示波器（Cathode ray oscilloscope，CRO）是直接观察和测量电压信号的通用仪器，具有十分广泛的用途。示波器的关键部件是示波管，示波管内电子射线的惯性很小，可用来观测上百兆赫的高频信号；输入通道放大器的增益很高，可观测毫伏量级的微弱信号；多踪示波器可以比较几个信号之间的波形、相位、频率、幅度等关系；配合相应的传感器，可把各种非电量转化成电压量，用示波器进行观测。随着现代数字技术的引入，示波器的性能更加优良。

一、 示波管（Oscillograph tube,CRT）

示波管是一个漏斗状的多极真空管，内含电子枪、偏转板和萤光屏三大部件，如图3.5.1所示。电视机和计算机监视器的显像管也属于这类器件。

电子枪发出高速电子束，射到萤光屏上激发萤光粉产生一个光点。水平偏转板X₁X₂上自动加有锯齿波扫描电压U_X，迫使电子束沿X方向周期性偏转，表现为光点在萤光屏上自左向右匀速移动。由于萤光粉的余辉效应和人眼的视觉暂留效应，我们将看到一条稳定的水平亮线，称为扫迹（Trace），它为我们建立了一条时间t轴。再给垂直偏转板Y₁Y₂加上待观测电压U_Y（多为交流电），迫使电子束同时沿Y方向偏转，表现为扫迹发生上下弯曲，逼真地刻画出电压幅值随时间变化的规律，我们就“看”到了U_Y的“波形”，此“波形”的幅值就是交流电信号U_Y的电压幅值。因此，萤光屏的Y轴是表达电压量值U_Y的，扫迹波形就是U_Y—t曲线。当U_Y是直流时，水平扫迹将向上（或向下）平移一个确定高度（直流电压值）。

增大电子束的速度，可提高扫迹辉度（INTEN）即亮度；恰当调节电子枪内的电场强度，可将电子束良好聚焦（FOCUS），使扫迹细锐，波形清晰。辉度和聚焦都是通过滑动变阻器来调节的，这些变阻器体积较小，做成转轴结构，称作“电位器”，其转轴伸出仪器面板并装有旋钮，供手动调节。辉度不可调得太亮，光点也不可停在一点上，否则使萤光屏加速老化。

图3.5.1  示波管示意图

二、同步扫描原理

只在Y偏转板加上交变电压U_Y，光点只沿Y方向往复移动，扫迹是一段稳定竖线，其长度显示U_Y的峰-峰值U_P-P。此时若在X偏转板加上锯齿波电压U_X，U_X上升沿的持续时间t_f为正程扫描时间，此期间U_X随t正比增大，迫使光点自左向右匀速移动，同时仍保持沿Y方向按U_Y的规律移动，两种运动合成的结果便把U_Y的一段波形（可以含n个周期）自左向右展开在萤光屏上。

U_X下降沿的持续时间t_r为逆程扫描时间，t_r t_f，U_X在t_r期间迅速减小到初始值，迫使光点迅速返回左端起始位置。为防止逆程扫迹扰乱波形，有专门电路在t_r期间令电子枪停止发射，屏上便不会出现逆程扫迹，称为逆程消隐。下一个正程t_f到来时，又重复以上过程。

待观察的U_Y信号对于时间轴来说，是一条无穷长波列。扫描过程就是逐次从这条波列上剪下等长（含有n个周期）的一段，贴在萤光屏上。如果每个正程扫描都从U_Y的n个周期以后的同一相位点开始，则每次的扫迹都与上次重合，由于视觉暂留和余辉效应，就可看到一段含有n个稳定周期的U_Y波形。可见显示稳定波形的条件是

          或    ，n=1，2，…                  （3.5.1）

式中T_X=t_f+t_r是锯齿波U_X的周期，f_X是它的频率；T_Y是待观测波U_Y的周期，f_Y是它的频率。图3.5.2示出T_X=2T_Y的情况，屏上显示U_Y波形的两个周期。

如果T_X比nT_Y小Δt，每次的扫迹都比上次左移一点，由于视觉暂留会产生动画效果，感到是一列行波向左移动。当Δt增大到不能维持动画效果时（典型状态Δt= ），各次扫迹交错迭加呈网状；继续增大到Δt= ，图形再次达到稳定，屏上波形减少一个周期。T_X比nT_Y大Δt的情况可按上述分析类推。

