示波器的工作原理简介

1.示波器显示的基本原理

要想在示波器上显示被观测信号的瞬时波形，就必须将被观测的电信号不失真地转化为光信号，然后在屏幕上显示。完成这一转换的部件就是示波管，它是传统模拟示波器的核心之一，其内部构造与波形显示的原理密切相关。

（1）阴极射线示波管

典型的示波器利用阴极射线示波管CRT作为显示器。CRT是示波器的重要组成部分，其作用就是把电信号转换为光信号而加以显示。其构造与电视机显像管相同，主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成。三大部分均封装在密闭呈真空的玻璃壳内，其结构示意图如图5-4所示（图中省略了玻璃外壳）。电子枪产生高速的电子束，偏转系统控制电子束的偏转方向，使电子束按要求打在荧光屏上相应的部位产生荧光，从而描出被观测信号的波形。

1）电子枪 电子枪的作用是发射电子并形成聚束的高速电子流，主要由灯丝F、阴极K、控制栅极G、第一阳极A₁、第二阳极A₂和后加速阳极A₃组成。除灯丝外，其余电极的结构均是金属圆筒，且它们的轴心都保持在同一轴线上。

图5-4 阴极射线示波管结构示意图

灯丝F用于加热阴极K。阴极K是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，在灯丝的加热下，阴极发射出大量的游离电子。

控制栅极G是套装在阴极之外的圆筒，只在面向荧光屏的方向开有一小孔，使电子束能从小孔中穿过。控制栅极G的电位比阴极电位低，改变这两者之间的电位差，就可控制射向荧光屏的电子数量，从而改变荧光屏上光点的明暗，即“辉度”。G极的电位越低，打到荧光屏上的电子数就越少，显示也就越暗。图中调节G极电位的电位器Rp₁，称为“辉度（INTENSITY）”调节旋钮。

当电子束通过栅极小孔时，电子相互排斥而发散，必须将它们聚焦、加速，为此设计了聚焦极，也就是第一阳极A₁；还引入了第二阳极A₂，即加速极。第一阳极A₁、第二阳极A₂的电位都远高于阴极，因而可吸引电子流射向荧光屏。A₁和A₂与控制栅极G配合完成对电子束的聚焦和加速（在荧光屏上得到截面积很小的高速电子束），调节电位器Rp₂、Rp₃。可改变A₁和A₂的电位，使电子束的焦点正好落在荧光屏上，得到明亮、精细的亮点。Rp₁和Rp₃分别称为“聚焦（FO-CUS）”调节旋钮和“辅助聚焦”调节旋钮。

2）偏转系统 偏转系统的作用是使电子束产生在垂直和水平方向上的位移。

偏转系统位于第二阳极之后，由两对相互垂直且平行的金属板———X、Y偏转板（水平、垂直偏转板）组成，其中心轴线均与示波管的中心轴线重合，分别控制电子束在水平方向、垂直方向的偏转。在一定范围内，电子束的偏转距离与加在偏转板上的电压大小成正比，通常把在荧光屏上使电子束产生单位距离[cm或div（1div：荧光屏上的1格，一般为1cm或0.8cm）]偏移时所需施加在偏转板上的电压大小称为示波管的灵敏度，单位为V/cm或V/div。由于示波管的X轴电路和Y轴电路的最大放大量是一定的，因此把示波管所需的偏转电压折算到输入端，这时产生单位偏转距离所需的输入端电压称为垂直系统或水平系统的灵敏度。该特性称为阴极射线示波管的线性偏转特性。线性偏转特性是利用示波器测量电压、周期等的原理依据。

为了在荧光屏上得到被测信号的波形，在示波管X、Y偏转板上分别加以扫描电压和被测信号电压。扫描电压是与时间成正比（扫描时，扫描电压与时间成正比）的锯齿波，因此，电子束在水平方向上偏转的距离与时间成正比；而在垂直方向上的偏转距离受被测电压控制，实现在屏幕上真实地显示其随时间变化的波形。

