原创 示波器的认识和使用

1. 示波器的构造

一般示波器主要由Y轴偏转系统、X轴偏系统、显示系统和电源系统四部分组成。Y轴偏转系统包括Y放大器，用于放大被观测信号以控制电子束的垂直偏转；X轴偏转系统包括触发电路、同步电路、扫描电路和X放大电路，用于产生稳定的线性扫描信或放大外接待测信号，以控制电子束的水平偏转；显示系统包括电子束形成和控制电路及荧光屏。

示波管是示波器中的显示部件，在一个抽成真空的玻璃泡中，装中各种电极，其内部结构如上图所示。包括电子枪、偏转板及荧光屏三个主要部分。其中电子枪用以产生定向运动的高速电子。它包括三个电极：
①热阴极K。这是一个罩在灯丝外面的小金属圆筒，其端头涂有氧化物，当灯丝中通以电流而使阴极受热时，阴极就会发射电子，并形成电子流，阴极射线的名称由此而来。
②控制栅极G。这是一个端头开有小孔的金属圆筒，套于阴极外面，电子可以从小孔通过，由于工作时栅极的电位比阴极低，故可控制通过小孔的电子数目。也就是说，调节栅极电位，就可以控制到达荧光屏的电子流强度，使荧光屏光点的亮度（也称辉度）发生变化，这称为辉度调节。
③阳极A。这也是由带小孔的圆筒所组成，阳极电压（对阴极而言）约1000∽2000V，可使电子束得到很高的速度，而且阳极区域的电场还能将由栅极过来的散开的电子流聚焦成一窄细的电子束。通过改变阳极电压的大小来调节电子束聚焦程度，即荧光屏上光点的大小，这称为聚焦调节。

偏转板包括：垂直偏转板和水平偏转板。设电子枪发射过来的电子原来是射在荧光屏中心的，如加上一定电压，则电子束经过极板时，因受到垂直和水平方向的电场力作用而偏转，光点偏转距离的大小与加在偏转板上的偏转电压成正比。

荧光屏内壁涂有发光物质，当它受到具有足够能量的电子轰击时，会发出可见光。在电子轰击停止后，发光仍能持续一段时间，这段时间称为余辉，余辉的久暂取决于发光物质的成分。一般示波管分为长余辉、短余辉和中余辉三类，而我们较常使用发绿光的中余辉管。在荧光屏上，电子束的动能不仅转换成光能，同时还转换成热能。因此，若电子束长时间地轰击屏幕上某一点或电子流密度过大，就可能把被轰击点的发光物质烧毁，从而形成暗斑，故在操作时应予注意。

2.示波器的工作原理
示波器是采用静电偏转的方式工作的。从电偏转的规律可知，荧光屏上光点的位移方向和大小正比于加在偏转板上的电压的方向和大小。

若在垂直偏转板（以下简称Y轴）上加一个交流电压信号，则电子束随信号在垂直方向偏转。

把两个信号分别加在X、Y轴上，则电子束在这两个信号电压的共同作用下，合运动形成一个与二量相关的函数图形。如果二量变化频率相同（或成简单整数比）、位相差恒定，则会得到稳定的图形。这正是示波器显示任何二量的函数曲线的原理。

若运用示波器观波形，常把被研究信号电压加到Y轴输入端。为了使波形展开，在X轴加上"扫描电压"。电子束在X、Y轴电压的合作用下偏转运行。与上述二量函数图线不同的是，"扫描电压"是随时间线性变化的周期性电压，也称为锯齿波电压。电子束在其作用下，就会依时间线性地自左至右移动，信号就会被展开（称为扫描正程），致电压端点后，又立即返回前页原位置（称为扫描逆程或回扫程）。然后又进行下一个周期的扫描。这样，荧光屏上的光点除沿Y轴方向运动外，还沿X轴方向被扫描，调整扫描周期为信号周期的n倍。则屏上将看到n个周期稳定的信号图形。

如果X、Y轴信号周期比不为整数，则第二次扫描的曲线与第一次扫描的轨迹不能重合，荧光屏上将看到不稳定甚至紊乱的图象。

为了方便观测波形，在示波器的X轴系统都设有锯齿波发生器，产生一定频率范围的、线性良好的扫描波，供观测波形调节作用。
为了观察稳定的波形，常用同步控制。一般是设法引入另一个幅度可以调节的电压，以控制扫描电压的频率，从而满足上述条件，这就是整步作用（或称同步作用），所引入的电压称作整步电压。整步电压可以取自被测信号（称内整步）或电源电压（称电源整步），也可将另一外加信号由"整步输入"接线柱接入（称为外整步），总之，视需要而定。一般情况下，常使用"内整步"。整步电压不可过大，否则尽管图形的稳定的，但不能获得被测信号的完整波形。因同步起作用的极性不同，又有正、负之分。

