示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

  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。参见图5-4可知，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(最大正值)，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……都将重复第一个周期的情况。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?参看图5-5可见，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(最大负值)，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，锯齿波电压由最大正值V8跃变到最大负值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、……都将重复第一个周期的情形。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，锯齿波电压由最大正值V8′跳变到最大负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……都重复第一个周期的情形，光点在荧光屏上描出的轨迹也都重叠在第一次描出的轨迹上。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。

　　若被测信号电压的频率等于锯齿波电压频率整数倍数时，则荧光屏上将显示出周期为整数的被测信号稳定波形。而当被测信号电压的频率与锯齿波电压的频率不成整数倍数时，则荧光屏上不能获得稳定的波形，如图5-7所示。在图5-7中，第一次扫描时，屏上显示的是0～1这段波形曲线;第二次扫描时，屏上显示1～2这段波形曲线;第三次扫描时，屏上显示2～3这段波形曲线;……可见，每次荧光屏上显示的波形曲线都不同，所以图形不稳定。

　　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。

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参量的测试和比较。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。

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，增设一个专用电子开关，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联系的，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第一个正程扫描，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，在第一个位置时，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，在电子开关的转换过程中，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。

示波器的基本组成

1.1 示波管

　　阴极射线管(CRT)简称示波管，是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。正如图1所示，电子枪、偏转系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内，构成了一个完整的示波管。

　　图1示波管的内部结构和供电图示

　　1.荧光屏

　　现在的示波管屏面通常是矩形平面，内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜。在荧光膜上常又增加一层蒸发铝膜。高速电子穿过铝膜，撞击荧光粉而发光形成亮点。铝膜具有内反射作用，有利于提高亮点的辉度。铝膜还有散热等其他作用。

　　当电子停止轰击后，亮点不能立即消失而要保留一段时间。亮点辉度下降到原始值的10%所经过的时间叫做“余辉时间”。余辉时间短于10μs为极短余辉，10μs—1ms为短余辉，1ms—0.1s为中余辉，0.1s-1s为长余辉，大于1s为极长余辉。一般的示波器配备中余辉示波管，高频示波器选用短余辉，低频示波器选用长余辉。

　　由于所用磷光材料不同，荧光屏上能发出不同颜色的光。一般示波器多采用发绿光的示波管，以保护人的眼睛。

　　2.电子枪及聚焦

　　电子枪由灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)(或称第二栅极)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。它的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。灯丝通电加热阴极，阴极受热发射电子。栅极是一个顶部有小孔的金属园筒，套在阴极外面。由于栅极电位比阴极低，对阴极发射的电子起控制作用，一般只有运动初速度大的少量电子，在阳极电压的作用下能穿过栅极小孔，奔向荧光屏。初速度小的电子仍返回阴极。如果栅极电位过低，则全部电子返回阴极，即管子截止。调节电路中的W1电位器，可以改变栅极电位，控制射向荧光屏的电子流密度，从而达到调节亮点的辉度。第一阳极、第二阳极和前加速极都是与阴极在同一条轴线上的三个金属圆筒。前加速极G2与A2相连，所加电位比A1高。G2的正电位对阴极电子奔向荧光屏起加速作用。

　　电子束从阴极奔向荧光屏的过程中，经过两次聚焦过程。第一次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的第一电子透镜。第二次聚焦发生在G2、A1、A2区域，调节第二阳极A2的电位，能使电子束正好会聚于荧光屏上的一点，这是第二次聚焦。A1上的电压叫做聚焦电压，A1又被叫做聚焦极。有时调节A1电压仍不能满足良好聚焦，需微调第二阳极A2的电压，A2又叫做辅助聚焦极。

　　3.偏转系统

　　偏转系统控制电子射线方向，使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。图8.1中，Y1、Y2和Xl、X2两对互相垂直的偏转板组成偏转系统。Y轴偏转板在前，X轴偏转板在后，因此Y轴灵敏度高(被测信号经处理后加到Y轴)。两对偏转板分别加上电压，使两对偏转板间各自形成电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向偏转。

