技术文章

示波器原理和测量方法

基本原理

显示电路

显示电路包括示波管及其控制电路两个部分。示波管是一种特殊的电子管，是示波器一个重要组成部分。示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏3个部分组成。

（1）电子枪

电子枪用于产生并形成高速、聚束的电子流，去轰击荧光屏使之发光。它主要由灯丝F、阴极K、控制极G、*阳极A1、第二阳极A2组成。除灯丝外，其余电极的结构都为金属圆筒，且它们的轴心都保持在同一轴线上。阴极被加热后，可沿轴向发射电子；控制极相对阴极来说是负电位，改变电位可以改变通过控制极小孔的电子数目，也就是控制荧光屏上光点的亮度。为了提高屏上光点亮度，又不降低对电子束偏转的灵敏度，现代示波管中，在偏转系统和荧光屏之间还加上一个后加速电极A3。

*阳极对阴极而言加有约几百伏的正电压。在第二阳极上加有一个比*阳极更高的正电压。穿过控制极小孔的电子束，在*阳极和第二阳*电位的作用下，得到加速，向荧光屏方向作高速运动。由于电荷的同性相斥，电子束会逐渐散开。通过*阳极、第二阳极之间电场的聚焦作用，使电子重新聚集起来并交汇于一点。适当控制*阳极和第二阳极之间电位差的大小，便能使焦点刚好落在荧光屏上，显现一个光亮细小的圆点。改变*阳极和第二阳极之间的电位差，可起调节光点聚焦的作用，这就是示波器的“聚焦”和“辅助聚焦”调节的原理。第三阳极是示波管锥体内部涂上一层石墨形成的，通常加有很高的电压，它有三个作用：①使穿过偏转系统以后的电子进一步加速，使电子有足够的能量去轰击荧光屏，以获得足够的亮度；②石墨层涂在整个锥体上，能起到屏蔽作用；③电子束轰击荧光屏会产生二次电子，处于高电位的A3可吸收这些电子。

(2)偏转系统

示波管的偏转系统大都是静电偏转式，它由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为水平偏转板和垂直偏转板。分别控制电子束在水平方向和垂直方向的运动。当电子在偏转板之间运动时，如果偏转板上没有加电压，偏转板之间无电场，离开第二阳极后进入偏转系统的电子将沿轴向运动，射向屏幕的中心。如果偏转板上有电压，偏转板之间则有电场，进入偏转系统的电子会在偏转电场的作用下射向荧光屏的位置。

如果两块偏转板互相平行，并且它们的电位差等于零，那么通过偏转板空间的，具有速度υ的电子束就会沿着原方向（设为轴线方向）运动，并打在荧光屏的坐标原点上。如果两块偏转板之间存在着恒定的电位差，则偏转板间就形成一个电场，这个电场与电子的运动方向相垂直，于是电子就朝着电位比较高的偏转板偏转。这样，在两偏转板之间的空间，电子就沿着抛物线在这一点上做切线运动。zui后，电子降落在荧光屏上的A点，这个A点距离荧光屏原点（0）有一段距离，这段距离称为偏转量，用y表示。偏转量y与偏转板上所加的电压Vy成正比。同理，在水平偏转板上加有直流电压时，也发生类似情况，只是光点在水平方向上偏转。

（3）荧光屏示波器实物图

荧光屏位于示波管的终端，它的作用是将偏转后的电子束显示出来，以便观察。在示波器的荧光屏内壁涂有一层发光物质，因而，荧光屏上受到高速电子冲击的地点就显现出荧光。此时光点的亮度决定于电子束的数目、密度及其速度。改变控制极的电压时，电子束中电子的数目将随之改变，光点亮度也就改变。在使用示波器时，不宜让很亮的光点固定出现在示波管荧光屏一个位置上，否则该点荧光物质将因长期受电子冲击而烧坏，从而失去发光能力。

涂有不同荧光物质的荧光屏，在受电子冲击时将显示出不同的颜色和不同的余辉时间，通常供观察一般信号波形用的是发绿光的，属中余辉示波管，供观察非周期性及低频信号用的是发橙黄色光的，属长余辉示波管；供照相用的示波器中，一般都采用发蓝色的短余辉示波管。

