示波器的组成及原理解析

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，产生细小的光点，在被测信号的作用下，电子束如同一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等。

1.普通示波器的基本组成

普通示波器由5个基本组成部分：显示电路、垂直（Y轴）放大电路、水平（X轴）放大电路、扫描与同步电路、电源供给电路。普通示波器的原理功能方框图如图4-5所示。

图4-5 示波器的原理功能方框图

（1）显示电路

显示电路包括示波管及其控制电路两个部分。示波管是一种特殊的电子管，是示波器的一个重要组成部分。示波管内部结构示意图如图4-6所示，由图可见，示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏3个部分组成。

图4-6 示波管内部结构示意图

1）电子枪。电子枪用于产生并形成高速、聚束的电子流，去轰击荧光屏使之发光。它主要由灯丝F、阴极K、控制极G、第一阳极A₁、第二阳极A₂组成。除灯丝外，其余电极的结构都为金属圆筒，且它们的轴心都保持在同一轴线上。阴极被加热后，可沿轴向发射电子；控制极相对阴极来说是负电位，改变电位可以改变通过控制极小孔的电子数目，也就是控制荧光屏上光点的亮度。为了提高屏上光点亮度，又不降低对电子束偏转的灵敏度，现代示波管中，在偏转系统和荧光屏之间还加上一个后加速电极A₃。

第一阳极对阴极而言加有约几百伏的正电压。在第二阳极上加有一个比第一阳极更高的正电压。穿过控制极小孔的电子束，在第一阳极和第二阳极高电位的作用下，得到加速，向荧光屏方向作高速运动。由于电荷的同性相斥，电子束会逐渐散开。通过第一阳极、第二阳极之间电场的聚焦作用，使电子重新聚集起来并交汇于一点。适当控制第一阳极和第二阳极之间电位差的大小，便能使焦点刚好落在荧光屏上，显现一个光亮细小的圆点。改变第一阳极和第二阳极之间的电位差，可起调节光点聚焦的作用，这就是示波器的“聚焦”和“辅助聚焦”调节的原理。第三阳极是示波管锥体内部涂上一层石墨形成的，通常加有很高的电压，它有3个作用：

①使穿过偏转系统以后的电子进一步加速，使电子有足够的能量去轰击荧光屏，以获得足够的亮度。

②石墨层涂在整个锥体上，能起到屏蔽作用。

③电子束轰击荧光屏会产生二次电子，处于高电位的A₃可吸收这些电子。

2）偏转系统。示波管的偏转系统大都是静电偏转式，它由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为水平偏转板和垂直偏转板，分别控制电子束在水平方向和垂直方向的运动。当电子在偏转板之间运动时，如果偏转板上没有加电压，偏转板之间无电场，离开第二阳极后进入偏转系统的电子将沿轴向运动，射向屏幕的中心。如果偏转板上有电压，偏转板之间就有电场，进入偏转系统的电子会在偏转电场的作用下射向荧光屏的指定位置。

图4-7 偏转板电场电子束的控制作

如图4-7所示，如果两块偏转板互相平行，并且它们的电位差等于零，那么通过偏转板空间的，具有速度v的电子束就会沿着原方向（设为轴线方向）运动，并打在荧光屏的坐标原点上。如果两块偏转板之间存在着恒定的电位差，则偏转板间就形成一个电场，这个电场与电子的运动方向相垂直，于是电子就朝着电位比较高的偏转板偏转。这样，在两偏转板之间的空间，电子就沿着抛物线在这一点上做切线运动。最后，电子降落在荧光屏上的A点，这个A点距离荧光屏原点（O）有一段距离，这段距离称为偏转量，用y表示，偏转量y与偏转板上所加的电压Vy成正比。同理，在水平偏转板上加有直流电压时，也发生类似情况，只是光点在水平方向上偏转。

3）荧光屏。荧光屏位于示波管的终端，它的作用是将偏转后的电子束显示出来，以便观察。在示波器的荧光屏内壁涂有一层发光物质，因而，荧光屏上受到高速电子冲击的地点就显现出荧光。此时光点的亮度取决于电子束的数目、密度及其速度，改变控制极的电压时，电子束中电子的数目将随之改变，光点亮度也就改变。在使用示波器时，不宜让很亮的光点固定出现在示波管荧光屏一个位置上，否则该点荧光物质将因长期受电子冲击而烧坏，从而失去发光能力。

