示波器是一種用途十分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。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點（這是傳統(tǒng)的模擬示波器的工作原理）。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。

示波器的分類

按照信號的不同分類

模擬示波器采用的是模擬電路（示波管，其基礎(chǔ)是電子槍）電子槍向屏幕發(fā)射電子，發(fā)射的電子經(jīng)聚焦形成電子束，并打到屏幕上。屏幕的內(nèi)表面涂有熒光物質(zhì)，這樣電子束打中的點就會發(fā)出光來。

數(shù)字示波器則是數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換，軟件編程等一系列的技術(shù)制造出來的高性能示波器。數(shù)字示波器的工作方式是通過模擬轉(zhuǎn)換器（ADC）把被測電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。數(shù)字示波器捕獲的是波形的一系列樣值，并對樣值進(jìn)行存儲，存儲限度是判斷累計的樣值是否能描繪出波形為止，隨后，數(shù)字示波器重構(gòu)波形。數(shù)字示波器可以分為數(shù)字存儲示波器（DSO），數(shù)字熒光示波器（DPO）和采樣示波器。

模擬示波器要提高帶寬，需要示波管、垂直放大和水平掃描全面推進(jìn)。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能，對示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲和處理，以及多種觸發(fā)和超前觸發(fā)能力。廿世紀(jì)八十年代數(shù)字示波器異軍突起，成果累累，大有全面取代模擬示波器之勢，模擬示波器的確從前臺退到后臺。

按照結(jié)構(gòu)和性能不同分類

①普通示波器。電路結(jié)構(gòu)簡單，頻帶較窄，掃描線性差，僅用于觀察波形。

②多用示波器。頻帶較寬，掃描線性好，能對直流、低頻、高頻、超高頻信號和脈沖信號進(jìn)行定量測試。借助幅度校準(zhǔn)器和時間校準(zhǔn)器，測量的準(zhǔn)確度可達(dá)±5%。

③多線示波器。采用多束示波管，能在熒光屏上同時顯示兩個以上同頻信號的波形，沒有時差，時序關(guān)系準(zhǔn)確。

④多蹤示波器。具有電子開關(guān)和門控電路的結(jié)構(gòu)，可在單束示波管的熒光屏上同時顯示兩個以上同頻信號的波形。但存在時差，時序關(guān)系不準(zhǔn)確。

⑤取樣示波器。采用取樣技術(shù)將高頻信號轉(zhuǎn)換成模擬低頻信號進(jìn)行顯示，有效頻帶可達(dá)GHz級。

⑥記憶示波器。采用存儲示波管或數(shù)字存儲技術(shù)，將單次電信號瞬變過程、非周期現(xiàn)象和超低頻信號長時間保留在示波管的熒光屏上或存儲在電路中，以供重復(fù)測試。

⑦數(shù)字示波器。內(nèi)部帶有微處理器，外部裝有數(shù)字顯示器，有的產(chǎn)品在示波管熒光屏上既可顯示波形，又可顯示字符。被測信號經(jīng)模一數(shù)變換器（A/D變換器）送入數(shù)據(jù)存儲器，通過鍵盤操作，可對捕獲的波形參數(shù)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行加、減、乘、除、求平均值、求平方根值、求均方根值等的運算，并顯示出答案數(shù)字。

基本構(gòu)成

顯示電路

顯示電路包括示波管及其控制電路兩個部分。示波管是一種特殊的電子管，是示波器一個重要組成部分。示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏3個部分組成。

（1）電子槍

電子槍用于產(chǎn)生并形成高速、聚束的電子流，去轟擊熒光屏使之發(fā)光。它主要由燈絲F、陰極K、控制極G、第一陽極A1、第二陽極A2組成。除燈絲外，其余電極的結(jié)構(gòu)都為金屬圓筒，且它們的軸心都保持在同一軸線上。陰極被加熱后，可沿軸向發(fā)射電子；控制極相對陰極來說是負(fù)電位，改變電位可以改變通過控制極小孔的電子數(shù)目，也就是控制熒光屏上光點的亮度。為了提高屏上光點亮度，又不降低對電子束偏轉(zhuǎn)的靈敏度，現(xiàn)代示波管中，在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏之間還加上一個后加速電極A3。