折叠垂直（Y轴）放大电路

学生示波器由于示波管的偏转灵敏度甚低，例如常用的示波管13SJ38J型，其垂直偏转灵敏度为0.86mm/V（约12V电压产生1cm的偏转量），所以一般的被测信号电压都要先经过垂直放大电路的放大，再加到示波管的垂直偏转板上，以得到垂直方向的适当大小的图形。

折叠水平（X轴）放大电路

由于示波管水平方向的偏转灵敏度也很低，所以接入示波管水平偏转板的电压（锯齿波电压或其它电压）也要先经过水平放大电路的放大以后，再加到示波管的水平偏转板上，以得到水平方向适当大小的图形。

折叠扫描与同步电路

扫描电路产生一个锯齿波电压。该锯齿波电压的频率能在一定的范围内连续可调。锯齿波电压的作用是使示波管阴极发出的电子束在荧光屏上形成周期性的、与时间成正比的水平位移，即形成时间基线。这样，才能把加在垂直方向的被测信号按时间的变化波形展现在荧光屏上。

折叠电源供给电路

电源供给电路：供给垂直与水平放大电路、扫描与同步电路以及示波管与控制电路所需的负高压、灯丝电压等。

由示波器的原理功能方框图可见，被测信号电压加到示波器的Y轴输入端，经垂直放大电路加于示波管的垂直偏转板。示波管的水平偏转电压，虽然多数情况都采用锯齿电压（用于观察波形时），但有时也采用其它的外加电压（用于测量频率、相位差等时），因此在水平放大电路输入端有一个水平信号选择开关，以便按照需要选用示波器内部的锯齿波电压，或选用外加在X轴输入端上的其它电压来作为水平偏转电压。SDS1000CML

此外，为了使荧光屏上显示的图形保持稳定，要求锯齿波电压信号的频率和被测信号的频率保持同步。这样，不仅要求锯齿波电压的频率能连续调节，而且在产生锯齿波的电路上还要输入一个同步信号。这样，对于只能产生连续扫描（即产生周而复始、连续不断的锯齿波）一种状态的简易示波器（如国产SB10型等示波器）而言，需要在其扫描电路上输入一个与被观察信号频率相关的同步信号，以牵制锯齿波的振荡频率。对于具有等待扫描功能（即平时不产生锯齿波，当被测信号来到时才产生一个锯齿波，进行一次扫描）的示波器（如国产ST-16型示波器、SR-8型双踪示波器等）为了适应各种需要，同步（或触发）信号可通过同步或触发信号选择开关来选择，通常来源有3个：①从垂直放大电路引来被测信号作为同步（或触发）信号，此信号称为“内同步”（或“内触发”）信号；②引入某种相关的外加信号为同步（或触发）信号，此信号称为“外同步”（或“外触发”）信号，该信号加在外同步（或外触发）输入端；③有些示波器的同步信号选择开关还有一档“电源同步”，是由220V，50Hz电源电压，通过变压器次级降压后作为同步信号。

折叠波形显示的基本原理

由示波管的原理可知，一个直流电压加到一对偏转板上时，将使光点在荧光屏上产生一个固定位移，该位移的大小与所加直流电压成正比。如果分别将两个直流电压同时加到垂直和水平两对偏转板上，则荧光屏上的光点位置就由两个方向的位移所共同决定。