涂有不同荧光物质的荧光屏，在受电子冲击时将显示出不同的颜色和不同的余辉时间，通常供观察一般信号波形用的是发绿色光的，属中余辉示波管，供观察非周期性及低频信号用的是发橙黄色光的，属长余辉示波管；供照相用的示波器中，一般都采用发蓝色光的短余辉示波管。

（2）垂直（Y轴）放大电路

由于示波管的偏转灵敏度甚低，例如常用的13SJ38J型示波管，其垂直偏转灵敏度为0.86mm/V（约12V电压产生1cm的偏转量），所以一般的被测信号电压都要先经过垂直放大电路的放大，再加到示波管的垂直偏转板上，以得到垂直方向的尺寸合适的图形。

（3）水平（X轴）放大电路

由于示波管水平方向的偏转灵敏度也很低，所以接入示波管水平偏转板的电压（锯齿波电压或其他电压）也要先经过水平放大电路的放大以后，再加到示波管的水平偏转板上，以得到水平方向适当大小的图形。

（4）扫描与同步电路(www.xing528.com)

扫描电路产生一个锯齿波电压，该锯齿波电压的频率能在一定的范围内连续可调。锯齿波电压的作用是使示波管阴极发出的电子束在荧光屏上形成周期性的、与时间成正比的水平位移，即形成时间基线。这样，才能把加在垂直方向的被测信号按时间的变化波形展现在荧光屏上。

（5）电源供给电路

电源供给电路供给垂直与水平放大电路、扫描与同步电路以及示波管与控制电路所需的负高压、灯丝电压等。

由示波器的原理功能方框图可见，被测信号电压加到示波器的Y轴输入端，经垂直放大电路加于示波管的垂直偏转板。示波管的水平偏转电压，虽然多数情况都采用锯齿电压（用于观察波形时），但有时也采用其他的外加电压（用于测量频率、相位差等时），因此在水平放大电路输入端有一个水平信号选择开关，以便按照需要选用示波器内部的锯齿波电压，或选用外加在X轴输入端上的其他电压来作为水平偏转电压。

此外，为了使荧光屏上显示的图形保持稳定，要求锯齿波电压信号的频率和被测信号的频率保持同步。这样，不仅要求锯齿波电压的频率能连续调节，而且在产生锯齿波的电路上还要输入一个同步信号。这样，对于只能产生连续扫描（即产生周而复始、连续不断的锯齿波）一种状态的简易示波器（如国产SB10型等示波器）而言，需要在其扫描电路上输入一个与被观察信号频率相关的同步信号，以牵制锯齿波的振荡频率。对于具有等待扫描功能（即平时不产生锯齿波，当被测信号来到时才产生一个锯齿波，进行一次扫描）的示波器（如国产ST-16型示波器、SR-8型双踪示波器等而言，需要在其扫描电路上输入一个与被测信号相关的触发信号，使扫描过程与被测信号密切配合。为了适应各种需要，同步（或触发）信号可通过同步或触发信号选择开关来选择，通常来源有3个：

1）从垂直放大电路引来被测信号作为同步（或触发）信号，此信号称为“内同步”（或“内触发”）信号。

2）引入某种相关的外加信号为同步（或触发）信号，此信号称为“外同步”（或“外触发”）信号，该信号加在外同步（或外触发）输入端。

3）有些示波器的同步信号选择开关还有一挡“电源同步”，是由220V、50Hz电源电压，通过变压器二次降压后作为同步信号。

2.双踪示波器的基本组成

图4-8所示为双踪示波器的原理功能方框图。由图可见，它主要由两个通道的Y轴前置放大电路、门控电路、电子开关、混合电路、延迟电路、Y轴后置放大电路、触发电路、扫描电路、X轴放大电路、Z轴放大电路、校准信号电路、示波管和高低压电源供给电路等组成。