　　4.示波管的电源

　　为使示波管正常工作，对电源供给有一定要求。规定第二阳极与偏转板之间电位相近，偏转板的平均电位为零或接近为零。阴极必须工作在负电位上。栅极G1相对阴极为负电位(—30V~—100V)，而且可调，以实现辉度调节。第一阳极为正电位(约+100V~+600V)，也应可调，用作聚焦调节。第二阳极与前加速极相连，对阴极为正高压(约+1000V)，相对于地电位的可调范围为±50V。由于示波管各电极电流很小，可以用公共高压经电阻分压器供电。

　　1.2 示波器的基本组成

　　从上一小节可以看出，只要控制X轴偏转板和Y轴偏转板上的电压，就能控制示波管显示的图形形状。我们知道，一个电子信号是时间的函数f(t)，它随时间的变化而变化。因此，只要在示波管的X轴偏转板上加一个与时间变量成正比的电压，在y轴加上被测信号(经过比例放大或者缩小)，示波管屏幕上就会显示出被测信号随时间变化的图形。电信号中，在一段时间内与时间变量成正比的信号是锯齿波。

　　示波器的基本组成框图如图2所示。它由示波管、Y轴系统、X轴系统、Z轴系统和电源等五部分组成。

　　图2示波器基本组成框图

　　被测信号①接到“Y"输入端，经Y轴衰减器适当衰减后送至Y1放大器(前置放大)，推挽输出信号②和③。经延迟级延迟Г1时间，到Y2放大器。放大后产生足够大的信号④和⑤，加到示波管的Y轴偏转板上。为了在屏幕上显示出完整的稳定波形，将Y轴的被测信号③引入X轴系统的触发电路，在引入信号的正(或者负)极性的某一电平值产生触发脉冲⑥，启动锯齿波扫描电路(时基发生器)，产生扫描电压⑦。由于从触发到启动扫描有一时间延迟Г2，为保证Y轴信号到达荧光屏之前X轴开始扫描，Y轴的延迟时间Г1应稍大于X轴的延迟时间Г2。扫描电压⑦经X轴放大器放大，产生推挽输出⑨和⑩，加到示波管的X轴偏转板上。z轴系统用于放大扫描电压正程，并且变成正向矩形波，送到示波管栅极。这使得在扫描正程显示的波形有某一固定辉度，而在扫描回程进行抹迹。

　　以上是示波器的基本工作原理。双踪显示则是利用电子开关将Y轴输入的两个不同的被测信号分别显示在荧光屏上。由于人眼的视觉暂留作用，当转换频率高到一定程度后，看到的是两个稳定的、清晰的信号波形。

　　示波器中往往有一个精确稳定的方波信号发生器，供校验示波器用。

　　2示波器使用

　　本节介绍示波器的使用方法。示波器种类、型号很多，功能也不同。数字电路实验中使用较多的是20MHz或者40MHz的双踪示波器。这些示波器用法大同小异。本节不针对某一型号的示波器，只是从概念上介绍示波器在数字电路实验中的常用功能。

　　2.1 荧光屏

　　荧光屏是示波管的显示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，指示出信号波形的电压和时间之间的关系。水平方向指示时间，垂直方向指示电压。水平方向分为10格，垂直方向分为8格，每格又分为5份。垂直方向标有0%，10%，90%，100%等标志，水平方向标有10%，90%标志，供测直流电平、交流信号幅度、延迟时间等参数使用。根据被测信号在屏幕上占的格数乘以适当的比例常数(V/DIV，TIME/DIV)能得出电压值与时间值。

　　2.2 示波管和电源系统

　　1.电源(Power)

　　示波器主电源开关。当此开关按下时，电源指示灯亮，表示电源接通。

　　2.辉度(Intensity)

　　旋转此旋钮能改变光点和扫描线的亮度。观察低频信号时可小些，高频信号时大些。

　　一般不应太亮，以保护荧光屏。

　　3.聚焦(Focus)

　　聚焦旋钮调节电子束截面大小，将扫描线聚焦成最清晰状态。

　　4.标尺亮度(Illuminance)

