能自动测量很多参数。虽然不同厂家和型号提供的功能有所不同，但它们一般包括诸如频率、上升时间、脉冲宽度等等的测量。

2．数字示波器在大学物理实验中的应用可以提高实验效率，丰富课堂内容。

数字示波器具备了强大的测量功能，不再需要模拟示波器的数格，这样可以极大地加快实验进程，提高实验效率。这样，一些新实验，新技术就可以引入到大学物理实验，丰富实验课程的内容。

3．数字示波器的使用可提高实验课教学效果。

数字示波器提高了学生对实验的兴趣程度。学生进入实验室后，见到数字示波器，犹如见到液晶电视替换了显像管电视，会认为很先进，学习的意愿也会大幅增加。在我校物理实验教学中心，对同时使用过数字示波器和模拟示波器的学生进行了调查，90%左右的学生明确表示，希望在实验中使用数字示波器。另外，由于对电脑的熟练操作，学生学习使用数字示波器也更为简单、快速。这样，实验课堂的教学会改善很多，教学效果也会大幅提高。

综上，数字示波器在大学物理实验教学中的应用已势在必行，电子集成技术的飞速发展已改变了物理实验上课方式，在培养人才过程中越来越起到主要作用。数字示波器在大学物理实验教学中的应用将会给课程带来一次革命，使得我们有机会去发展物理实验课，将新技术引入实验课。

［1］ 刘静，刘国良，赵涛．大学物理实验［M］．沈阳:东北大学出版社，2009:66-68．

［2］ 樊振军，张自力，郑志远，等．示波器在物理实验教学中的应用［J］．大学物理实验，2010，23(3):33-35．

［3］ 王素红，张晓旭．基于示波器使用的系列拓展实验研究［J］．大学物理实验，2012，25(1):30-31．

［4］ 王全宇．示波器扫描与触发方式的选择［J］．大学物理实验，2010，23(3):20-22．

［5］ 郑航．利用数字示波器测量RC电路的时间常数［J］．大学物理实验，2013，26(6):52-54．