当在上、下Y偏转板上再叠加上互为对称的正（或负）直流电压时，显示波形会整体向上（或下）移位，调节该直流电压的旋钮称为“垂直移位（VERTI-CAL）”旋钮。当在左、右X偏转板上叠加上互为对称的正（或负）直流电压时，显示波形会整体向左（或右）移位，调节该直流电压的旋钮称为“水平移位（HORIZONTAL）”旋钮。

调节示波器的“偏转灵敏度”（单位为V/div）旋钮，可以改变被测电压加到示波管Y偏转板上的电压大小，从而改变显示波形的显示幅度。由此可见，当偏转灵敏度一定时，显示波形的幅度与被测信号的电压大小成正比，这是利用示波器测量电压、调制系数等的原理依据。

调节“时基因数”旋钮，可以改变加在示波管X偏转板上的扫描电压的大小，从而改变显示波形的宽度。时基因数定义为“t/cm”或“t/div”，t的单位为“s”、“ms”或“μs”，表示亮点在荧光屏水平方向上移动1cm或1div所需的时间。时基因数的倒数称为“扫描速度”，单位为“cm/s”或“div/s”。由此可见，当时基因数一定时，显示波形任意两个亮点之间的距离与其对应时间成正比，这是利用示波器测量时间、相位、周期等的原理依据。

（2）荧光屏

荧光屏是示波器的显示部分，为圆形曲面或矩形平面，其内壁涂有荧光物质，形成荧光膜。当荧光物质受到电子枪发射的高速电子束轰击时，就能产生荧光亮点，亮点的亮度取决于电子束中电子的数目、密度和速度。

当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上维持一定的时间才消失，该现象称为荧光物质的余辉现象。从电子束移去到光点亮度降为原始值的10%所延续的时间称为余辉时间。人们正是利用余辉时间和人眼的视觉暂留特性，才看到荧光屏上光点的移动轨迹。

按余辉时间的长短，荧光物质分为短余辉（10_μs～1ms）、中余辉（1ms～0.1s）和长余辉（0.1～1s，甚至更长）。被测信号频率越低，越宜选用余辉长的荧光物质；反之，宜选用余辉短的荧光物质。通用示波器一般选用中余辉管。

电子束轰击荧光屏时，电子的动能变成了光和热。如果过密的电子束轰击屏上某一点，很容易使荧光屏受损，产生焦斑。为了保护屏幕，在屏的内侧设置一层薄铝膜，高速电子可以穿过，又有反光作用，能提高亮度，还可以散热。

为了利用示波器进行定量测试，一般在荧光屏内壁预先沉积透明的垂直及水平刻度，称为内刻度；或在荧光屏外安置标有刻度的透明塑料板，称为外刻度。刻度区域通常为一矩形，其尺寸称为示波器的可视尺寸，一般为10div×8div（宽×高）。

2.模拟示波器

（1）模拟示波器的基本组成

通用模拟示波器主要由示波管、垂直（Y轴）通道、扫描（锯齿波）信号发生器、水平（X轴）通道以及电源等部分组成，其结构框图如图5-5所示。

图5-5 通用模拟示波器的基本结构框图

1）示波管 示波管是示波器的核心部件，它主要包括电子枪、偏转板和荧光屏等几个部分，其构造及工作原理如前节所述。

2）Y轴通道Y轴通道是对被测信号进行处理的主要通道，由输入电路、前置放大器、延迟级和输出放大器等部分组成。它的主要作用是：对单端输入的被测信号进行变换和放大，得到足够的幅度后加在示波管的垂直偏转板上；向X轴通道提供内触发信号源；补偿X轴通道的时间延迟，以观测到诸如脉冲等信号的完整波形。