　　此旋钮调节荧光屏后面的照明灯亮度。正常室内光线下，照明灯暗一些好。室内光线不足的环境中，可适当调亮照明灯。

　　2.3 垂直偏转因数和水平偏转因数

　　1.垂直偏转因数选择(VOLTS/DIV)和微调

　　在单位输入信号作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这一定义对X轴和Y轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因数。垂直灵敏度的单位是为cm/V，cm/mV或者DIV/mV，DIV/V，垂直偏转因数的单位是V/cm，mV/cm或者V/DIV，mV/DIV。实际上因习惯用法和测量电压读数的方便，有时也把偏转因数当灵敏度。

　　踪示波器中每个通道各有一个垂直偏转因数选择波段开关。一般按1，2，5方式从5mV/DIV到5V/DIV分为10档。波段开关指示的值代表荧光屏上垂直方向一格的电压值。例如波段开关置于1V/DIV档时，如果屏幕上信号光点移动一格，则代表输入信号电压变化1V。

　　每个波段开关上往往还有一个小旋钮，微调每档垂直偏转因数。将它沿顺时针方向旋到底，处于“校准”位置，此时垂直偏转因数值与波段开关所指示的值一致。逆时针旋转此旋钮，能够微调垂直偏转因数。垂直偏转因数微调后，会造成与波段开关的指示值不一致，这点应引起注意。许多示波器具有垂直扩展功能，当微调旋钮被拉出时，垂直灵敏度扩大若干倍(偏转因数缩小若干倍)。例如，如果波段开关指示的偏转因数是1V/DIV，采用×5扩展状态时，垂直偏转因数是0.2V/DIV。

　　在做数字电路实验时，在屏幕上被测信号的垂直移动距离与+5V信号的垂直移动距离之比常被用于判断被测信号的电压值。

　　2.时基选择(TIME/DIV)和微调

　　时基选择和微调的使用方法与垂直偏转因数选择和微调类似。时基选择也通过一个波段开关实现，按1、2、5方式把时基分为若干档。波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一个格的时间值。例如在1μS/DIV档，光点在屏上移动一格代表时间值1μS。

　　“微调”旋钮用于时基校准和微调。沿顺时针方向旋到底处于校准位置时，屏幕上显示的时基值与波段开关所示的标称值一致。逆时针旋转旋钮，则对时基微调。旋钮拔出后处于扫描扩展状态。通常为×10扩展，即水平灵敏度扩大10倍，时基缩小到1/10。例如在2μS/DIV档，扫描扩展状态下荧光屏上水平一格代表的时间值等于

　　2μS×(1/10)=0.2μS

　　TDS实验台上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的时钟信号，由石英晶体振荡器和分频器产生，准确度很高，可用来校准示波器的时基。

　　示波器的标准信号源CAL，专门用于校准示波器的时基和垂直偏转因数。例如COS5041型示波器标准信号源提供一个VP-P=2V,f=1kHz的方波信号。

　　示波器前面板上的位移(Position)旋钮调节信号波形在荧光屏上的位置。旋转水平位移旋钮(标有水平双向箭头)左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮(标有垂直双向箭头)上下移动信号波形。

　　2.4 输入通道和输入耦合选择

　　1.输入通道选择

　　输入通道至少有三种选择方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)、双通道(DUAL)。选择通道1时，示波器仅显示通道1的信号。选择通道2时，示波器仅显示通道2的信号。选择双通道时，示波器同时显示通道1信号和通道2信号。测试信号时，首先要将示波器的地与被测电路的地连接在一起。根据输入通道的选择，将示波器探头插到相应通道插座上，示波器探头上的地与被测电路的地连接在一起，示波器探头接触被测点。示波器探头上有一双位开关。此开关拨到“×1”位置时，被测信号无衰减送到示波器，从荧光屏上读出的电压值是信号的实际电压值。此开关拨到“×10"位置时，被测信号衰减为1/10，然后送往示波器，从荧光屏上读出的电压值乘以10才是信号的实际电压值。

