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示波器是一种使用广泛且相对复杂的仪器。 本章从使用的角度介绍示波器的原理和使用方法。

一、示波器的工作原理

示波器是利用电子示波管的特性，将人眼不能直接观察到的交流信号转换成图像，显示在荧光屏上进行测量的电子测量仪器。 是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果不可缺少的重要仪器。 示波器由示波器及电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统和标准信号源组成。

1.示波管

阴极射线管是示波器的心脏。 它将电信号转换成光信号。 如图1所示，电子枪、偏转线圈和荧光屏被密封在一个真正的中空玻璃外壳中，形成一个完整的示波管。

图1 示波管内部结构及供电示意图。

(1)荧光屏

目前示波管的屏幕通常为矩形平面，在内表面沉积一层磷光材料，形成荧光膜。 蒸镀铝膜通常添加到荧光膜中。 高速电子穿过铝膜，撞击荧光粉发光，形成亮点。 铝膜具有内反射功能，有利于提高亮点亮度。 铝膜还具有散热等其他功能。

当电子停止轰击时，亮点不会立即消失，而是会保留一段时间。 亮点亮度下降到原来10%的时间称为“余辉时间”。 余辉时间小于10μs为极短余辉，10μs-1ms为短余辉，1ms-0.1s为中等余辉，0.1s-1s为长余辉，大于1s为极长余辉。 一般示波器都配中等余辉示波器，高频示波器用短余辉，低频示波器用长余辉。

由于使用不同的磷光材料，荧光屏可以发出不同颜色的光。 一般示波器通常使用绿色示波器来保护人们的眼睛。

(2) 电子枪与聚焦

电子枪由灯丝（F）、阴极（K）、栅极（G1）、前加速电极（G2）（或第二栅极）、第一阳极（A1）和第二阳极（A2）组成。 它的作用是发射电子，形成极细的高速电子束。 灯丝通电加热阴极，阴极受热发射电子。

栅极是一个金属圆柱体，顶部有一个小孔，可以套在阴极上。 由于栅极电位低于阴极电位，阴极发射的电子受到控制。 一般只有少量初速度高的电子在阳极电压的作用下才能通过栅孔冲向荧光屏。 具有低初始速度的电子仍然返回阴极。

如果栅极电势太低，所有电子都会返回阴极，即管子关闭。 调节电路中的W1电位器，可以改变栅极电位，控制发射到荧光屏上的电子流密度，从而调节亮点的亮度。 第一阳极、第二阳极和前加速电极均为与阴极同轴的三个金属圆柱体。 前加速极G2接A2，外加电位高于A1。 G2的正电位加速阴极电子到荧光屏。

电子束从阴极行进到荧光屏时，要经过两个聚焦过程。 第一次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2称为示波管的第一电子透镜。 第二次对焦发生在 G2、A1 和 A2 区域。 调整第二阳极A2的电位，可以使电子束汇聚在屏幕上的一点，即第二焦点。 A1上的电压称为聚焦电压，A1也称为聚焦电极。 有时，需要微调第二阳极A2（也称为辅助聚焦电极）的电压，因为无法调整A1的电压以达到良好的聚焦效果。

(3)偏转系统

偏转系统控制电子束的方向，使荧光屏上的光斑能够描述被测信号随外界信号变化的波形。 在图 8.1 中，Y1、Y2、x1 和 X2 两对垂直偏转板组成了一个偏转系统。 Y轴偏转板在前，X轴偏转板在后，所以Y轴灵敏度高（被测信号经过处理后加在Y轴上）。 分别向两对偏转板施加电压，使两对偏转板之间形成电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向的偏转。

2、示波管电源

为了使示波器正常工作，对电源有一定的要求。 规定第二阳极与偏转板之间的电位接近，偏转板的平均电位为零或接近于零。 阴极必须在负电位下工作。 栅极G1相对于阴极为负电位(-30V～-100V)，可通过调节实现亮度调节。 第一阳极为正电位（约+100V～+600V），也应可调，用于调焦。

