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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

發(fā)布時(shí)間:2018-09-21所屬分類:科技論文瀏覽:1

摘 要: 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(dòng)下,以示波器的原理與使用實(shí)驗(yàn)為綜合改革對(duì)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)

  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(dòng)下,以示波器的原理與使用實(shí)驗(yàn)為綜合改革對(duì)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

  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(gè)側(cè)面,在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)也就只突出要分析的這一個(gè)側(cè)面,給學(xué)生的感覺是一個(gè)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(gè)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(shí)”、“天大行動(dòng)”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(gè)新的階段[3-6]。為了滿足國(guó)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(shí)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(cè)量?jī)x器,它能把肉眼看不見的電信號(hào)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?hào)后,都可以用示波器來觀察。同時(shí),還可以測(cè)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(chǔ)器實(shí)現(xiàn)對(duì)觸發(fā)前信號(hào)進(jìn)行記憶的一種具備存儲(chǔ)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(chǔ)、顯示、測(cè)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(dòng)下,對(duì)數(shù)字示波器原理與使用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì),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(jì)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(gè)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(hào)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(jì)再次應(yīng)用信號(hào)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。

圖1

  因此,我們?cè)谖锢韺?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(shí)提供了模擬信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字信號(hào)發(fā)生器,使學(xué)生能使用到兩種常見的信號(hào)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(duì)正弦波的觀測(cè)和測(cè)量調(diào)整為不僅觀測(cè)正弦波,也觀察多種波形,因?yàn)閿?shù)字信號(hào)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(gè)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(cè)量、光速測(cè)量等)中設(shè)計(jì)測(cè)試方法,將示波器作為監(jiān)控和測(cè)試手段,不僅應(yīng)用上了示波器,也會(huì)應(yīng)用到信號(hào)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?cè)鴮?duì)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(hào)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(shí)接觸兩種信號(hào)發(fā)生器(如圖2所示),認(rèn)知常用的模擬信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字信號(hào)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(hào)波形及參數(shù)的準(zhǔn)確性。

圖2

  數(shù)字信號(hào)發(fā)生器提供了信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,有其獨(dú)特的功能和優(yōu)勢(shì),例如很多操作實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化,測(cè)量方式有自動(dòng)測(cè)量和光標(biāo)測(cè)量,信號(hào)的圖形和測(cè)試參數(shù)可以存儲(chǔ),等等。設(shè)備數(shù)字化是大趨勢(shì),數(shù)字化的示波器和信號(hào)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(shí),可以較好的對(duì)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

  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(gè)正弦波變?yōu)檎也ㄅc三角波時(shí),李薩如圖形出現(xiàn)了兩個(gè)拐點(diǎn);當(dāng)徹底變?yōu)閮蓚(gè)三角波合成時(shí),李薩如圖形出現(xiàn)了四個(gè)拐點(diǎn),形狀由蝴蝶形改變?yōu)榉綁K形;如果是兩個(gè)方波合成時(shí),李薩如圖形則變?yōu)樗膫(gè)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(shí),會(huì)獲得形狀存在巨大差異的結(jié)果,學(xué)生就需要對(duì)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(hào)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(dòng)合成的理論知識(shí)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(hào)為鋸齒波,y軸輸入信號(hào)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(cè)信號(hào)與鋸齒波掃描信號(hào)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(hào)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(hào)發(fā)生器的綜合應(yīng)用。

  考慮到我校電子信息學(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(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和項(xiàng)目進(jìn)行升級(jí)或重新構(gòu)建。因此,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容的設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)磁滯回線、混沌電路、聲速測(cè)量、光強(qiáng)測(cè)量和光速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用,有的實(shí)驗(yàn)也要用到信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)源。

圖4

  在這些實(shí)驗(yàn)中,數(shù)字示波器不僅會(huì)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(hào)變化的行為,而且也能對(duì)其進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量。同時(shí),數(shù)字示波器測(cè)量的信息有的就是直接電信號(hào)(如混沌電路),有的則是傳感器將非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?如光強(qiáng)測(cè)量)后進(jìn)行間接測(cè)試。例如,在光強(qiáng)測(cè)量中,CCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x將光信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔ⅲ漭敵鲂盘?hào)用示波器檢測(cè)后,可在顯示屏上觀察到清晰穩(wěn)定的相對(duì)光強(qiáng)分布曲線,而且還可以測(cè)量出光的強(qiáng)度和衍射條紋位置。

  通過對(duì)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的全局考量及測(cè)量方法的設(shè)計(jì),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(hào)發(fā)生器外,還可以在多個(gè)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(duì)示波器和信號(hào)發(fā)生器有了更深的認(rèn)識(shí)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(duì)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(cè)方法的設(shè)計(jì),構(gòu)建的綜合訓(xùn)練項(xiàng)目?jī)?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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