　　2.输入耦合方式

　　输入耦合方式有三种选择：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)。当选择“地”时，扫描线显示出“示波器地”在荧光屏上的位置。直流耦合用于测定信号直流绝对值和观测极低频信号。交流耦合用于观测交流和含有直流成分的交流信号。在数字电路实验中，一般选择“直流”方式，以便观测信号的绝对电压值。

　　2.5 触发

　　第一节指出，被测信号从Y轴输入后，一部分送到示波管的Y轴偏转板上，驱动光点在荧光屏上按比例沿垂直方向移动;另一部分分流到x轴偏转系统产生触发脉冲，触发扫描发生器，产生重复的锯齿波电压加到示波管的X偏转板上，使光点沿水平方向移动，两者合一，光点在荧光屏上描绘出的图形就是被测信号图形。由此可知，正确的触发方式直接影响到示波器的有效操作。为了在荧光屏上得到稳定的、清晰的信号波形，掌握基本的触发功能及其操作方法是十分重要的。

　　1.触发源(Source)选择

　　要使屏幕上显示稳定的波形，则需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路。触发源选择确定触发信号由何处供给。通常有三种触发源：内触发(INT)、电源触发(LINE)、外触发EXT)。

　　内触发使用被测信号作为触发信号，是经常使用的一种触发方式。由于触发信号本身是被测信号的一部分，在屏幕上可以显示出非常稳定的波形。双踪示波器中通道1或者通道2都可以选作触发信号。

　　电源触发使用交流电源频率信号作为触发信号。这种方法在测量与交流电源频率有关的信号时是有效的。特别在测量音频电路、闸流管的低电平交流噪音时更为有效。

　　外触发使用外加信号作为触发信号，外加信号从外触发输入端输入。外触发信号与被测信号间应具有周期性的关系。由于被测信号没有用作触发信号，所以何时开始扫描与被测信号无关。

　　正确选择触发信号对波形显示的稳定、清晰有很大关系。例如在数字电路的测量中，对一个简单的周期信号而言，选择内触发可能好一些，而对于一个具有复杂周期的信号，且存在一个与它有周期关系的信号时，选用外触发可能更好。

　　2.触发耦合(Coupling)方式选择

　　触发信号到触发电路的耦合方式有多种，目的是为了触发信号的稳定、可靠。这里介绍常用的几种。

　　AC耦合又称电容耦合。它只允许用触发信号的交流分量触发，触发信号的直流分量被隔断。通常在不考虑DC分量时使用这种耦合方式，以形成稳定触发。但是如果触发信号的频率小于10Hz，会造成触发困难。

　　直流耦合(DC)不隔断触发信号的直流分量。当触发信号的频率较低或者触发信号的占空比很大时，使用直流耦合较好。

　　低频抑制(LFR)触发时触发信号经过高通滤波器加到触发电路，触发信号的低频成分被抑制;高频抑制(HFR)触发时，触发信号通过低通滤波器加到触发电路，触发信号的高频成分被抑制。此外还有用于电视维修的电视同步(TV)触发。这些触发耦合方式各有自己的适用范围，需在使用中去体会。

　　3.触发电平(Level)和触发极性(Slope)

　　触发电平调节又叫同步调节，它使得扫描与被测信号同步。电平调节旋钮调节触发信号的触发电平。一旦触发信号超过由旋钮设定的触发电平时，扫描即被触发。顺时针旋转旋钮，触发电平上升;逆时针旋转旋钮，触发电平下降。当电平旋钮调到电平锁定位置时，触发电平自动保持在触发信号的幅度之内，不需要电平调节就能产生一个稳定的触发。当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，用释抑(HoldOff)旋钮调节波形的释抑时间(扫描暂停时间)，能使扫描与波形稳定同步。

　　极性开关用来选择触发信号的极性。拨在“+”位置上时，在信号增加的方向上，当触发信号超过触发电平时就产生触发。拨在“-”位置上时，在信号减少的方向上，当触发信号超过触发电平时就产生触发。触发极性和触发电平共同决定触发信号的触发点。

　　2.6 扫描方式(SweepMode)