图5-6 Y通道输入电路框图

①输入电路。

输入电路主要包括探极、耦合方式转换开关、衰减器、阻抗变换及倒相放大器等部分，如图5-6所示。

探极用于被测信号与示波器的连接，一般使用示波器附带的高频特性良好、抗干扰能力强的高输入阻抗探极进行连接。

探极分为有源探极和无源探极两种。有源探极具有良好的高频特性，衰减比为1∶1，适于测试高频小信号，但需要示波器提供专用电源，应用较少。无源探极则被广泛应用，其通常设有衰减器，衰减比（输入∶输出）分为1∶1、10∶1和100∶1三种，普遍使用前两种（后者用于高频测量）。当探极的衰减系数为10∶1或100∶1时，被测电压值是示波器测得电压的10倍或100倍。

无源探极的结构如图5-7所示。它是个低电容、高电阻探头，在带有金属屏蔽层的塑料外壳内部装有一个RC并联电路，其一端接探针，另一端通过屏蔽电缆接到示波器的输入端。使用这种探头，探头内的RC并联电路与示波器的输入阻抗R_iC_i并联电路组成了一个具有高频补偿的RC分压器。当满足RC=R_iC_i时，分压器的分压比为R_i/（R+R_i），与频率无关。通常取分压比为10∶1，如图5-7中R=9MΩ，R_i=1MΩ，则从探针看进去的输入电阻R'=R+R_i=10MΩ，输入电容C'=CC_i/（C+C_i）。因为C'小于C及C_i，而C一般为数十pF，这样输入电容C'就更小，故称为低电容探头。低电容、高阻抗探头的使用可以提高示波器的输入阻抗，减小引入探极对被测电路的影响，增强示波器的抗干扰能力，扩展示波器的量程。但这也使探头具有10倍的衰减，示波器的灵敏度也下降10倍。

图5-7 无源探极的结构

电容C又称为补偿电容，为一可变电容，有的位于探针处，有的位于探极末端或校准盒内。调整其大小以满足RC=R_iC_i的条件，使探头误差与频率无关。具体做法是将示波器标准信号发生器产生的方波加到探极上，用螺钉旋具左右旋转补偿电容C，直到调出如图5-8a所示正确的方波（即正确补偿）为止，否则会产生如图5-8b、c所示电容过补偿或欠补偿的波形。

图5-8 探极的补偿结果

a）正确补偿 b）过补偿 c）欠补偿

耦合方式选择开关一般有三个挡位：AC、DC和GND（即接地）。AC为交流耦合，此时被测信号经电容耦合至衰减器，用于观察交流信号；DC为直流耦合，被测信号直接接至衰减器，用于观测频率很低或含有直流成分的信号；接地耦合时，在不断开被测信号的情况下，为示波器提供测量直流电压时的参考地电平。其他挡位的作用已在示波器主要技术指标中做过介绍。

衰减器一般为阻容步进衰减器，其电路原理与探极中的10∶1衰减一样。其分压比做成许多挡，改变衰减器衰减比即改变示波器偏转灵敏度，使显示波形的幅度得以调整。

阻抗变换及倒相放大器的作用是将来自衰减器的单端信号转换为双端输出的对称信号送给Y输出放大器（差分放大器），这样既可以克服放大器零点漂移的影响，也提高了放大器输入阻抗，同时隔离前后级的影响，又满足了Y偏转板对称信号输入的要求。

②前置放大器。

前置放大器的作用是：初步对前级输出信号进行放大，补偿延迟级对信号的衰减损耗；为X通道的触发电路提供大小合适的内触发信号，以得到稳定可靠的内触发脉冲，并具有灵敏度调节、校正、Y轴移位等控制作用。

③延迟级。

为了显示稳定的脉冲波形，示波器通常采用内触发方式来产生扫描电压，即扫描电压的产生由被测信号来触发。但只有当被测信号达到一定的触发电平时，才能产生触发脉冲并形成扫描电压，被测信号从0开始上升到一定的触发电平需要经历一定的时间，这表明扫描电压将比被测信号晚出现一段时间，这样就会使被测信号的前沿无法完整显示。为了完整显示被测信号波形，可在Y通道中设置延迟级，对被测信号进行延时，延迟时间一般为60～200ns，常在100ns左右。