第一陽極對陰極而言加有約幾百伏的正電壓。在第二陽極上加有一個比第一陽極更高的正電壓。穿過控制極小孔的電子束，在第一陽極和第二陽極高電位的作用下，得到加速，向熒光屏方向作高速運動。由于電荷的同性相斥，電子束會逐漸散開。通過第一陽極、第二陽極之間電場的聚焦作用，使電子重新聚集起來并交匯于一點。適當(dāng)控制第一陽極和第二陽極之間電位差的大小，便能使焦點剛好落在熒光屏上，顯現(xiàn)一個光亮細(xì)小的圓點。改變第一陽極和第二陽極之間的電位差，可起調(diào)節(jié)光點聚焦的作用，這就是示波器的“聚焦”和“輔助聚焦”調(diào)節(jié)的原理。第三陽極是示波管錐體內(nèi)部涂上一層石墨形成的，通常加有很高的電壓，它有三個作用：①使穿過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)以后的電子進(jìn)一步加速，使電子有足夠的能量去轟擊熒光屏，以獲得足夠的亮度；②石墨層涂在整個錐體上，能起到屏蔽作用；③電子束轟擊熒光屏?xí)a(chǎn)生二次電子，處于高電位的A3可吸收這些電子。

（2）偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

示波管的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)大都是靜電偏轉(zhuǎn)式，它由兩對相互垂直的平行金屬板組成，分別稱為水平偏轉(zhuǎn)板和垂直偏轉(zhuǎn)板。分別控制電子束在水平方向和垂直方向的運動。當(dāng)電子在偏轉(zhuǎn)板之間運動時，如果偏轉(zhuǎn)板上沒有加電壓，偏轉(zhuǎn)板之間無電場，離開第二陽極后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電子將沿軸向運動，射向屏幕的中心。如果偏轉(zhuǎn)板上有電壓，偏轉(zhuǎn)板之間則有電場，進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電子會在偏轉(zhuǎn)電場的作用下射向熒光屏的指定位置。

如果兩塊偏轉(zhuǎn)板互相平行，并且它們的電位差等于零，那么通過偏轉(zhuǎn)板空間的，具有速度υ的電子束就會沿著原方向（設(shè)為軸線方向）運動，并打在熒光屏的坐標(biāo)原點上。如果兩塊偏轉(zhuǎn)板之間存在著恒定的電位差，則偏轉(zhuǎn)板間就形成一個電場，這個電場與電子的運動方向相垂直，于是電子就朝著電位比較高的偏轉(zhuǎn)板偏轉(zhuǎn)。這樣，在兩偏轉(zhuǎn)板之間的空間，電子就沿著拋物線在這一點上做切線運動。最后，電子降落在熒光屏上的A點，這個A點距離熒光屏原點（0）有一段距離，這段距離稱為偏轉(zhuǎn)量，用y表示。偏轉(zhuǎn)量y與偏轉(zhuǎn)板上所加的電壓Vy成正比。同理，在水平偏轉(zhuǎn)板上加有直流電壓時，也發(fā)生類似情況，只是光點在水平方向上偏轉(zhuǎn)。

（3）熒光屏

熒光屏位于示波管的終端，它的作用是將偏轉(zhuǎn)后的電子束顯示出來，以便觀察。在示波器的熒光屏內(nèi)壁涂有一層發(fā)光物質(zhì)，因而，熒光屏上受到高速電子沖擊的地點就顯現(xiàn)出熒光。此時光點的亮度決定于電子束的數(shù)目、密度及其速度。改變控制極的電壓時，電子束中電子的數(shù)目將隨之改變，光點亮度也就改變。在使用示波器時，不宜讓很亮的光點固定出現(xiàn)在示波管熒光屏一個位置上，否則該點熒光物質(zhì)將因長期受電子沖擊而燒壞，從而失去發(fā)光能力。