　　扫描有自动(Auto)、常态(Norm)和单次(Single)三种扫描方式。

　　自动：当无触发信号输入，或者触发信号频率低于50Hz时，扫描为自激方式。

　　常态：当无触发信号输入时，扫描处于准备状态，没有扫描线。触发信号到来后，触发扫描。

　　单次：单次按钮类似复位开关。单次扫描方式下，按单次按钮时扫描电路复位，此时准备好(Ready)灯亮。触发信号到来后产生一次扫描。单次扫描结束后，准备灯灭。单次扫描用于观测非周期信号或者单次瞬变信号，往往需要对波形拍照。

　　上面扼要介绍了示波器的基本功能及操作。示波器还有一些更复杂的功能，如延迟扫描、触发延迟、X-Y工作方式等，这里就不介绍了。示波器入门操作是容易的，真正熟练则要在应用中掌握。值得指出的是，示波器虽然功能较多，但许多情况下用其他仪器、仪表更好。例如，在数字电路实验中，判断一个脉宽较窄的单脉冲是否发生时，用逻辑笔就简单的多;测量单脉冲脉宽时，用逻辑分析仪更好一些。

示波器按用途和特点的分类

　电子设备可以划分为两类：模拟设备和数字设备。模拟设备的电压变化连续，而数字设备处理的是代表电压采样的离散二元码。传统的电唱机是模拟设备，而CD 播放器是属于数字设备。

　　同样，示波器也能分为模拟和数字类型。模拟和数字示波器都能够胜任大多数的应用。但是，对于一些特定应用，由于两者具备的不同特性，每种类型都有适合和不适合的地方。作进一步划分，数字示波器可以分为数字存储示波器( DSO)、数字荧光示波器( DPO)和采样示波器。

　　模拟示波器

　　在本质上，模拟示波器工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。示波器屏幕通常是阴极射线管( CRT)。电子束投到荧幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。当电子束水平扫过显示器时，信号的电压是电子束发生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上。在屏幕同一位置电子束投射的频度越大，显示得也越亮。

　　CRT 限制着模拟示波器显示的频率范围。在频率非常低的地方，信号呈现出明亮而缓慢移动的点，而很难分辨出波形。在高频处，起局限作用的是CRT的写速度。当信号频率超过CRT的写速度时，显示出来的过于暗淡，难于观察。模拟示波器的极限频率约为1GHz。

　　当把示波器探头和电路连接到一起后，电压信号通过探头到达示波器的垂直系统。图13 图解出模拟示波器是如何显示被测信号。设置垂直标度(对伏特/ 格进行控制)后，衰减器能够减小信号的电压，而放大器可以增加信号电压。

　　随后，信号直接到达CRT的垂直偏转板。电压作用于这些垂直偏转板，引起亮点在屏幕中移动。亮点是由打在CRT内部荧光物质上的电子束产生的。正电压引起点向上运动，而负电压引起点向下运动。

　　信号也经过触发系统，启动或触发水平扫描。水平扫描是水平系统亮点在屏幕中移动的行为。触发水平系统后，亮点以水平时基为基准，依照特定的时间间隔从左到右移动。许多快速移动的亮点融合到一起，形成实心的线条。如果速度足够高，亮点每秒钟扫过屏幕的次数高到500000 次。

　　水平扫描和垂直偏转共同作用，形成显示在屏幕上的信号图象。触发器能够稳定实现重复的信号，它确保扫描总是从重复信号的同一点开始，目的就是使呈现的图象清晰。参照图14。

　　另外，模拟示波器有对聚焦和亮度的控制，可调节出锐利和清晰的显示结果。为显示“实时”条件下或突发条件下快速变化的信号，人们经常推荐使用模拟示波器。模拟示波器的显示部分基于化学荧光物质，它具有亮度级这一特性。在信号出现越多的地方，轨迹就越亮。通过亮度级，仅观察轨迹的亮度就能区别信号的细节。

　　数字示波器

　　与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转换器( ADC)把被测电压转换为数字信息。它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。随后，数字示波器重构波形。(参看图15。)