被观测信号经过延迟级适当延迟后与扫描信号对齐，即可看到完整的被测信号波形。

④输出放大器。

输出放大器是Y通道的主放大器，其作用是将延迟后的被测信号放大到足够的幅度，用以驱动示波管的垂直偏转系统，使电子束获得Y方向的满偏转，以便观测微弱信号。Y轴输出放大器大都采用推挽式放大器，并采用频率补偿与负反馈，以获得稳定的增益、足够的带宽、较小的失真。

3）X轴通道X轴通道由触发电路、扫描电路和X轴放大器组成，其组成框图如图5-9所示。它的主要作用是：在内触发信号的作用下，输出大小合适、与时间呈线性关系的周期性的双端对称的扫描电压（锯齿波电压），经过X轴放大器放大以后，再加在示波管水平偏转板上，以驱动电子束进行水平扫描。另外，还为示波管提供增辉、消隐脉冲，对于双踪示波器还提供交替显示时的控制信号。

图5-9 X轴通道组成框图

①触发电路。(www.xing528.com)

触发电路的作用在于选择触发源并产生稳定可靠的触发信号，以触发扫描发生器产生稳定的扫描电压，其组成框图如图5-10所示。触发电路主要由触发源选择、耦合方式选择开关、触发电平与斜率选择器、放大整形电路等组成。

图5-10 触发电路组成框图

开关S₁选择内触发、外触发或线触发（又称电源触发）。内触发（INT）是将Y前置放大器输出的、位于延迟线前的被测信号作为触发信号，触发信号与被测信号的频率是完全一致的，适用于观测被测信号；外触发（EXT）是用外部与被测信号有严格同步关系的信号作为触发源，常用于比较两个信号的同步关系，或当被测信号不适于做触发信号时使用；电源触发是用50Hz的正弦信号作为触发源，适用于观测与50Hz的交流信号有同步关系的信号。

为了适应不同的触发信号频率，示波器一般设有四种触发耦合方式，用开关S₂选择。“DC”直流耦合：这是一种直接耦合方式，常用于外触发或连续扫描方式。“AC”交流耦合：这是一种常用的耦合方式，触发信号通过电容耦合，用于观察从低频到较高频率的信号，“内”或“外”触发适用。“AC（H）”低频抑制耦合：触发信号经串联电容C₁及C₂接入，因电容较小，阻抗较大，用于抑制低频干扰（如工频干扰），适于观察含有低频干扰（50Hz干扰）的信号，可以避免波形的晃动。“HF”高频耦合：耦合电容较小，适于5MHz以上信号的观测。

示波器还包括触发方式的选择。示波器直线扫描方式分为常态、连续、高频、单次等方式。常态（NORM）触发扫描是示波器优先采用的扫描方式。只有在有触发信号时，扫描电路才产生扫描信号；无触发信号时，不产生扫描信号，荧光屏上无亮点。该方式适于观测脉冲等信号。

连续扫描则不管是否有触发信号，扫描电路始终在自激状态下产生扫描信号，一般较少用。

自动触发是连续扫描于常态触发的结合，二者自动转换。当无触发信号（无被测信号）时，扫描电路工作在连续扫描状，自激振荡产生扫描信号，荧光屏上出现一条基线；当有触发信号时，采用触发扫描。该方式适于观测低频信号。

高频触发时，触发电路变为自激多谐振荡器，产生高频自激信号（约2MHz）。该方式适于观测高频信号。

单次触发时，扫描电路只在触发信号激励下，才产生一次扫描，之后便不再受触发信号作用，如果需要第二次扫描，必须人工恢复扫描电路到等待状态。该方式适于观测单次瞬变和非周期性信号。