第二个阳极接前加速电极，阴极加正高压（约+1000V）。 相对于地电位的可调范围为50V V。由于示波管各电极的电流很小，可以通过一个电阻分压器，由普通高压供电。

二、示波器的基本组成

从上一节可以看出，只要控制X轴偏转板和Y轴偏转板上的电压，就可以控制示波器显示的图形形状。 我们知道电子信号是时间f(t)的函数，它随时间变化。 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，将被测信号加到Y轴上（放大或缩小），则被测信号变化的图形随时间会显示在示波管的屏幕上。 在电信号中，在一段时间内与时间变量成正比的信号是锯齿波。

示波器的基本框图如图2所示，由示波管、Y轴系统、X轴系统、Z轴系统和电源组成。

图2 示波器的基本组成框图

被测信号①由“Y&#34输入端接收，经Y轴衰减器适当衰减后送入Y1放大器（前置放大），以及推挽输出信号②和③. г 1 时间经延迟级延迟到Y2放大器，放大后产生足够的信号④和⑤，加到示波管的Y轴偏转板上，以便在示波器上显示完整稳定的波形在屏幕上，Y轴的测量信号③被引入X轴系统的触发电路，在输入信号的正（或负）极性的某一电平值处产生触发脉冲⑥，并且锯齿波扫描电路（时基发生器）启动，产生扫描电压⑥。

由于从触发到开始扫描有一个时间延迟 г 2 ，Y轴的延迟时间 ga 1 应该比x轴的延迟时间 ga 2 稍长，以确保y轴信号在到达荧光粉之前开始扫描屏幕。 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。 Z轴系统用于放大正向扫描电压，使其成为正向矩形波，送入示波器的栅极。 这会导致显示的波形在前向扫描路径中具有一定的固定亮度，并在扫描返回路径中被擦除。

以上就是示波器的基本工作原理。 双轨显示是通过电子开关将Y轴输入的两种不同的测量信号显示在屏幕上。 由于人眼视觉的连续性，当开关频率达到一定程度时，会看到两个稳定清晰的信号波形。

示波器中往往有一个准确稳定的方波信号发生器，用于校准示波器。

3、示波器的使用

本节介绍如何使用示波器。 示波器有多种类型和型号，具有不同的功能。 20MHz或40MHz双迹示波器广泛用于数字电路实验。 这些示波器的用法是相似的。 本节不针对某一种示波器，仅从概念上介绍数字电路实验中示波器的常用功能。

1、荧光屏

荧光屏是示波管的显示部分。 屏幕上水平和垂直方向有多条刻度线示波器使用方法图解，表示信号波形的电压与时间的关系。 水平方向代表时间，垂直方向代表电压。 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%，水平方向标有10%、90%，分别用于测量直流电平、交流信号幅值、延迟时间等参数。 将屏幕上被测信号所占的方格数乘以一个合适的比例常数（v/div，TIME/DIV）即可得到电压值和时间值。

2、示波管及供电系统

(1)电源(电源)

示波器主电源开关。 当按下开关时，电源指示灯亮起，表示电源已打开。

(2)强度

旋转此旋钮可更改点和扫描线的亮度。 观察低频信号时可以小一些，观察高频信号时可以大一些。 一般不要太亮，以保护荧光屏。

(3) 重点

聚焦旋钮调节电子束的横截面，使扫描线聚焦到最锐利的状态。

(4) 标尺亮度

这个旋钮调节屏幕后面的灯的亮度。 在正常的室内光线下，最好将灯光调暗。 在室内光线不足的环境中，可适当开启照明。

3.垂直挠度系数和水平挠度系数

(1)垂直偏转系数选择(伏/格)和微调。

在单位输入信号的作用下，光点在屏幕上偏离的距离称为偏移灵敏度，对X轴和Y轴均适用。 灵敏度的倒数称为偏转系数。 垂直灵敏度的单位为cm/V、cm/mv或div/mv、div/v，垂直偏转系数的单位为v/cm、mv/cm或v/div、mv/div。 事实上，由于惯例和测量电压读数的便利性，偏转系数有时被认为是灵敏度。