　　数字示波器分为数字存储示波器( DSO)、数字荧光示波器( DPO)和采样示波器。

　　数字的手段则意味着，在示波器的显示范围内，可以稳定、明亮和清晰地显示任何频率的波形。对重复的信号而言，数字示波器的带宽是指示波器的前端部件的模拟带宽，一般称之为3dB 点。对于单脉冲和瞬态事件，例如脉冲和阶跃波，带宽局限于示波器采样率之内。为了解更多的细节，请参照性能术语和应用部分的采样率一节。

　　数字存储示波器

　　常规的数字示波器是数字存储示波器(DSO)。它的显示部分更多基于光栅屏幕而不是基于荧光。

　　数字存储示波器(DSO)便于您捕获和显示那些可能只发生一次的事件，通常称为瞬态现象。以数字形式表示波形信息，实际存储的是二进制序列。这样，利用示波器本身或外部计算机，方便进行分析、存档、打印和其他的处理。波形没有必要是连续的;即使信号已经消失，仍能够显示出来。与模拟示波器不同的是，数字存储示波器能够持久地保留信号，可以扩展波形处理方式。然而，DSO没有实时的亮度级;因此，他们不能表示实际信号中不同的亮度等级。组成DSO的一些子系统与模拟示波器的一些部分相似。但是，DSO包含更多的数据处理子系统，因此它能够收集显示整个波形的数据。从捕获信号到在屏幕上显示波形，DSO采用串行的处理体系结构，如图16所示。随后将对串行处理体系作讲解。

　　串行处理体系结构

　　与模拟示波器一样，DSO 第一部分(输入)是垂直放大器。在这一阶段，垂直控制系统方便您调整幅度和位置范围。紧接着，在水平系统的模数转换器( ADC)部分，信号实时在离散点采样，采样位置的信号电压转换为数字值，这些数字值称为采样点。该处理过程称为信号数字化。水平系统的采样时钟决定ADC采样的频度。该速率称为采样速率，表示为样值每秒(S/s)。

　　来自ADC的采样点存储在捕获存储区内，叫做波形点。几个采样点可以组成一个波形点。波形点共同组成一条波形记录。创建一条波形记录的波形点的数量称为记录长度。触发系统决定记录的起始和终止点。DSO信号通道中包括微处理器，被测信号在显示之前要通过微处理器处理。微处理器处理信号，调整显示运行，管理前面板调节装置，等等。信号通过显存，最后显示到示波器屏幕中。

　　在示波器的能力范围之内，采样点会经过补充处理，显示效果得到增强。可以增加预触发，使在触发点之前也能观察到结果。目前大多数数字示波器也提供自动参数测量，使测量过程得到简化。

　　DSO 提供高性能处理单脉冲信号和多通道的能力(参看图17)。DSO是低重复率或者单脉冲、高速、多通道设计应用的完美工具。在数字设计实践中，工程师常常同时检查四路甚至更多的信号，而DSO则成为标准的合作伙伴。

　　数字荧光示波器

　　数字荧光示波器(DPO)为示波器系列增加了一种新的类型。DPO的体系结构使之能提供独特的捕获和显示能力，加速重构信号。DSO 使用串行处理的体协结构来捕获、显示和分析信号;相对而言，DPO为完成这些功能采纳的是并行的体系结构，如图18所示。DPO采用 ASIC硬件构架捕获波形图象，提供高速率的波形采集率，信号的可视化程度很高。它增加了证明数字系统中的瞬态事件的可能性。随后将对该并行处理体系结构进行阐述。

　　串行处理体系结构

　　DPO的第一阶段(输入)与模拟示波器相似(垂直放大器)，第二阶段与DSO 相似(ADC)。但是，在模数转换后，DPO与原来的示波器相比就有显著的不同之处。

　　对所有的示波器而言，包括模拟、DSO和DPO示波器，都存在着释抑时间。在这段时间内，仪器处理最近捕获的数据，重置系统，等待下一触发事件的发生。在这段时间内，示波器对所有信号都是视而不见的。随着释抑时间的增加，对查看到低频度和低重复事件的可能性就会降低。