另外，有的示波器设有“TV”触发，将分离出电视行、场同步信号转换为“TV”触发脉冲，可以显示电视行信号和场信号。

触发电平以及斜率选择用于选择合适稳定的触发点，以控制扫描电压的起始时刻（亦即选择波形显示起点），并使波形显示稳定。

触发电平由“触发电平”旋钮进行调节。触发斜率即触发极性，指的是触发点位于触发信号的上升沿还是下降沿，位于上升沿的称为“+”极性触发，位于下降沿的称为“-”极性触发，通过“触发极性（SLOPE）”选择开关S3进行选择。

触发电平及触发极性可以直接从显示波形上进行判断，如图5-11所示。

图5-11 不同触发电平、触发极性下的波形

a）被测正弦信号 b）零电平正极性触发 c）正电平正极性触发 d）正电平负极性触发 e）负电平负极性触发 f）负电平正极性触发

由于输入到触发电路的波形比较复杂，频率、幅度、极性都可能不同，而扫描信号发生器要稳定工作，对触发信号要有一定的要求，如边沿陡峭、极性和幅度适中等。因此，需对触发信号进行放大、整形，以产生稳定可靠的触发脉冲。该触发脉冲与被测信号的某一相位点保持固定关系（即触发脉冲与被测信号同步），扫描电路在此触发脉冲的作用下才能产生与被测信号同步的扫描电压，得到稳定的波形。

整形电路的基本形式是电压比较器，当输入的触发源信号越过“触发极性和电平”选择设定的触发门限时，比较电路翻转，输出矩形波，然后经过微分整形，变成触发脉冲。

②扫描信号发生器。

扫描信号发生器又称时基电路，用来产生线性良好的锯齿波，并提供增辉、消隐脉冲和双踪示波器的交替显示控制等。现代示波器通常用扫描发生器环来产生扫描信号，常由积分器、扫描闸门及比较和释抑电路组成，如图5-12所示。

图5-12 扫描信号发生器组成框图

闸门电路产生快速上升或下降的闸门信号，闸门信号再起动扫描发生器工作，产生锯齿波电压；同时闸门信号被送给增辉电路，以便在扫描过程中加亮扫描的光迹。释抑电路在扫描开始后将闸门封锁，不再让它受到触发，直到扫描电路完成一次扫描且回复到原始状态之后，释抑电路才解除对闸门的封锁，使其准备接受下一次触发。这样，释抑电路起到了稳定扫描锯齿波的形成、防止干扰和误触发的作用，确保每次扫描都在触发源信号的同样的起始电平上开始，以获得稳定的图像。

③X轴放大器。

X轴放大器的作用是将经“内”、“外”输入选择后的单端输入X轴信号进行放大，转换成大小合适的双端输出信号加在X轴偏转板上，使电子束在水平方向上产生足够的偏转，得到合适的波形。当示波器用于显示被测信号波形时，单端输入的信号是内部扫描电路产生的扫描电压；当示波器工作在“X—Y”方式时，单端输入的信号则是外加的X信号。

X轴放大器的电路原理与Y轴放大器相同，并提供“水平移位”、“扫描扩展”、“寻迹”等功能。

4）电源部分 电源部分向示波管和其他电子管（或晶体管）元件提供所需的各组高低压电源，以保证示波器各部分正常工作。

（2）示波器的多波形显示

在实际应用中，常常需要同时观测两个或两个以上的波形，即多波形显示，并对这些信号进行测试和比较。实现多波形显示的方法有多线示波和多踪示波两种。多线示波器由于其制造困难，成本高，所以较少使用。

多波形显示常用的方法是多踪示波。其组成及原理与单踪示波器类似，是在单踪示波器的基础上增加了电子开关而形成的。它也采用单束示波管，其内只有一个电子枪、一套Y偏转板，通过在Y通道上增设的电子开关来高速控制几个被测信号轮流地接入Y偏转板而在荧光屏上显示出多个波形，即采用了分时复用技术。这一技术充分利用了电子开关的高速转换特性和人眼的视觉惰性，具有实现简单、价格低的优点，因而得到了广泛应用。最常用的是双踪示波器，即能够显示两个波形的双踪示波器，其简要原理框图如图5-13所示。

