物理实验中如何让学生更好理解示波器原理

戴 璐 黄晓江 苗晓莉 沙金巧 臧涛成

（1.苏州科技学院数理学院，江苏 苏州 215009；2.东华大学理学院，上海 201620）

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，主要用于观察和测量各种电信号.它能把电信号变换成图像，便于人们研究各种电现象的变化过程.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，适用于观测瞬时变化的过程.还可以用它测试各种不同的电量，比如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等.［1］因此示波器的使用是大学物理实验中非常重要的实验之一.［1－5］通常实验过程为先观察正弦波信号，以了解示波器原理和面板上各个旋钮和按钮的作用，然后再观察李萨如图形.［1－3］但是，笔者发现在这样的实验内容安排下，大多数学生对示波器原理没有很好的理解.

示波管的工作原理［1－6］是当一个直流电压加到一对偏转板上时，光点在荧光屏上将产生一个固定位移，该位移的大小与所加直流电压成正比.分别将两个直流电压同时加到垂直和水平两对偏转板上，那么荧光屏上的光点位置就由两个方向的位移所共同决定.而将一个要观测的正弦交流电压加到一对垂直的偏转板上，光点在荧光屏上将随电压的变化而移动.在交流电压频率很低时，荧光屏上便会看见一个上下移动着的光点.这光点距离坐标原点的瞬时偏转值将与加在垂直偏转板上的电压瞬时值成正比.如果加在垂直偏转板上的交流电压频率在10Hz～20Hz以上，则由于荧光屏的余辉现象和人眼的视觉暂留现象，在荧光屏上看到的就不是一个上下移动的点，而是一根垂直的亮线.该亮线的长短在示波器垂直放大增益一定的情况下决定于正弦交流电压峰峰值的大小.为了要观察到波形，需要一个随时间线性变化的电压（一般为锯齿波电压）加到一对水平偏转板上.当水平偏转板上有锯齿波电压时，光点在垂直方向运动的同时水平也开始运动.光点水平距离起始位置零点的瞬时值，与加在水平偏转板上的电压瞬时值成正比.在示波器水平放大增益一定的情况下决定于锯齿波电压值，因为锯齿波电压值为线性，所以与时间变化成正比，而荧光屏上光点的水平位移又是与电压值成正比，因此荧光屏上的水平方向可以代表时间轴，上述过程称为“扫描”.如果在水平轴上加有周期性锯齿波电压时，扫描将周而复始的进行下去.如果将被测信号电压加到垂直偏转板上，锯齿波扫描电压加到水平偏转板上，并且被测信号电压频率等于锯齿波扫描电压频率，则荧光屏上将显示出一个周期的被测信号电压随时间变化的波形曲线.在被测周期信号以后的周期都重复第一个周期的情形，光点在荧光屏上扫描出的轨迹也都重叠在第一次描出的轨迹上.为了得到稳定的波形，每一次扫描开始时刻都对应于Y信号一个周期的同一点，使得每一次扫描对应的Y信号都相同，也就是让示波器的扫描信号与被测信号 “同步”.当这样的信号同时分别加到示波器的X和Y偏转系统时，由于每一个扫描周期X和Y的信号都相同，电子束受到同样的偏转控制，因而每一次扫描的电子束都打在屏幕上的同样的轨迹.为了使扫描信号与被测信号同步，我们可以设定一些条件，将被测信号不断地与这些条件相比较，只有当被测信号满足这些条件时才启动扫描，从而使得扫描的频率与被测信号相同或存在整数倍的关系，这种技术就是“触发”.触发一般分内触发和外触发，内触发就是示波器根据被测信号的周期自动调节内部锯齿波的频率使得其与被测信号同步才启动扫描.所以，荧光屏上显示出来的被测信号电压是随时间变化的稳定波形曲线.但学生对示波器采用内触发时自带的用于扫描的锯齿波都没有感性的认识，从而对示波器原理的理解就不够深入.

在实验过程中，先让学生从信号发生器输出一个频率为100Hz的正弦波，输入到示波器Y端，这时示波器采用内触发，也就是用示波器内部带的锯齿波进行扫面，观测到正弦波图形（如图1）.

图1

笔者在这个实验中加入了一部分新的内容，用外部产生的锯齿波来扫描.即将示波器设置为外触发，信号发生器还是输出一个100Hz的正弦波接到示波器Y端，再输出一个频率也为100Hz的锯齿波输入到示波器［如图2（a）］，并将它设置为X端，这样即可观察到如图2（b）的一个周期的正弦波图形.

图2

经过这样一个实验过程，学生就明白其实示波器内部自带的用于扫描的锯齿波，同输入的锯齿波一样的.让学生对看不见摸不着的示波器内部扫描用的锯齿波有了感性认识.另外，还可以通过信号发生器改变输入到X端锯齿波的频率，在屏幕上观察到正弦波个数变化.比如将输入的锯齿波频率设置为50Hz，那么屏幕上出现两个周期的正弦波图形，如图3（a）.这是因为锯齿波一个周期刚好等于正弦波2个周期.又比如将输入的锯齿波频率设置为25Hz，那么屏幕上会出现4个周期的正弦波图形，如图3（b）.这同示波器设置为内触发时，用改变时间轴的旋钮调节作用是一样，从而使学生明白调节这个旋钮也就是在改变示波器内部锯齿波的频率，并能直观的理解屏上出现正弦波的个数与锯齿波和正弦波频率（或周期）的比值之间呈何种关系.

图3

通过增加了这一部分的实验内容，使学生对示波器内部自带的用于扫描的锯齿波有了感性的认识，从而对示波器原理有了更深刻的理解.另外也为下一步实验观察李萨如图形做了很好的准备，能更好的认识到李萨如图为两个沿着互相垂直方向的正弦振动的合成.

1 浦天舒，郭英，李博等.大学物理实验［M］.北京：清华大学出版社，2011.

2 郑元，戴赛萍，叶新年，刘文隆.“示波器的使用”实验教学中的两个常见问题［J］.大学物理实验，2006（6）：36－40.

3 刘伟民，李媛.“示波器的使用”实验教学方法探究［J］.商丘师范学院学报，2010（9）：134－136.

4 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（1）：30－34.

5 袁玉全，李超英.大学实验物理示波器的使用中几种现象分析［J］.四川理工学院学报（社会科学版），2007（10）：223－225.

6 尹敏.示波器的使用与维护［J］.物理与工程，2009（3）：16－21.