图3.5.2  稳定示波的条件

至此似乎可以实现稳定示波了，实际却不是这样。从物理光学我们得知，任何两个独立光源都不具有相干性；在示波器中，锯齿波U_X是由示波器内的振荡电路产生的，本机振荡器产生的锯齿波U_X和外来的待测信号U_Y同样不具有相干性，虽然震荡器的频率f_x（周期T_X）可以由微调扫速VARIABLE旋钮改变，但是只能暂时满足稳定波形的条件，由于U_X波源和U_Y波源内各自都存在随机变化，T_X、T_Y的随机漂移很快便积累到足以破坏稳定波形的条件，屏上波形由滚动变得错乱。为此，示波器内专门设置了同步电路，该电路将待测信号U_X经过必要的波形变换后作为同步信号，强迫U_X的频率随时与之同步，实现了稳定波形条件的持续成立。此时U_X、U_Y便成为相干波源，同步信号仿佛是U_X振荡电路的定时助推器。

同步扫描方式用于显示正弦波、三角波、对称方波等类信号效果很好；显示窄脉冲波形却不理想，为此必须采取触发扫描方式。在这种工作方式下，U_X振荡器平时并不振荡。U_Y脉冲到来时，电路把U_Y脉冲经过适当的波形变换作为触发信号，启动U_X振荡器产生一个周期的锯齿波，完成一次扫描，然后恢复到等待状态。由于每次扫描的起点均由触发信号控制，每次的扫迹必定重合。可见触发信号相当于开启U_X振荡器的钥匙，这种工作方式在一定意义上降低了对稳定波形的条件的依赖程度。在等待状态，电路自动将电子束消隐，避免静止的强光点灼伤萤光屏。所以在触发扫描工作方式下看不到水平扫迹。

同步信号和触发信号的幅度不是任意的，太大太小都不能正常扫描，在AUTO状态下表现为U_Y波形滚动，在NORM状态下表现为扫迹熄灭。此时应转动SWEEP MODE开关上方的LEVEL（电平）旋钮，使同步信号或触发信号幅度恰当，恢复正常示波。必须指出，同步信号和触发信号在萤光屏上是看不见波形的，只能根据U_Y波形显示的好坏来分析它们是否正常。

常用示波器采用中余辉萤光粉，当扫描速度很低（例如显示工频50Hz波形）时，扫迹的余辉时间不足以弥合视觉暂留空档，我们将会感到整个扫迹出现周期性闪烁，但此时仍能调节各次扫迹在原来位置出现，满足稳定波形条件的要求。我们要把扫迹闪烁和波形不稳定这两种现象区分开来。

三、信号输入

以上论述为稳定显示U_Y波形做好了必要的铺垫，下边讨论如何把U_Y信号输入到示波器中。图3.5.3给出了示波器电路方框图。方框图是表达各类系统的重要手段，在描述复杂电路时首先要画出电路框图，它能够直观简明地揭示电路整体功能和各部分之间的主从、因果、逻辑顺序等关系，以及揭示信号在其中的流动路线，避免纠缠在数目繁多的具体电子元件中。

1.放大与衰减

示波管X、Y偏转板的偏转因数约为每厘米几十伏，要使波形占满萤光屏，需给偏转板加上数十伏甚至数百伏电压。但是扫描电路产生的锯齿波U_X和某些待测信号U_Y往往只有数伏甚至数毫伏，必须通过水平放大器、垂直放大器（含前置放大器和主放大器）放大后送往示波管；另一方面待测信号的允许上限又高达250V，此时又应将U_Y衰减一定倍数才能正常显示波形。放大器的增益、衰减器的衰减比都是可调的，在示波器面板上合并体现为调节扫迹的偏转因数。

图3.5.3  双踪示波器电路方框图

示波器的面板上设有偏转因数调节旋钮来控制外信号的放大或衰减，在示波器的探头上还设有衰减开关，也可使信号衰减。通过对信号的放大或衰减可使示波器显示合适观测的波形。

2.工作方式

双踪示波器面板的有CH₁、CH₂两个区，之间有一个VERT  MODE（Y向工作方式）选择开关，它有以下4档：①CH₁为单踪显示；②CH₂也为单踪显示；③DUAL为双踪显示，一只电子枪显示两列波形，需要电子束“分身有术”，这个“分身术”是靠“工作方式控制电路”中的电子开关实现的，电子开关令萤光屏一会显示U_Y1，一会显示U_Y2，切换速度很快，因视觉暂留效应我们便“同时”看到了U_Y1、U_Y2两列波形；④ADD为代数和显示，将通道CH₂右上角的极性按钮按入（INV），U_Y2就被反向，屏上显示U_Y1-U_Y2；将按钮弹出（NORM），U_Y2复原，屏幕显示U_Y1+U_Y2。