　　请注意，由显示的更新速率简单地推断采集到事件的概率是不可能的。如果只是依靠显示更新速率，就确认示波器能采集到波形的所有相关信息，那么是很容易犯错误的，因为，实际上示波器并没有作到。数字存储示波器串行处理采集到的波形。由于微处理器限制着波形的采集速率，所以微处理器是串行处理的瓶颈。

　　DPO把数字化的波形数据进一步光栅化，存入荧光数据库中。每1/30秒，这大约是人类眼睛能够觉察到的最快速度，存储到数据库中的信号图象直接送到显示系统。波形数据直接光栅化，以及直接把数据库数据拷贝到显存中，两者共同作用，改变了其他体系在数据处理方面的瓶颈。结果是增加了“使用时间”，增强显示更新能力。信号细节、间断事件和信号的动态特性都能实时采集。DPO微处理器与集成的捕获系统一道并行工作，完成显示管理、自动测量和设备调节控制工作，同时，又不影响示波器的捕获速度。

　　DPO如实地仿真模拟示波器最好的显示属性，并在三维显示信号：时间、幅度和以时间为参变量的幅度变化，三者都是实时的。模拟示波器依靠化学荧光物质，与此不同，DPO使用完全的电子数字荧光，其实质是不断更新的数据库。针对示波器显示屏幕的每一个点，数据库中都有独立的“单元(cell)”。一旦采集到波形(即示波器一触发)，波形就映射到数字荧光数据库的单元组内。每一个单元代表着屏幕中的某位置。当波形涉及到该单元，单元内部就加入亮度信息;没有涉及到则不加入。因此，如果波形经常扫过的地方，亮度信息在单元内会逐步累积。

　　当数字荧光数据库传送到示波器的显示屏幕后，根据各点发生的信号频率的比例，显示屏展示加入亮度形式的波形区域，这与模拟示波器的亮度级特性非常类似。DPO也可以显示不断变化的发生频率的信息，显示屏对不同的信息呈现不同的颜色，这一点与模拟示波器不同。利用DPO，可以比较由不同触发器产生的波形之间的异同，例如，比较某波形与第100 号触发器产生波形的区别。

　　数字荧光示波器(DPO)突破模拟和数字示波器技术之间的障碍。它同时适合观察高频和低频信号、重复波形，以及实时的信号变化。只有DPO 实时提供Z(亮度)轴，常规的DSO 已经丧失了这一功能。

　　对那些需要最好的通用设计和故障检测工具以适合大范围应用的人来说，DPO是一个理想工具。DPO典型应用有：通信模板测试，中断信号的数字调试，重复的数字设计和定时应用。

　　数字采样示波器

　　当测量高频信号时，示波器也许不能在一次扫描中采集足够的样值。如果需要正确采集频率远远高于示波器采样频率的信号，那么数字采样示波器是一个不错的选择(参看图21)。这种示波器采集测量信号的能力要比其他类型的示波器高一个数量级。在测量重复信号时，它能达到的带宽以及高速定时都十倍于其他示波器。连续等效时间采样示波器能达到50GHz 的带宽。

　　与数字存储和数字荧光示波器体系结构不同，在数字采样示波器的体系结构中，置换了衰减器/ 放大器于采样桥的位置，参照图20。在衰减或放大之前对输入信号进行采样。由于采样门电路的作用，经过采样桥以后的信号的频率已经变低，因此可以采用低带宽放大器，其结果，整个仪器的带宽得到增加。

　　然而，采样示波器带宽的增加带来的负面影响是动态范围的限制。由于在采样门电路之前没有衰减器/ 放大器，所以不能对输入信号进行缩放。所有时刻的输入信号都不能超过采样桥满动态范围。因此，大多数采样示波器的动态范围都限制在1V 的峰值- 峰值。另一方面，数字存储和数字荧光示波器却能够处理50 到100 伏特的输入。

　　另外，采样桥的前面不能增加保护二极管，否则会限制带宽。因此，采样示波器的安全输入电压大约只有3V，相对而言，其他示波器可以高达500V。