基于Matlab示波器原理的演示

赵 艳，廖艳林

（1.安徽医科大学，安徽 合肥 230032；2.安徽大学，安徽 合肥 230039）

示波器是一种电子信号测量仪器，广泛应用于电信号波形的直接观测、电信号参数（频率，幅度和周期）测定和两个不同电信号之间相位差的测量［1－3］。另外，结合各种探测器，示波器还广泛应用于各种非电量变化过程的观测。由于示波器应用的广泛性，示波器一直是物理实验教学中的核心内容之一［4－9］。但是示波器结构较为复杂，操作要求高，导致学生在规定教学时间内难以把握其工作原理，不能达到“举一反三”，不利于学生操作新型号示波器。另一方面，Matlab是一种高级的矩阵／阵列语言，具有运算表达式结构简单易读的特点，同时该软件还具有强大的绘图能力，已在在科学研究及工程计算各个领域得到广泛应用。本文利用Matlab简洁的语句表达方式和强大的绘图能力，实现示波器中扫描方式、同步问题和李萨如图形的演示。该研究不但可以帮助学生加深对示波器工作原理理解，同时也可以提高示波器实验教学效果。

1 示波器工作原理仿真

示波器工作原理核心内容包括扫描原理、同步和李萨如图形，下面将利用Matlab编写原理仿真语句。

1.1 扫描原理

构建一正弦波作为输入信号，另构建一锯齿波作为扫描信号，然后以输入信号的数据和对应的扫描信号数据作图，重现输入信号，完成扫描原理的演示。以下是扫描原理语句：

图1为上述Matlab语句完成的绘图，从图1（c）可看出，编写的语句很好的重现了输入信号，另外，还可以从图1（c）中看出，原始信号所没有的一条水平线，这就是我们在示波器教学中常说的“回扫线”。在实验中这条线可能观测不到，但是其与我们的理论模拟结果一样是客观存在的，只是因为这个水平线的时间很短，线条很暗，而且很多示波器还采用消隐电路将其消除，使其观测不到。

1.2 同步

如果锯齿波信号的周期不是输入信号周期的整数倍时，将会在示波器屏幕上出现不稳定的图形，下面假定锯齿波周期为输入信号的周期的2.1倍。以下是示波器不同步时模拟语句：

图1 扫描原理的演示

从图2（c）可以看出，由于锯齿波信号与输入信号周期不满足整数倍要求，模拟结果显示每个周期绘出的图形都不能重叠，好像波形在移动，这与实验观测到的结果是一致的。另外，图中的水平线是“回扫线”。

图2 不同步扫描的演示

1.3 李萨如图形

利用李萨如图形可以方便的比较两个信号频率之间的关系，以下是不同周期比值的李萨如图形的Matlab语句：

图3 不同周期之比的李萨如图形

2 结 论

文章利用Matlab简洁的语句表达方式和强大的绘图能力，实现了示波器中扫描方式、同步问题和李萨如图形的演示。该研究不但可以帮助学生加深对示波器工作原理理解，同时也可以提高示波器实验教学效果。

［1］张磊.浅谈示波器实验的教学［J］.大学物理实验，2008，21（3）：13－14.

［2］张玉莲，宋双杰.李萨如图形在检测系统中的应用［J］.力学与实践，2006，28（5）：54－57.

［3］宋明秋.李萨如图形及其应用［J］.辽宁师专学报，2010，12（1）：20－21.

［4］丁慎训，张孔时.物理实验教程［M］.北京：清华大学出版社，1992.

［5］陈守川.大学物理实验教程［M］.杭州：浙江大学出版社，1995.

［6］赵青生.大学物理实验［M］.合肥：安徽大学出版社，2004.

［7］赵凯华.光学（上册）［M］.合肥：安徽大学出版社，1984.

［8］王秦红，张晓旭.基于示波器使用的系列实验研究［J］.大学物理实验，2012，25（1）：36－38.

［9］罗志高，麦国庆.“示波器使用”实验测试较为设计与制作［J］.大学物理实验，2012，25（1）：39－42.