涂有不同熒光物質(zhì)的熒光屏，在受電子沖擊時將顯示出不同的顏色和不同的余輝時間，通常供觀察一般信號波形用的是發(fā)綠光的，屬中余輝示波管，供觀察非周期性及低頻信號用的是發(fā)橙黃色光的，屬長余輝示波管；供照相用的示波器中，一般都采用發(fā)藍(lán)色的短余輝示波管。

Y軸放大電路

由于示波管的偏轉(zhuǎn)靈敏度甚低，例如常用的示波管13SJ38J型，其垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度為0.86mm/V（約12V電壓產(chǎn)生1cm的偏轉(zhuǎn)量），所以一般的被測信號電壓都要先經(jīng)過垂直放大電路的放大，再加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上，以得到垂直方向的適當(dāng)大小的圖形。

X軸放大電路

由于示波管水平方向的偏轉(zhuǎn)靈敏度也很低，所以接入示波管水平偏轉(zhuǎn)板的電壓（鋸齒波電壓或其它電壓）也要先經(jīng)過水平放大電路的放大以后，再加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上，以得到水平方向適當(dāng)大小的圖形。

掃描同步電路

掃描電路產(chǎn)生一個鋸齒波電壓。該鋸齒波電壓的頻率能在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。鋸齒波電壓的作用是使示波管陰極發(fā)出的電子束在熒光屏上形成周期性的、與時間成正比的水平位移，即形成時間基線。這樣，才能把加在垂直方向的被測信號按時間的變化波形展現(xiàn)在熒光屏上。

電源供給電路

電源供給電路：供給垂直與水平放大電路、掃描與同步電路以及示波管與控制電路所需的負(fù)高壓、燈絲電壓等。

由示波器的原理功能方框圖可見，被測信號電壓加到示波器的Y軸輸入端，經(jīng)垂直放大電路加于示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板。示波管的水平偏轉(zhuǎn)電壓，雖然多數(shù)情況都采用鋸齒電壓（用于觀察波形時），但有時也采用其它的外加電壓（用于測量頻率、相位差等時），因此在水平放大電路輸入端有一個水平信號選擇開關(guān)，以便按照需要選用示波器內(nèi)部的鋸齒波電壓，或選用外加在X軸輸入端上的其它電壓來作為水平偏轉(zhuǎn)電壓。

此外，為了使熒光屏上顯示的圖形保持穩(wěn)定，要求鋸齒波電壓信號的頻率和被測信號的頻率保持同步。這樣，不僅要求鋸齒波電壓的頻率能連續(xù)調(diào)節(jié)，而且在產(chǎn)生鋸齒波的電路上還要輸入一個同步信號。這樣，對于只能產(chǎn)生連續(xù)掃描（即產(chǎn)生周而復(fù)始、連續(xù)不斷的鋸齒波）一種狀態(tài)的簡易示波器（如國產(chǎn)SB10型等示波器）而言，需要在其掃描電路上輸入一個與被觀察信號頻率相關(guān)的同步信號，以牽制鋸齒波的振蕩頻率。對于具有等待掃描功能（即平時不產(chǎn)生鋸齒波，當(dāng)被測信號來到時才產(chǎn)生一個鋸齒波，進(jìn)行一次掃描）的示波器（如國產(chǎn)ST-16型示波器、SR-8型雙蹤示波器等）為了適應(yīng)各種需要，同步（或觸發(fā)）信號可通過同步或觸發(fā)信號選擇開關(guān)來選擇，通常來源有3個：①從垂直放大電路引來被測信號作為同步（或觸發(fā)）信號，此信號稱為“內(nèi)同步”（或“內(nèi)觸發(fā)”）信號；②引入某種相關(guān)的外加信號為同步（或觸發(fā)）信號，此信號稱為“外同步”（或“外觸發(fā)”）信號，該信號加在外同步（或外觸發(fā)）輸入端；③有些示波器的同步信號選擇開關(guān)還有一檔“電源同步”，是由220V，50Hz電源電壓，通過變壓器次級降壓后作為同步信號。

