示波器是一种使用非常广泛，且使用相对复杂的仪器。本章从使用的角度介绍一下示波器的原理和使用方法。

01
示波器工作原理

示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。它是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。示波器由示波管和电源系统、同步系统、X 轴偏转系统、Y 轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。

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。

02
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。

03
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。

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、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。

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。