跟踪示波器中的每个通道都有一个垂直偏转因数选择波段开关。 一般以1、2、5的形式分为5mV/DIV至5v/DIV共10个档位。波段开关指示的数值代表荧光屏垂直方向上某一格的电压值。 例如，当波段开关设置为1V/div时，如果屏幕上的信号点移动一格，则表示输入信号电压变化了1V。

每个波段开关上通常有一个小旋钮，用于微调每个波段的垂直偏转系数。 顺时针转动到底，处于“校准”位置。 此时垂直偏转系数值与波段开关指示的值一致。 逆时针转动旋钮微调垂直偏转系数。 微调垂直偏转系数后，会与波段开关指示的数值不一致，需要注意。 许多示波器都具有垂直扩展功能。 拉出微调旋钮，垂直灵敏度会扩大数倍（偏转系数会降低数倍）。 例如，如果波段开关指示的偏转系数为1V/DIV，则在使用×5扩展状态时，垂直偏转系数为0.2V/DIV。

做数字电路实验时，常用被测信号在屏幕上的垂直移动距离与+5V信号在屏幕上垂直移动距离的比值来判断被测信号的电压值。

(2) 时间/分割和微调。

时基的选择和微调类似于垂直偏转系数的选择和微调。 时基选择也是通过波段开关实现的示波器使用方法图解，时基按照1、2、5的模式分为几个档位，波段开关的指示值代表光斑移动的时间值水平方向一格。 例如，在 1μS/div 文件中，点在屏幕上移动一个网格以表示 1μS 的时间值。

微调旋钮用于时基校准和微调。 当底座顺时针旋转到校准位置时，屏幕显示的时基值与波段开关显示的标称值一致。 逆时针转动旋钮微调时基。 拉出旋钮后，处于扫描展开状态。 通常为×10扩展，即水平灵敏度扩大10倍，时基缩小为1/10。例如2μS/DIV文件中，水平格子表示的时间值扫描扩展状态下的屏幕等于

2μS×(1/10)=0.2μS

TDS实验平台上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz时钟信号，由石英晶振和分频器产生。 它们精度高，可用于校准示波器的时基。

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

示波器前面板上的位置旋钮调节信号波形在屏幕上的位置。 旋转水平移位旋钮（标有水平双箭头）可左右移动信号波形，旋转垂直移位旋钮（标有垂直双箭头）可上下移动信号波形。

4. 输入通道和输入耦合选择

(1) 输入通道选择

输入通道至少有三个选项：通道 1 (CH1)、通道 2 (CH2) 和双通道。 选择通道1时，示波器只显示通道1的信号。选择通道2时，示波器只显示通道2的信号。选择双通道时，示波器显示通道1和通道2的信号。 测试信号时，应先将示波器的地与被测电路的地相连。

根据输入通道的选择，将示波器探头插入相应通道的插座，示波器探头上的地与被测电路的地相连，示波器探头接触被测点。 示波器探头上有一个二位开关。 当开关拨到“×1”位置时，被测信号无衰减地送到示波器，从荧光屏上读出的电压值就是信号的实际电压值。 将此开关拨到“×10"位置，测得的信号衰减为1/10，再送入示波器，从屏幕上读出的电压值乘以10就是信号的实际电压值。

(2) 输入耦合方式

输入耦合方式有AC、GND、DC三种。 选择“地”时，扫描线在屏幕上显示“示波器地”的位置。 直流耦合用于测量信号的直流绝对值和观察频率非常低的信号。 交流耦合用于观察带有直流分量的交流和交流信号。 在数字电路实验中，一般选择“直流”模式来观察信号的绝对电压值。