选定Y向工作方式后，还应关注面板右下角的SOURCE-X MODE（触发信号源）开关，令其档位与所要稳定示波的通道一致，例如要稳定显示CH₁的信号，则要把SOURCE-X MODE拨至CH₁，确保触发电路能得到期望的信号源。当使用外部触发信号时需将外部信号电缆头插入右下角的EXT TRIG（外触发）插座，并将SOURCE-X MODE 开关打到EXT档。

四、X—Y显示

将SEC/DIV旋钮反时针旋到底，指向X—Y档，Y MODE设到DUAL档，X MODE设到CH₂档，示波器进入X—Y显示状态。此时相当于将图3.5.3中开关K₀向上闭合，水平偏转板X₁X₂得到的信号不再是锯齿波，代之以通道CH₂输入的U_Y2。此时，萤光屏上将给出U_Y1与U_Y2组成的利萨如图形。当U_Y1、U_Y2都是正弦波时，利萨如图形就是两个简谐振动正交迭加后的运动轨迹。最简单的情况是f_Y1=f_Y2，随着二者相位差的缓慢变化，图形在斜线—椭圆—圆之间循环演进。当f_Y1∶f_Y2=有理数（简单整数比）时，图形成为稳定的闭合曲线。观察图形的横边、竖边，各有m个、n个向外突出的峰包，我们称之为在Y方向有m个极值点或切点，在X方向有n个极值点或切点，如图3.5.4所示。显然图形与信号频率存在以下关系：

 f_Y1∶f_Y2=n∶m                            （3.5.2）

利萨如图形提供了一种比较两个信号频率的简便方法。令一个未知信号与已知信号构成利萨如图形，就可根据（3.5.2）式求得未知频率。

图3.5.4  利萨如图形

1． 设置仪器开关及安全合理的初设档位控制旋钮。

2．打开电源将0.5Vp-p，1kHz的标准信号输入示波器，并对示波器定标。

（1）打开电源开关，并确认开关上方的电源指示灯亮，约20秒钟后，示波器屏幕上将出现一扫线，若60秒钟后还没有扫线出现，则按上表所示再检查开关及控制旋钮定位置。

（2）调节“辉度”和“聚焦”旋钮，使扫线亮度适当，且最清晰。

（3）使扫线与水平刻度线平行。

（4）连接探极将0.5V校准信号加到探头上。

（5）将AC－⊥－DC开关置“AC”。标准波形将显示在屏幕上。

（6）调节“聚焦”旋钮，使波形达到最清晰的程度。

（7）为便于观察信号，调节“v/cm”和“t/cm”开关到适当的位置，使显示出来的波形幅度适中，周期适中。

（8）调节 　“位移”和　 　“位移”控制旋钮于适当的位置，使显示的波形对准刻度，以便于读出电压值（Vp-p）和周期（T）。

3．交流信号的观察和测量。

（1）数据记录。

（2）画出三种交流信号波形各两个周期。

4．测量干电池电动势。

5．按下图连接线路，输入10kHz正弦波，测量Uc、U_RC的大小及它们的位相差。

6． 正确方法关闭示波器、信号发生器，并整理仪器。

【注意事项】

1、 勿使信号发生器输出端短路，以免烧坏仪器。（相当于电源短路）

2、 观察波形时，波形幅度不能超出示波器显示屏范围。，

3、 实验过程中，光点强度不能太高，短时间不使用时，应将辉度关掉。

4、 关闭示波器前，须将一、二通道接地，将辉度调到最小。

5、双踪示波器的两通道地线的接法有等位要求。

6.示波器开机前，逐一分析各调节钮的功能，分别将它们调到安全合理的初设档位上。工作方式档位应与使用目的相吻合，量程、衰减档位就大不就小，增益档位（如亮度、扫描扩展以及信号发生器的输出调节等）就低不就高，聚焦、扫描速度、触发电平、位移、信号发生器的频率微调等调节钮应置于中间档位。确认各类输入、输出接插件连接齐全后，方可通电开机。

7.示波器开机后，应仔细观察现象，认真分析原因，选准应该调节的机件，遵循“分析→试调→观察无反应→将试调机件复位→有反应→分析→修改调节”的工作程序，轻调慢转，切不可随意试碰，一转到底，或者盲目改动“工作方式”、“聚焦”等与当前现象无关的机件，导致更远地偏离期望状态，甚至损坏仪器。更不应养成揪扯拍打、牢骚抱怨等不良习惯。旋钮转到极限位置后不应用力再拧，以免与转轴打滑，造成标记错位，甚至拧断内部导线，损坏内部器件。多数电子仪器开机后需要预热一定时间，使用间隙不必关机。实验完毕应将各有关调节钮恢复到安全合理的初设档位，方可关断电源，以免下次开机出现故障。

示波器模拟练习

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