“示波器原理与使用”实验教学启发

李开玮 杨斌

摘 要：示波器是一种应用非常广泛的电子测量仪器，可以直接观察电信号的波形，测量电压信号的幅度和频率、周期、相位等。本文主要分析示波器的扫描原理，李萨如图的观测技巧，解释学生易错的问题，提出解决办法。

关键词：示波器;扫描原理;李萨如图

示波器是一种对电信号进行时域分析的仪器，能显示实时的信号波形，是电子技术中必不可少的测量仪器，能够熟练操作示波器是实验人员的基本要求，因此它也是理工类大学物理实验教学中的一个重要实验。在教学中，我发现工科学生对示波器的显示原理普遍不明白，更加不会利用李萨如图形去判断信号的频率，实验做的十分僵硬，因此有必要给学生讲清楚示波器的显示原理，以及李萨如图形的规律，增强学生对示波器的使用能力。

1 示波器原理

示波器主要由阴极射线示波管、Y轴输入与放大系统、X轴输入与放大系统、扫描（锯齿波）发生器、触发同步及电源等部分组成。示波管主要包括电子枪、偏转系统和荧光屏三部分，如图1所示。

示波器显示波形的原理如图2所示。当在竖直偏转板YY′上加一交流正弦电压时，电子束的亮点将随电压变化在竖直方向来回运动，其位置与时间成正弦关系，提高正弦电压的频率，则在荧光屏上出现的是一条竖的亮直线;当在水平偏转板XX′上加锯齿波电压时，则电子束的亮点会沿水平方向来回迅速移动，其位置与时间成线性关系，提高频率，荧光屏上也将出现一条水平的亮直线。若水平方向加一锯齿波电压，竖直方向加交流正弦电压，则电子束将受到水平、竖直方向电场的共同作用，电子束亮点在荧光屏上的位置将是其在X轴、Y轴上位移的合成，水平方向位移与时间成线性关系，这相当于把时间信号转化为水平方向的位置信号，故在荧光屏上出现的是加在YY′上的待测信号随时间变化的波形。若锯齿波电压与正弦电压周期完全相同，或前者是后者的n倍，则在荧光屏上会显示出一个或n个完整正弦波形。

示波器的显示波形原理也可以与我们的沙漏实验作类比，沙漏来回摆动漏出细沙，我们在纸板上看到的将是一条直线，无法得到沙漏位置随时间的图像，若我们同时沿与该直线垂直方向匀速移动纸板，在纸板上将能看到正弦的图像，这个过程同样是把时间信号转化为直观的水平位置。

根据波形显示原理可知，待测交流信号的电压幅度为竖直方向波形所占格数乘以每格所代表的电压;信号周期为：

T=n个波形的水平格数完整波形数n×扫描时间因数（即TIME/DIV）（s）

2 李萨如图的观测

当在XX′和YY′同时输入交流正弦电压时，电子束同时受到X向和Y向电场的作用，电子在荧光屏上亮点的轨迹是相互垂直的两个简谐振动合成的结果，其图像我们称为李萨如图形，它与两正弦交流电压频率之比有关。下表列举了几个李萨如图的例子，Nx为图像与水平线相切的切点数，Ny为图像与竖直线相切的切点数，观察规律则有：

fyfx=NXNy

学生对于李萨如图形显示的原理理解不清，不会根据图像判断信号的频率，现以一个例子来解释分析，如上表中，fyfx=23这一列，若从图像上一点开始运动回到初始点经过时间为t，观测发现在x方向经过了3次周期运动，3次最大值，与竖直线切点数Ny=3;在y方向经过了2次周期运动，2次最大值，与水平线切点数Nx=2，故：

t=NyTx

t=NxTy

Tx，Ty分别为x，y方向信号的周期。所以有：

fyfx=NXNy=23

因此我们可以作与水平线，竖直线分别与李萨如图形相切，观察分别有几个切点，就可以得到两方向输入信号频率之比，若已知其中一路信号的频率，立即可以知道另一路信号的频率。

3 结语

本文讲述了示波器实验的原理及学生难以理解的地方，从这个实验中可以看出教师应搞懂所讲知识的内在理论，用易于理解，清晰的语言传达给学生。

参考文献：

[1]物理实验教学参考书[M].北京：高等教育出版社，1990.

[2]物理学[M].北京：高等教育出版社，2014.

作者简介：李开玮（1988-），男，汉族，湖北荆州人，硕士，講师，研究方向：大学物理教学与改革。