5.触发器

第一段指出，被测信号从Y轴输入后，一部分送到示波管的Y轴偏转板，驱动光斑在荧光管上按比例在垂直方向移动屏幕; 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，加在示波管的X偏转板上，使光斑沿水平方向移动。 两者合二为一，光点在荧光屏上画出的图案就是待测信号。 的图片。

因此，正确的触发方式直接影响示波器的有效工作。 为了在荧光屏上获得稳定清晰的信号波形，掌握基本的触发功能及其操作方法是非常重要的。

(1) 触发源选择

为了在屏幕上显示出稳定的波形，需要在触发电路中加入被测信号本身或与被测信号具有一定时间关系的触发信号。 触发源选择决定了提供触发信号的位置。 通常有三种触发源：内部触发（int）、电源触发（LINE）和外部触发（ext）。

内部触发以测量信号作为触发信号，是一种常用的触发方式。 由于触发信号本身就是测量信号的一部分，因此可以在屏幕上显示非常稳定的波形。 可选择双迹示波器的通道1或通道2作为触发信号。

电源触发采用交流工频信号作为触发信号。 这种方法在测量与交流电源频率相关的信号时非常有效。 它在测量来自音频电路和晶闸管的低电平交流噪声方面特别有效。

外部触发使用外部信号作为触发信号，外部信号从外部触发输入端输入。 外部触发信号与测量信号之间应存在周期性关系。 由于测量信号不作为触发信号，因此何时开始扫描与测量信号无关。

触发信号的正确选择与波形显示的稳定性和清晰度有很大关系。 例如，在数字电路的测量中，对于简单的周期信号，选择内部触发可能会更好，但对于复杂周期的信号和与其有周期关系的信号，可能会更好选择一个外部触发器。

(2)触发耦合方式的选择

有多种方法可以将触发信号耦合到触发电路中，使触发信号稳定可靠。 下面是一些常用的。

交流耦合也称为电容耦合。 它只允许由触发信号的交流分量触发，同时切断触发信号的直流分量。 这种耦合方式通常在不考虑直流分量形成稳定触发时使用。 但是，如果触发信号的频率小于10Hz，则很难触发。

直流耦合不会阻挡触发信号的直流分量。 当触发信号频率较低或触发信号与零点的比值较大时，直流耦合较好。

LFR触发时，触发信号通过高通滤波器加到触发电路中，抑制触发信号中的低频成分。 当HFR被触发时，触发信号通过低通滤波器施加到触发电路，触发信号中的高频分量被抑制。 还有一个用于电视维护的电视同步 (TV) 触发器。 这些触发耦合方式都有各自的适用范围，需要在使用过程中有所了解。

(3)触发电平和触发极性。

触发电平调整，也称为同步调整，使扫描与测量信号同步。 电平调节旋钮调节触发信号的触发电平。 一旦触发信号超过旋钮设定的触发电平，扫描即被触发。 顺时针旋转旋钮，触发电平升高； 逆时针转动旋钮，触发电平会降低。 当电平旋钮调整到电平锁定位置时，触发电平自动保持在触发信号范围内，无需调整电平即可产生稳定的触发。 当信号波形复杂，无法用电平旋钮稳定触发时，可使用释抑旋钮调节波形的释放时间（扫描暂停时间），使扫描与波形稳定同步。

极性开关用于选择触发信号的极性。 当设置到“+”位置时，当触发信号沿信号递增方向超过触发电平时，将产生触发。 当设置到“-”位置时，当触发信号在信号减弱方向超过触发电平时，将产生触发。 触发极性和触发电平共同决定了触发信号的触发点。

6.扫描方式

共有三种扫描模式：自动、标准和单次。

自动：当没有触发信号输入或触发信号频率低于50Hz时，扫描方式为自激。

正常状态：当没有触发信号输入时，扫描处于就绪状态，没有扫描线。 当触发信号到达时，扫描被触发。

Single Shot：Single Shot 按钮类似于复位开关。 在单次扫描模式下，按下单次按钮时扫描电路复位，此时就绪灯亮。 触发信号到达后产生扫描。 一次扫描后，就绪灯熄灭。 单次扫描用于观察非周期性信号或单个瞬态信号，经常需要对波形进行拍照。

