大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)綜合改革示范：數(shù)字示波器的原理與使用

許積文　袁昌來　熊健　周建華　李震春　張艷麗

摘要：在桂林電子科技大學(xué)電子信息特色的辦學(xué)理念與大學(xué)物理綜合實(shí)驗(yàn)改革的雙重驅(qū)動下，以示波器的原理與使用實(shí)驗(yàn)為綜合改革對象，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建了實(shí)踐與應(yīng)用能力培養(yǎng)較強(qiáng)的綜合改革示范項(xiàng)目，取得了較好的教學(xué)效果。為電子信息類工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)，以及為當(dāng)前新工科建設(shè)作出了積極的探索。

關(guān)鍵詞：示波器；物理實(shí)驗(yàn)；電子信息；應(yīng)用

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）28-0275-03

一、引言

基于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要性[1，2]，在大學(xué)本科教育中獨(dú)立開設(shè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課。傳統(tǒng)的普通物理實(shí)驗(yàn)往往只注重某一個側(cè)面，在設(shè)計實(shí)驗(yàn)時也就只突出要分析的這一個側(cè)面，給學(xué)生的感覺是一個物理現(xiàn)象只表現(xiàn)一種物理意義。隨著素質(zhì)教育的提倡，要求學(xué)生要有綜合分析能力，能夠?qū)σ粋€物理現(xiàn)象進(jìn)行全方位的分析。2017年2月以來，從“復(fù)旦共識”、“天大行動”到“北京指南”，標(biāo)志著以新工科建設(shè)為主題的高等工程教育改革進(jìn)入到一個新的階段[3-6]。為了滿足國家戰(zhàn)略和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，需要培養(yǎng)具有全球視野、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的復(fù)合型人才。因此，作為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程需要及時有效地調(diào)整其教學(xué)方法滿足復(fù)合型人才的培養(yǎng)要求。

示波器是一種用途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像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。其他非電學(xué)量借助于傳感器技術(shù)將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡?，都可以用示波器來觀察。同時，還可以測量它們的相位、頻率以及電流、電壓的大小等參數(shù)。數(shù)字示波器采用數(shù)字電路進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過存儲器實(shí)現(xiàn)對觸發(fā)前信號進(jìn)行記憶的一種具備存儲功能的數(shù)字化設(shè)備。數(shù)字示波器除了具有模擬示波器的功能外，還具有波形觸發(fā)、存儲、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[7]。

本文以我校在數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)上的教學(xué)探索為基礎(chǔ)[8]，在我校電子信息特色和物理實(shí)驗(yàn)綜合改革的驅(qū)動下，對數(shù)字示波器原理與使用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計，構(gòu)建具有較強(qiáng)實(shí)踐性以及綜合能力培養(yǎng)的示范性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，全面提升大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計思路

地方院校的實(shí)踐教學(xué)工作要做出有一定影響力的一個重要的實(shí)現(xiàn)途徑就是結(jié)合地方院校豐富、扎實(shí)的歷史沉淀，以及結(jié)合產(chǎn)業(yè)特色，進(jìn)行有特色的教學(xué)建設(shè)[9，10]。桂林電子科技大學(xué)具有電子信息特色鮮明的學(xué)科特點(diǎn)[11]，著力加強(qiáng)電子類物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建議，深化電子信息特色教學(xué)，是符合自身特色及發(fā)展定位的。例如，信號發(fā)生器和數(shù)字示波器是電子類專業(yè)的基本設(shè)備，物理實(shí)驗(yàn)中不僅設(shè)置了專門的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而且在其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中也通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計再次應(yīng)用信號發(fā)生器和示波器，使學(xué)生能夠熟練掌握這些基本電子工具。因此，我們在物理實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建出具有綜合訓(xùn)練功能的示范性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

圖1展示了示波器綜合訓(xùn)練內(nèi)容的構(gòu)建。在示波器實(shí)驗(yàn)中，同時提供了模擬信號發(fā)生器和數(shù)字信號發(fā)生器，使學(xué)生能使用到兩種常見的信號發(fā)生器。在專門的數(shù)字示波器原理與使用實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也進(jìn)行了兩方面的提升：一方面是將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中對正弦波的觀測和測量調(diào)整為不僅觀測正弦波，也觀察多種波形，因?yàn)閿?shù)字信號發(fā)生器可以提供高達(dá)16種波形，而且可以自定義波形；另一方面是在李莎如圖形合成中，不僅有兩個正弦波的合成，也可以將常見的正弦波、三角波、鋸齒波、方波進(jìn)行合成，形成廣義的李薩如圖形，激發(fā)學(xué)生的興趣和思考。在示波器的綜合應(yīng)用方面，通過在其他物理實(shí)驗(yàn)（如聲速測量、光速測量等）中設(shè)計測試方法，將示波器作為監(jiān)控和測試手段，不僅應(yīng)用上了示波器，也會應(yīng)用到信號發(fā)生器，而且使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有了可視化和數(shù)據(jù)化。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況分析