如果将一个正弦交流电压加到一对偏转板上时，光点在荧光屏上将随电压的变化而移动。当垂直偏转板上加一个正弦交流电压时，在时间t=0的瞬间，电压为Vo（零值），荧光屏上的光点位置在坐标原点0上，在时间t=1的瞬间，电压为V1（正值），荧光屏上光点在坐标原点0点上方的1上，位移的大小正比于电压V1；在时间t=2的瞬间，电压为V2（zui大正值），荧光屏上的光点在坐标原点0点上方的2点上，位移的距离正比于电压V2；以此类推，在时间t=3，t=4，…，t=8的各个瞬间，荧光屏上光点位置分别为3、4、…、8点。在交流电压的第二个周期、第三个周期……都将重复*个周期的情况。如果此时加在垂直偏转板上的正弦交流电压之频率很低，仅为lHz～2Hz，那么，在荧光屏上便会看见一个上下移动着的光点。这光点距离坐标原点的瞬时偏转值将与加在垂直偏转板上的电压瞬时值成正比。如果加在垂直偏转板上的交流电压频率在10Hz～20Hz以上，则由于荧光屏的余辉现象和人眼的视觉暂留现象，在荧光屏上看到的就不是一个上下移动的点，而是一根垂直的亮线了。该亮线的长短在示波器的垂直放大增益一定的情况下决定于正弦交流电压峰一峰值的大小。如果在水平偏转板上加一个正弦交流电压，则会产生相类似的情况，只是光点在水平轴上移动罢了。

如果将一随时间线性变化的电压（如锯齿波电压）加到一对偏转板上，则光点在荧光屏上又会怎样移动呢？当水平偏转板上有锯齿波电压时，在时间t=0瞬间，电压为Vo（zui大负值），荧光屏上光点在坐标原点左侧的起始位置（零点上），位移的距离正比于电压Vo；在时间t=1的瞬间，电压为V1（负值），荧光屏上光点在坐标原点左方的1点上，位移的距离正比于电压V1；以此类推，在时间t=2，t=3，...,t=8的各个瞬间，荧光屏上光点的对应位置是2、3、…、8各点。在t=8这个瞬间，锯齿波电压由zui大正值V8跃变到zui大负值Vo，则荧光屏上光点从8点极其迅速地向左移到起始位置零点。如果锯齿波电压是周期性的，则在锯齿波电压的第二个周期、第三个周期、……都将重复*个周期的情形。如果此时加在水平偏转板上的锯齿波电压频率很低，仅为1Hz ～2Hz，在荧光屏上便会看见光点自左边起始位置零点向右边8点处匀速地移动，随后光点又从右边8点处极其迅速地移动到左边起始位置零点。上述这个过程称为扫描。在水平轴加有周期性锯齿波电压时，扫描将周而复始地进行下去。光点距离起始位置零点的瞬时值，将与加在偏转板上的电压瞬时值成正比。如果加在偏转板上的锯齿波电压频率在10Hz～20Hz以上，则由于荧光屏的余辉现象和人眼的视觉暂留现象，就看到一根水平亮线，该水平亮线的长度，在示波器水平放大增益一定的情况下决定于锯齿波电压值，锯齿波电压值是与时间变化成正比的，而荧光屏上光点的位移又是与电压值成正比的，因此荧光屏上的水平亮线可以代表时间轴。在此亮线上的任何相等的线段都代表相等的一段时间。

如果将被测信号电压加到垂直偏转板上，锯齿波扫描电压加到水平偏转板上，而且被测信号电压的频率等于锯齿波扫描电压的频率，则荧光屏上将显示出一个周期的被测信号电压随时间变化的波形曲线（如图5-6所示）。由图5-6所示可见，在时间t=0的瞬间，信号电压为Vo（零值），锯齿波电压为V0′（负值），荧光屏上光点在坐标原点左面，位移的距离正比于电压V0′；在时间t=1的瞬间，交流电压为V1（正值），锯齿波电压为V1′（负值），荧光屏上光点在坐标的第Ⅱ象限中。同理，在时间t=2，t=3，…，t=8的瞬间，荧光屏上光点分别位于2，3，…，8点。在t=8瞬间，锯齿波电压由zui大正值V8′跳变到zui大负V0′，因而荧光屏上的光点也从8点极其迅速地向左移到起始位置0点。以后，在被测周期信号的第二个周期、第三个周期……都重复*个周期的情形，光点在荧光屏上描出的轨迹也都重叠在*次描出的轨迹上。所以，荧光屏上显示出来的被测信号电压是随时间变化的稳定波形曲线。