图4-8 双踪示波器的原理功能方框图

观察信号波形时，被测信号u_A、u_B通过Y_A、Y_B两个输入端输入示波器，先分别送到Y轴前置放大电路Y_A和Y_B进行放大。因通道Y_A和通道Y_B都受电子开关的控制，所以u_A、u_B两信号轮换着输送到后面的混合电路，加到示波管的垂直偏转板上。

为了适应各种不同的测试需要，电子开关可有五种不同的工作状态，即交替、Y_A、Y_B、Y_A+Y_B、断续等。这五种工作状态由显示方式开关来控制。

当显示方式开关置于交替位置时，电子开关为一双稳态电路。它受由扫描电路来的闸门信号控制，使得Y轴两个前置通道随着扫描电路门信号的变化而交替地工作。每秒钟交替转换次数与由扫描电路产生的扫描信号的重复频率有关。交替工作状态适用于观察频率不太低的被测信号。

当显示方式开关置于Y_A或Y_B位置时，电子开关为一单稳态电路。前置放大电路Y_A或Y_B可单独工作，此时，双踪示波器可作为普通单线示波器使用。

当显示方式开关置于Y_A+Y_B位置时，电子开关处于不工作状态。此时，Y_A、Y_B两通道同时工作，因而可得到两信号相加或两信号相减的显示。然而，两信号究竟是相加还是相减，这要通过Y_A通道的极性作用开关来选择。这个开关有两个位置，在第一个位置时，荧光屏上的图形为两信号之和；在第二个位置（-Y_A）时，荧光屏上的图形为两信号之差。

为了观察被测信号随时间变化的波形，示波管的水平偏转板上必须加以线性扫描电压（锯齿波电压）。这个扫描电压是由扫描电路产生的。当触发信号加到触发电路时，触发了扫描电路，扫描电路就产生相应的扫描信号；当不加触发信号时，扫描电路就不产生扫描信号。

触发有内触发、外触发两种，由触发选择开关来选择。当该开关置于内的位置时，触发信号来自经Y轴通道送入的被测信号。当该开关置于外的位置时，触发信号是由外部送入的。这个信号应与被测信号的频率成整数比的关系。示波器在使用中，多数采用内触发工作方式。

所谓内触发也分为两种情况，并由内触发选择开关控制。当开关置于常态的位置时，触发电路的触发信号来自Y_A、Y_B通道。此时，两个通道即可同时稳定地显示出各自的被测信号。当用双踪显示来做时间比较分析时，就应该将内触发选择开关置于Y_B的位置。在这个位置时，触发电路的触发信号只取自Y_B通道的输入信号。此时只有当u_A、u_B的频率成整数比时，荧光屏上才能同时稳定地显示两个波形。

扫描电路产生的扫描信号（锯齿波信号）通过X轴选择开关接到X轴放大电路，经放大后送到示波管的X轴偏转板。这就是通常在观察信号随时间变化的波形时，开关选扫描挡的情况。除上述情况外，用示波器进行其他测试（比如观察李沙育图形）时，开关置X外接挡，此时可将X轴输入端输入的信号，加到X轴放大电路进行放大，随后再送至X轴偏转板。

Z轴放大电路对荧光屏上光点辉度起着调节的作用，抹去不必要显示的光点轨迹。当扫描电路闸门信号来到Z轴放大电路后，Z轴放大电路便输出正向的增辉脉冲信号，加至示波管的控制极。这就是说，在扫描信号的过程中，荧光屏上的光点得以增辉；在电子开关的转换过程中，电子开关电路将输出脉冲信号也加至Z轴放大电路，此时Z轴放大电路便输出负向脉冲信号，加至示波管的控制极。这样，在电子开关的转换过程中，就消去了两个通道交替工作时的过渡光点，以提高显示波形的清晰度。

校正信号电路产生一个一定频率、一定幅度的矩形信号（如国产SR-8型双踪示波器的校正信号是频率为1kHz、幅度为1V）。它是作校正Y轴放大电路的灵敏度和X轴的扫描速度之用的。

高、低压电源供给电路中的低压是供给示波器各级所需的低压电源的，高压是供给示波管显示系统电源的。