測試應(yīng)用

電壓的測量

利用示波器所做的任何測量，都是歸結(jié)為對電壓的測量。示波器可以測量各種波形的電壓幅度，既可以測量直流電壓和正弦電壓，又可以測量脈沖或非正弦電壓的幅度。更有用的是它可以測量一個脈沖電壓波形各部分的電壓幅值，如上沖量或頂部下降量等。這是其他任何電壓測量儀器都不能比擬的。

1．直接測量法

所謂直接測量法，就是直接從屏幕上量出被測電壓波形的高度，然后換算成電壓值。定量測試電壓時，一般把Y軸靈敏度開關(guān)的微調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)至“校準(zhǔn)”位置上，這樣，就可以從“V/div”的指示值和被測信號占取的縱軸坐標(biāo)值直接計算被測電壓值。所以，直接測量法又稱為標(biāo)尺法。

（1）交流電壓的測量

將Y軸輸入耦合開關(guān)置于“AC”位置，顯示出輸入波形的交流成分。如交流信號的頻率很低時，則應(yīng)將Y軸輸入耦合開關(guān)置于“DC”位置。

將被測波形移至示波管屏幕的中心位置，用“V/div”開關(guān)將被測波形控制在屏幕有效工作面積的范圍內(nèi)，按坐標(biāo)刻度片的分度讀取整個波形所占Y軸方向的度數(shù)H，則被測電壓的峰-峰值VP-P可等于“V/div”開關(guān)指示值與H的乘積。如果使用探頭測量時，應(yīng)把探頭的衰減量計算在內(nèi)，即把上述計算數(shù)值乘10。

例如示波器的Y軸靈敏度開關(guān)“V/div”位于0.2檔級，被測波形占Y軸的坐標(biāo)幅度H為5div，則此信號電壓的峰-峰值為1V。如是經(jīng)探頭測量，仍指示上述數(shù)值，則被測信號電壓的峰-峰值就為10V。

（2）直流電壓的測量

將Y軸輸入耦合開關(guān)置于“地”位置，觸發(fā)方式開關(guān)置“自動”位置，使屏幕顯示一水平掃描線，此掃描線便為零電平線。

將Y軸輸入耦合開關(guān)置“DC”位置，加入被測電壓，此時，掃描線在Y軸方向產(chǎn)生跳變位移H，被測電壓即為“V/div”開關(guān)指示值與H的乘積。

直接測量法簡單易行，但誤差較大。產(chǎn)生誤差的因素有讀數(shù)誤差、視差和示波器的系統(tǒng)誤差（衰減器、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、示波管邊緣效應(yīng)）等。

2．比較測量法

比較測量法就是用一已知的標(biāo)準(zhǔn)電壓波形與被測電壓波形進(jìn)行比較求得被測電壓值。

將被測電壓Vx輸入示波器的Y軸通道，調(diào)節(jié)Y軸靈敏度選擇開關(guān)“V/div”及其微調(diào)旋鈕，使熒光屏顯示出便于測量的高度Hx并做好記錄，且“V/div”開關(guān)及微調(diào)旋鈕位置保持不變。去掉被測電壓，把一個已知的可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電壓Vs輸入Y軸，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電壓的輸出幅度，使它顯示與被測電壓相同的幅度。此時，標(biāo)準(zhǔn)電壓的輸出幅度等于被測電壓的幅度。比較法測量電壓可避免垂直系統(tǒng)引起和誤差，因而提高了測量精度。