由上述可见，为使荧光屏上的图形稳定，被测信号电压的频率应与锯齿波电压的频率保持整数比的关SHS1000系，即同步关系。为了实现这一点，就要求锯齿波电压的频率连续可调，以便适应观察各种不同频率的周期信号。其次，由于被测信号频率和锯齿波振荡信号频率的相对不稳定性，即使把锯齿波电压的频率临时调到与被测信号频率成整倍数关系，也不能使图形一直保持稳定。因此，示波器中都设有同步装置。也就是在锯齿波电路的某部分加上一个同步信号来促使扫描的同步，对于只能产生连续扫描（即产生周而复始连续不断的锯齿波）一种状态的简易示波器（如国产SB-10型示波器等）而言，需要在其扫描电路上输入一个与被观察信号频率相关的同步信号，当所加同步信号的频率接近锯齿波频率的自主振荡频率（或接近其整数倍）时，就可以把锯齿波频率“拖入同步”或“锁住”。对于具有等待扫描（即平时不产生锯齿波，当被测信号来到时才产生一个锯齿波进行一次扫描）功能的示波器（如国产ST-16型示波器、SBT-5型同步示波器、SR-8型双踪示波器等等）而言，需要在其扫描电路上输入一个与被测信号相关的触发信号，使扫描过程与被测信号密切配合。这样，只要按照需要来选择适当的同步信号或触发信号，便可使任何欲研究的过程与锯齿波扫描频率保持同步。

折叠双线示波的显示原理

在电子实践技术过程中，常常需要同时观察两种（或两种以上）信号随时间变化的过程。并对这些不同信号进行电

量的测试和比较。为了达到这个目的，人们在应用普通示波器原理的基础上，采用了以下两种同时显示多个波形的方法：一种是双线（或多线）示波法；另一种是双踪（或多踪）示波法。应用这两种方法制造出来的示波器分别称为双线（或多线）示波器和双踪（或多踪）示波器。

双线（或多线）示波器是采用双枪（或多枪）示波管来实现的。下面以双枪示波管为例加以简单说明。双枪示波管有两个互相独立的电子枪产生两束电子。另有两组互相独立的偏转系统，它们各自控制一束电子作上下、左右的运动。荧光屏是共用的，因而屏上可以同时显示出两种不同的电信号波形，双线示波也可以采用单枪双线示波管来实现。这种示波管只有一个电子枪，在工作时是依靠特殊的电极把电子分成两束。然后，由管内的两组互相独立的偏转系统，分别控制两束电子上下、左右运动。荧光屏是共用的，能同时显示出两种不同的电信号波形。由于双线示波管的制造工艺要求高，成本也高，所以应用并不十分普遍。

折叠双踪示波的显示原理

双踪（或多踪）示波是在单线示波器的基础上，增设一个电子开关，用它来实现两种（或多种）波形的分别显示。由于实现双踪（或多踪）示波比实现双线（或多线）示波来得简单，不需要使用结构复杂、价格昂贵的“双腔”或“多腔”示波管，所以双踪（或多踪）示波获得了普遍的应用。

（1）双踪示波的显示原理

图5-8（a）是双踪示波法基本原理的示意图。图中，电子开关K的作用是使加在示波管垂直偏转板上的两种信号电压作周期性转换。例如，在0～1这段时间里，电子开关K与信号通道A接通，这时在荧光屏上显示出信号UA的一段波形；在1～2这段时间里，电子开关K与信号通道B接通，这时在荧光屏上显现出信号UB的一段波形；在2～3这段时间里，荧光屏上再一次显示出信号UA的一段波形；在3～4这段时间里，荧光屏上将再一次显示出UB的一段波形……。这样，两个信号在荧光屏上虽然是交替显示的，但由于人眼的视觉暂留现象和荧光屏的余辉（高速电子在停止冲击荧光屏后，荧光屏上受冲击处仍保留一段发光时间）现象，就可在荧光屏上同时看到两个被测信号波形（图5-8（b）所示）。

图5-8 双踪示波器基本原理

为了保持荧光屏显示出来的两种信号波形稳定，则要求被测信号频率、扫描信号频率与电子开关的转换频率三者之间必须满足一定的关系。

首先，两个被测信号频率与扫描信号频率之间应该是成整数比的关系，也就是要求“同步”。这一点与单线示波器的原理是相同的，只是现在的被测信号是两个，而扫描电压是一个。在实际应用中，需要观察和比较的两个信号常常是互相有内在的，所以上述的同步要求一般是容易满足的。