1.數(shù)字示波器原理與使用實(shí)驗(yàn)的提升。我們曾對示波器實(shí)驗(yàn)中關(guān)于學(xué)生如何較好地認(rèn)知實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了探討[8]，但只是從偏技巧的角度訓(xùn)練學(xué)生如何更有效的操控信號發(fā)生器和示波器，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和廣度上缺乏探索。從綜合能力訓(xùn)練及認(rèn)知的深度構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以讓學(xué)生同時接觸兩種信號發(fā)生器（如圖2所示），認(rèn)知常用的模擬信號發(fā)生器和數(shù)字信號發(fā)生器在波形輸出、操控性方面的共性和差異性以及信號波形及參數(shù)的準(zhǔn)確性。數(shù)字信號發(fā)生器提供了信號波形自編輯功能，可以提供自定義的波形圖。數(shù)字示波器除了有類似于模擬示波器的調(diào)節(jié)外，因其采用嵌入式的軟件來對信號進(jìn)行處理，有其獨(dú)特的功能和優(yōu)勢，例如很多操作實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，測量方式有自動測量和光標(biāo)測量，信號的圖形和測試參數(shù)可以存儲，等等。設(shè)備數(shù)字化是大趨勢，數(shù)字化的示波器和信號發(fā)生器的使用可以使學(xué)生做到觸類旁通，以后在遇到類似的數(shù)字化設(shè)備時，可以較好的對其進(jìn)行操作。

在李薩如圖形合成上，將標(biāo)準(zhǔn)李薩如圖形擴(kuò)展到廣義李薩如圖形。圖3（a）-（d）展示了頻率比為1∶2的正弦波合成的標(biāo)準(zhǔn)李薩如圖形以及由其他波形合成的廣義李薩如圖形。當(dāng)合成的波形由兩個正弦波變?yōu)檎也ㄅc三角波時，李薩如圖形出現(xiàn)了兩個拐點(diǎn)；當(dāng)徹底變?yōu)閮蓚€三角波合成時，李薩如圖形出現(xiàn)了四個拐點(diǎn)，形狀由蝴蝶形改變?yōu)榉綁K形；如果是兩個方波合成時，李薩如圖形則變?yōu)樗膫€點(diǎn)的形狀，完全不是封閉的曲線。當(dāng)采用不同的波形合成李薩如圖形時，會獲得形狀存在巨大差異的結(jié)果，學(xué)生就需要對這些李薩如圖形的演變行為進(jìn)行分析，它們是如何受到信號波形形狀影響的呢？這可以與大學(xué)物理理論課學(xué)習(xí)到的振動合成的理論知識緊密結(jié)合，訓(xùn)練了學(xué)生分析問題的能力。圖3（e）展示了當(dāng)頻率比為1∶1，x軸輸入信號為鋸齒波，y軸輸入信號為三角波，合成的李薩如圖形則是三角波的形狀，這可以向?qū)W生解釋波形的合成過程，即被測信號與鋸齒波掃描信號的合成結(jié)果。學(xué)生可以采用更多的波形、頻率比或者改變信號的相位，可以獲得更多的廣義李薩如圖形，為波形的合成拓寬思路以及豐富學(xué)生的認(rèn)知，提升分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的綜合能力。

2.示波器和信號發(fā)生器的綜合應(yīng)用?？紤]到我校電子信息學(xué)科的特色，在學(xué)校立項(xiàng)了“基于培養(yǎng)電子信息科學(xué)素養(yǎng)和研究能力的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)”項(xiàng)目，對實(shí)驗(yàn)平臺和項(xiàng)目進(jìn)行升級或重新構(gòu)建。因此，我們在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容的設(shè)計上，著力突出電子信息特性，這里以數(shù)字示波器作為示范項(xiàng)目。圖4展示了數(shù)字示波器在動態(tài)磁滯回線、混沌電路、聲速測量、光強(qiáng)測量和光速測量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，有的實(shí)驗(yàn)也要用到信號發(fā)生器作為激勵源。在這些實(shí)驗(yàn)中，數(shù)字示波器不僅會使用波形顯示模式（Y-T）和李莎如圖形顯示模式（X-Y）去觀察信號變化的行為，而且也能對其進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測量。同時，數(shù)字示波器測量的信息有的就是直接電信號（如混沌電路），有的則是傳感器將非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚ㄈ绻鈴?qiáng)測量）后進(jìn)行間接測試。例如，在光強(qiáng)測量中，CCD光強(qiáng)分布測量儀將光信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔?，其輸出信號用示波器檢測后，可在顯示屏上觀察到清晰穩(wěn)定的相對光強(qiáng)分布曲線，而且還可以測量出光的強(qiáng)度和衍射條紋位置。

通過對物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的全局考量及測量方法的設(shè)計，學(xué)生除了在專門的數(shù)字示波器原理與使用實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)示波器和信號發(fā)生器外，還可以在多個物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用到它們。通過綜合性的實(shí)驗(yàn)改革，數(shù)字示波器及應(yīng)用具有較強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練功能的綜合實(shí)驗(yàn)，使我校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課具有更多的電子信息特色，學(xué)生對示波器和信號發(fā)生器有了更深的認(rèn)識和較為熟練的應(yīng)用，形成了規(guī)模效益及示范效應(yīng)。

四、結(jié)語

以桂林電子科技大學(xué)的電子信息類學(xué)科特色為指導(dǎo)，為培養(yǎng)好電子信息類工程應(yīng)用型人才，對數(shù)字示波器原理與使用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了綜合改革提升。通過實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和檢測方法的設(shè)計，構(gòu)建的綜合訓(xùn)練項(xiàng)目內(nèi)容更加豐富，學(xué)生不僅更加熟練掌握了儀器的使用，而且獲得了示波器實(shí)際應(yīng)用上的訓(xùn)練。我們認(rèn)為綜合改革后的數(shù)字示波器原理與使用實(shí)驗(yàn)適用于電子類地方高校，而且與學(xué)校的學(xué)科特色緊密結(jié)合。

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