時間的測量

示波器時基能產(chǎn)生與時間呈線性關(guān)系的掃描線，因而可以用熒光屏的水平刻度來測量波形的時間參數(shù)，如周期性信號的重復(fù)周期、脈沖信號的寬度、時間間隔、上升時間（前沿）和下降時間（后沿）、兩個信號的時間差等等。

將示波器的掃速開關(guān)“t/div”的“微調(diào)”裝置轉(zhuǎn)至校準(zhǔn)位置時，顯示的波形在水平方向刻度所代表的時間可按“t/div”開關(guān)的指示值直讀計算，從而較準(zhǔn)確地求出被測信號的時間參數(shù)。

相位的測量

利用示波器測量兩個正弦電壓之間的相位差具有實用意義，用計數(shù)器可以測量頻率和時間，但不能直接測量正弦電壓之間的相位關(guān)系。利用示波器測量相位的方法很多，下面，僅介紹幾種常用的簡單方法。

1．雙蹤法

雙蹤法是用雙蹤示波器在熒光屏上直接比較兩個被測電壓的波形來測量其相位關(guān)系。測量時，將相位超前的信號接入YB通道，另一個信號接入YA通道。選用YB觸發(fā)。調(diào)節(jié)“t/div”開關(guān)，使被測波形的一個周期在水平標(biāo)尺上準(zhǔn)確地占滿8div，這樣，一個周期的相角360°被8等分，每1div相當(dāng)于45°。讀出超前波與滯后波在水平軸的差距T，按下式計算相位差φ：

φ=45°/div×T（div）

如T==1.5div ，則φ=45°/div×1.5div=67.5°

頻率的測量

用示波器測量信號頻率的方法很多，下面介紹常用的兩種基本方法。

1．周期法

對于任何周期信號，可用前述的時間間隔的測量方法，先測定其每個周期的時間T，再用下式求出頻率f ：f=1/T

例如示波器上顯示的被測波形，一周期為8div，“t/div”開關(guān)置“1μs”位置，其“微調(diào)”置“校準(zhǔn)”位置。則其周期和頻率計算如下：

T=1us/div×8div = 8us

f= 1/8us =125kHz

所以，被測波形的頻率為125kHz。

2．李薩育圖形法測頻率

將示波器置X-Y工作方式，被測信號輸入Y軸，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號輸入“X外接”，慢慢改變標(biāo)準(zhǔn)頻率，使這兩個信號頻率成整數(shù)倍時，例如fx ：

fy=1:2，則在熒光屏上會形成穩(wěn)定的李沙育圖形。

李薩如圖的形狀不但與兩個偏轉(zhuǎn)電壓的相位有關(guān)，而且與兩個偏轉(zhuǎn)電壓的頻率也有關(guān)。用描跡法可以畫出ux與uy的各種頻率比、不同相位差時的李沙育圖形，幾種不同頻率比的李薩如圖形如圖5-15所示。

利用李薩如圖形與頻率的關(guān)系，可進(jìn)行準(zhǔn)確的頻率比較來測定被測信號的頻率。其方法是分別通過李薩如圖形引水平線和垂直線，所引的水平線垂直線不要通過圖形的交叉點或與其相切。若水平線與圖形的交點數(shù)為m，垂直線與圖形的交點數(shù)n，則

fy / fx=m / n

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)頻率fx（或fy）為已知時，由上式可以求出被測信號頻率fy（或fx）。顯然，在實際測試工作中，用李沙育圖形進(jìn)行頻率測試時，為了使測試簡便正確，在條件許可的情況下，通常盡可能調(diào)節(jié)已知頻率信號的頻率，使熒光屏上顯示的圖形為圓或橢圓。這時被測信號頻率等于已知信號頻率。

由于加到示波器上的兩個電壓相位不同，熒光屏上圖形會有不同的形狀，但這對確定未知頻率并無影響。

李薩育圖法測量頻率是相當(dāng)準(zhǔn)確的，但操作較費時。同時，它只適用于測量頻率較低的信號。