为了使荧光屏上显示的两个被测信号波形都稳定，除满足上述要求外，还必须合理地选择电子开关的转换频率，使得在示波器上所显示的波形个数合适，以便于观察。下面谈谈电子开关的工作方式问题，这个问题与电子开关的转换频率有关。

电子开关的工作方式有“交替”转换和“断续”转换两种。

图5-9是电子开关“交替”转换工作方式的波形示意图。在0～1时间内，电子开关与通道A接通，加在X轴上的扫描信号开始进行*个正程扫描，此时荧光屏上将显现出信号UA的波形；在完成UA波形显示后，扫描电压迅速回扫；在1～2时间内，电子开关K与通道B接通，X轴上的扫描信号开始进行第二个正程扫描，荧光屏上将显示出信号UB的波形；在2～3时间内，荧光屏上再一次显示出信号UA的波形；在3～4时间内，荧光屏上再一次显示出信号UB的波形……。由此可见，被测信号UA、UB的波形是依次、交替地出现在荧光屏上的，荧光屏上显示的波形如图5-9（b）所示。显然，此时电子开关的转换与X轴的扫描始终保持着一致的步调，即电子开关的转换频率等于X轴扫描信号的频率。图5-9（b）中的虚线实际上是看不见的。

图5-10 采用“断续”转换

图5-9 采用“交替”转换方式的波形示意图方式的波形示意图

采用交替转换工作方式的显示的波形与双线示波法所显示的波形非常相似，它们都没有间断点。但由于被测信号UA、UB的波形是依次交替地出现在荧光屏上的，所以，如果交替的间隙时间超过了人眼的视觉暂留时间和荧光屏的余辉时间，则人们所看到的荧光屏上的波形就会有闪烁现象。为了避免这种情况的出现，就要求电子开关有足够高的转换频率。这就是说当被测信号的频率较低时，不宜采用交替转换工作方式，而应采用断续转换工作方式。

当电子开关用断续转换工作方式时，在X轴扫描的每一个过程中，电子开关都以足够高的转换频率，分别对所显示的每个被测信号进行多次取样。这样，即使被测信号频率较低，也可避免出现波形的闪烁现象。同时，由于在一次扫描的过程中，光点在两个图形上交换的次数极多，所以图形上的细小断裂痕迹不显著，并不妨碍对波形细节的观察。图5-10是电于开关采用断续转换方式时的波形示意图。实际上，由于开关的转换频率选得远大于X轴扫描频率，所以荧光屏上显示的图形不会是图5-10所示的断续图形，而是连续的图形。图中垂直方向的细虚线表示了电子开关的转换过程。因在转换过程中示波器电路的设置使电子束截止，所以图中所示的垂直细虚线实际上也是不可见的。

在了解上述用电子开关来实现双踪示波的原理后，就不难联想到用环形计数器来实现多踪示波的原理。由于两者的显示原理相似，这里就不再赘述。

（2）双踪示波器的基本组成

图5-11是双踪示波器的原理功能方框图。由图可见，它主要是由两个通道的Y轴前置放大电路、门控电路、电子开关、混合电路、延迟电路、Y轴后置放大电路、触发电路、扫描电路、X轴放大电路、Z轴放大电路、校准信号电路、示波管和高低压电源供给电路等组成。

观察信号波形时，被测信号uA，uB通过YA，YB两个输入端输入示波器，先分别送到Y轴前置放大电路YA和YB进行放大。因通道YA和通道YB都受电子开关的控制，所以uA，uB两信号轮换着输送到后面的混合电路，加到示波管的垂直偏转板上。

为了适应各种不同的测试需要，电子开关可有五种不同的工作状态，即交替、YA、YB、YA+YB、断续等。这5种工作状态由显示方式开关来控制。

当显示方式开关置于交替位置时，电子开关为一双稳态电路。它受由扫描电路来的闸门信号控制，使得Y轴两个前置通道随着扫描电路门信号的变化而交替地工作。每秒钟交替转换次数与由扫描电路产生的扫描信号的重复频率有关。交替工作状态适用于观察频率不太低的被测信号。