以上简要介绍了示波器的基本功能和操作。 示波器还有一些比较复杂的功能，比如延迟扫描、触发延迟、XY工作模式等，这里就不做介绍了。 示波器的操作上手容易，但真正的熟练还是需要在应用中掌握。 值得指出的是，虽然示波器的功能很多，但很多时候还是使用其他仪器为好。 例如，在数字电路实验中，用逻辑笔判断是否出现脉宽较窄的单脉冲就容易多了； 测量单个脉冲的脉宽时，最好使用逻辑分析仪。

四、使用数字示波器必须注意的问题

1 简介

数字示波器因其在波形触发、存储、显示、测量和波形数据分析处理等方面的独特优势而得到广泛应用。 由于数字示波器与模拟示波器的性能差异较大，如果使用不当，会产生较大的测量误差，影响测试任务。

2.区分模拟带宽和数字实时带宽。

带宽是示波器最重要的指标之一。 模拟示波器的带宽是固定值，而数字示波器的带宽包括模拟带宽和数字实时带宽。 数字示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽是示波器的数字实时带宽。 数字实时带宽与最高数字化频率和波形重构技术系数K有关（数字实时带宽=最高数字化率/K），不直接作为指标给出。

从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适用于重复周期信号的测量，而数字实时带宽既适用于重复信号的测量，也适用于单个信号的测量。 厂家声称示波器的带宽可以达到多少兆？ 其实指的是模拟带宽，数字实时带宽低于这个值。 比如TEK的TES520B，带宽是500MHz，其实就是它的模拟带宽是500MHz，而数字实时带宽最高只能达到400MHz，远远低于模拟带宽。 因此，在测量单个信号时，必须参考数字示波器的数字实时带宽，否则会给测量带来意想不到的误差。

3、采样率

采样率，又称数字化率，是指单位时间内模拟输入信号的采样数，常用ms/s表示。 采样率是数字示波器的一个重要指标。

(1) 如果采样率不够，很容易走样。

如果示波器的输入信号是100KHz的正弦信号，但示波器显示的信号频率是50KHz，这是怎么回事？ 这是因为示波器的采样率太慢，造成混叠。 混叠是指屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率，或者即使示波器上的触发灯亮着，显示的波形也不稳定。 混叠的产生如图1所示。

那么对于频率未知的波形，如何判断显示的波形是否重叠呢？ 可以慢慢将扫描速度t/div换成更快的时基文件，看看波形的频率参数是否有剧烈变化。 如果是这样，则表示发生了波形混叠。 或者抖动波形稳定在一个较快的时基上，这也说明出现了波形混叠。 根据奈奎斯特定理，采样率至少是信号高频分量的两倍，这样就不会发生混叠。 例如，500MHz 的信号至少需要 1GS/s 的采样率。 有几种方法可以简单地防止别名：

A、调整扫描速度；

B. 使用自动设置

C.尝试将采集模式切换为包络模式或峰值检测模式，因为包络模式是在多个采集记录中寻找极值，而峰值检测模式是在单个记录中寻找最大值和最小值采集记录，两种方法都可以检测到更快的信号变化。

如果示波器有Instu采集模式，可以选择Instu采集模式，因为波形采集速度快，所以显示的波形与模拟示波器显示的波形相似。

(2)采样率与t/div的关系

每台数字示波器的最大采样率都是一个固定值。 然而，在任何扫描时间 t/div，采样率 fs 由下式给出：

Fs=N/(t/div)N为每个格子的采样点。

当采样点数n为一定值时，fs与t/div成反比，扫描速度越高，采样率越低。

综上所述，在使用数字示波器时，为了避免重叠，最好将扫描速度文件放在较快的扫描速度上。 如果要捕捉稍纵即逝的毛刺，扫描速度档位最好放在主扫描速度较慢的位置。