为适于观测单一脉冲或周期长的窄脉冲信号，常采用触发扫描方式，即有触发信号作用，就扫描，否则扫描不工作。与同步信号类似，触发信号也有内、外、正、负之分。

为将两波形进行研究，在单枪示波管的条件下，制成由电子开关控制Y放大器从而使屏上能显示两个信号的示波器--双踪示波器。电子开关具有两种工作方式：一种同步转换，每次回扫期间转换因而可以交替显示两个完整的信号波形；另一种是断续转换，由电子开关自激振荡器转换，看到的将是断续的图形。两种方式，供适当选用。前者适用于观察几十赫兹以上的信号，后者适用于几赫兹以下的信号观测。

如有两个不同频率的正弦电压分别从示波器的X和Y轴输入，则在示波器上所观察到的将是怎样的一个合成图形呢？由振动理论知道，当正交的二正弦振动满足周期相同（或成简单整数比）且相位差恒定时，则合成为李萨如图形。由于李萨如图形与这两个正弦电压的频率比值有关，因此示波法常用标准信号与待测信号合成李萨如图形来测定未知频率和相位，这种测量方法的精确程度取决于用作标准信号的精确度。一般李萨如图形适用于测量频率稳定的低频信号。

3.仪器介绍
（1）双踪示波器
它是现代通讯、模拟装置以及现代医学、电生理等学科研究工作以及工厂生产线等理想的电子测量仪器。现将其主要技术指标介绍如下：
① 示波管为中余辉示波管。
② Y轴系统。偏转因数：共10档；频率响应：DC耦合， AC耦合；工作方式： 叠加、交替、断续。
③水平系统。频率响应、偏转因数：同Y轴；扫描时间因数：共20档，扩展×5；触发极性："+"或"-"。
④标准信号。波形：方波；频率：1KHz；幅度：0.5V。

（2） 工作原理

只有一个Y通道显示波形的为单踪示波器。而二踪示波器具有二个Y通道，可在具有同一个Y偏向板下显示两个通道的信号，其关键在于电子开关的控制作用。

电子开关由两晶体三极管电路组成，分别控制两个通道。当单踪工作时，其中一只晶体管输出低电平，此时只有一个通道（CH1或CH2）工作，而另一只晶体管输出高电平，此通道（CH2或CH1）关闭。当叠加工作时，两只晶体管均输出低电平，此时两通道均工作，示波器显示的是两个通道信号的合信号。在交替工作时，两只晶体管组成双稳态触发器，由扫描闸门触发其翻转，从而实现两通道信号在各次扫描时轮流交替工作。在断续工作时，两只晶体管组成自激多谐振荡器，振荡频率约250HKz。因此在每次扫描时，两通道分别轮流多次开通。交替工作方式和断续工作方式均是控制二个通道轮流工作，都可在荧光屏上同时显示二个通道的讯号波形。只是两种方式对观测信号的频率范围要求不同。
（3）基本操作

首先将各有关控制件置于所列作用位置。

接通电源，电源指示灯亮。预热约１０分钟，分别调亮度和聚焦钮，使光迹的亮度适中、清晰。通过连接电缆将示波器本机校准信号输入至ｘ或y通道，调节触发电平旋钮使波形稳定，分别调节X轴和Y轴的位移与偏转因数选择开关使波形大小与位置适中。

４、测量时的使用方法
（１）交流峰－峰值测量
将被测信号馈入垂直1通道输入端，置工作方式于被使用的通道，垂直偏转因数开关置适当位置，调节触发"电平"获得稳定的显示。从显示屏上读出波形峰到峰的偏转幅度ＤＩＶ，计算峰－峰值电压：

垂直偏转幅度=垂直偏转因数*探极衰减倍率
（２）测量二个相加信号

在垂直方式置于"叠加"时，所显示的波形为1输入信号和2输入信号的代数和。如果相位为"反相"，所显示的信号为1和2输入信号的差。

用"叠加"方式时，必须注意以下几个方面：
①输入信号不要超过示波器最大安全输入电压。
②输入信号不要超过偏转因数档级八倍的等效值。
③用"位移"尽量将信号移至屏幕中心，这保证相加时的最大动态范围。
④开关置于相同位置，以获得两通道相同的频率响应（低频下）。

（3）周期的测量
首先调节使待测信号的波形稳定，然后准确地读出该信号一个周期所对应的水平距离（扫描微调置于"校正"位置），则信号周期Ｔ可计算。

（4）频率的测量
测量被测信号的频率有二种方法：方法一：根据周期测量的方法，测出周期，则信号的频率可得。
方法二：使用X－Y工作方式测量信号的频率。
首先将已知频率的信号送至X轴，被测频率的信号送至Y轴，调整有关控制钮，使波形清晰、稳定，则被测信号的频率可得。
但必须指出，使用这种方法测量时，输入必须是正弦信号才行。