图5-11 双踪示波器的原理功能方框图

当显示方式开关置于YA或YB位置时，电子开关为一单稳态电路。前置放大电路YA或YB可单独工作，此时，双踪示波器可作为普通单线示波器使用。

当显示方式开关置于YA+YB位置时，电子开关处于不工作状态。此时，YA、YB两通道同时工作，因而可得到两信号相加或两信号相减的显示。然而，两信号究竟是相加还是相减，这要通过YA通道的极性作用开关来选择。这个开关有两个位置，在*个位置时，荧光屏上的图形为两信号之和；在第二个位置（-YA）时，荧光屏上的图形为两信号之差。

为了观察被测信号随时间变化的波形，示波管的水平偏转板上必须加以线性扫描电压（锯齿波电压）。这个扫描电压是由扫描电路产生的。当触发信号加到触发电路时，触发了扫描电路，扫描电路就产生相应的扫描信号；当不加触发信号时，扫描电路就不产生扫描信号。

触发有内触发、外触发两种，由触发选择开关来选择。当该开关置于内的位置时，触发信号来自经Y轴通道送入的被测信号。当该开关置于外的位置时，触发信号是由外部送入的。这个信号应与被测信号的频率成整数比的关系。示波器在使用中，多数采用内触发工作方式。

所谓内触发也分为两种情况，并由内触发选择开关控制。当开关置于常态的位置时，触发电路的触发信号来自YA，YB通道。此时，两个通道即可同时稳定地显示出各自的被测信号。当用双踪显示来作时间比较分析时，就应该将内触发选择开关置于YB的位置。在这个位置时，触发电路的触发信号只取自YB通道的输入信号。此时只有当uA，uB的频率成整数比时，荧光屏上才能同时稳定地显示两个波形。

扫描电路产生的扫描信号（锯齿波信号），通过X轴选择开关接到X轴放大电路，经放大后送到示波管的X轴偏转板。这就是通常在观察信号随时间变化的波形时，开关选扫描档的情况。除上述情况外，用示波器进行其它测试（比如观察李沙育图形）时，开关置X外接档，此时可将X轴输入端输入的信号，加到X轴放大电路进行放大，随后再送至X轴偏转板。

Z轴放大电路对荧光屏上光点辉度起着调节的作用，抹去不必要显示的光点轨迹。当扫描电路闸门信号来到Z轴放大电路，Z轴放大电路便输出正向的增辉脉冲信号，加至示波管的控制极。这就是说，在扫描信号的过程中，荧光屏上的光点得以增辉；在电子开关的转换过程中，电子开关电路将输出脉冲信号也加至Z轴放大电路，此时Z轴放大电路便输出负向脉冲信号，加至示波管的控制极。这样，就消去了两个通道交替工作时的过渡光点，以提高显示波形的清晰度。

校正信号电路产生一个一定频率、一定幅度的矩形信号（如国产SR-8型两踪示波器的校正信号是频率为lkHz、幅度为1V）。它是作校正Y轴放大电路的灵敏度和X轴的扫描速度之用的。

高、低压电源供给电路中的低压是供给示波器各级所需的低压电源的，高压是供给示波管显示系统电源的。

测量方法

(1)将示波器探头插入通道1插孔，并将探头上的衰减置于"1"档;

(2)将通道选择置于CH1，耦合方式置于DC档;

(3)将探头探针插入校准信号源小孔内，此时示波器屏幕出现光迹;

(4)调节垂直旋钮和水平旋钮，使屏幕显示的波形图稳定，并将垂直微调和水平微调置于校准位置;

(5)读出波形图在垂直方向所占格数，乘以垂直衰减旋钮的指示数值，得到校准信号的幅度;

(6)读出波形每个周期在水平方向所占格数，乘以水平扫描旋钮的指示数值，得到校准信号的周期(周期的倒数为频率);

(7)一般校准信号的频率为1kHz，幅度为0.5V，用以校准示波器内部扫描振荡器频率，如果不正常，应调节示波器(内部)相应电位器，直至相符为止。