图5-13 双踪示波器的简要原理框图

为了用单枪示波管同时观察两个信号，电路中设置了两套相同的Y输入电路和Y前置放大器，即Y₁、Y₂通道。两个通道的信号都经门控电路，门控电路由电子开关控制，只要电子开关的切换频率满足人眼的视觉暂留特性要求，就能同时观察到两个被测波形而无闪烁感。根据电子开关的工作方式的不同，双踪示波器有五种显示方式：

1）“通道1（CH1）”只接入Y₁通道，单踪显示Y₁的波形。

2）“通道2（CH2）”只接入Y₂通道，单踪显示心波形。

3）“叠加（CH1+CH2）”两通道同时工作，Y₁、Y₂通道的信号在公共通道放大器中进行代数相加后送入垂直偏转板，显示两路信号叠加后的波形。Y₂通道的前置放大器内设有极性转换开关，可改变输入信号的极性，从而实现两信号的“和”或“差”的功能。

显然，以上三种显示均为单踪显示，只显示一个波形。

4）“交替（ALT）”此时，Y₁、Y₂门控电路的开或闭受时基闸门脉冲的控制，第一次扫描时接通Y₁通道，第二次扫描时接通Y₂通道，只要轮流显示的间隔时间较短，就可交替地显示Y₁、Y₂通道输入的信号，无闪烁感。若通道1输入正弦波，通道2输入同频率的三角波，则屏上显示的波形如图5-14a所示。

交替显示方式适于观测频率较高的信号。这是因为被测信号频率较低时，所需扫描电压的周期长，这样开关切换频率低，轮流显示同一个信号的时间间隔就较长。当间隔时间接近或超过人眼视觉暂留时间时，显示波会产生闪烁，不便于观测。

5）“断续（CHOP）”此时，Y₁、Y₂门控电路的开或闭受电子开关内的断续器（自激多谐振荡器）产生的高频自激振荡信号（如200kHz的方波）的控制，在每一次的扫描过程中，高速轮流接通两个输入信号，从而显示出每个被测信号的某一段，以后各次扫描重复以上过程。这样显示出的波形是由许多线段组成的，而且转换频率远远高于被测信号的频率。这些线段及其间隔很短，看起来显示的波形好像是连续的，如图5-14b所示。

断续显示方式适于观察频率较低的信号。这是因为当被测信号频率很高时，要求断续器的振荡频率也要很高，否则显示出的波形的断续感将比较明显，不便于观察，然而过高的开关切换频率是不现实的。

图5-14 交替和断续时显示的波形

a）交替 b）断续

（3）通用模拟示波器的主要技术性能指标

通用模拟示波器的主要技术性能指标有：

1）频带宽度BW通常指Y通道的工作频率范围，即Y通道输入信号上、下限频率之差。现代示波器的下限频率都已延伸至0Hz，因而示波器的频带宽度可用上限频率来表示。通常要求：

BW≥3f_max

式中，f_max——被测信号的最高频率。

2）输入灵敏度 指输入信号在无衰减的情况下，亮点在屏幕上偏转一格（div）所需信号电压的峰—峰值，单位为mV/div。一格是指荧光屏刻度的一大格，等于1cm或0.8cm，随管型而定。

3）输入阻抗 通道的输入阻抗，它包括输入阻抗和输入电容，一般用MΩ/pF来表示，如1MΩ/35pF。低电容、高阻抗是其基本要求，频带宽度越宽，则输入电容要越小。

4）扫描速度 在无扩展情况下，亮点在X方向偏移1cm或1div所经过的时间，单位为cm/s或div/s。它表明了示波器能观测的时间和频率范围。

5）时域响应 反映输入脉冲等瞬变信号时示波器Y通道的过渡特性。