多功能示波器：显示多个波形、取样、存储功能

电子示波器是一种直接显示电压（或电流）变化曲线的电子仪器。用它可直观地对被测信号的变化状态进行观察。利用它的直观性能够十分方便地观察到电信号的瞬态变化过程，因此它有着广泛的应用领域。随着应用领域的扩展，电子示波器的种类也越来越多。除通用示波器外，还有可显示两个以上波形的多踪示波器；利用取样技术，将高频信号转为低频信号显示的取样示波器；将极低频信号存储起来，以低频方式显示的存储示波器。此外，还有特殊功能的特种示波器，如电视示波器、矢量示波器、逻辑示波器等。

1.通用示波器的结构

通用示波器由示波管、Y轴偏转系统、X轴偏转系统、扫描系统及整步系统、电源等部分组成，下面以SB-10型通用示波器为例讲述，电路框图如图4-52所示，外形如图4-53所示。

（1）示波管

示波管是一种类似于电视机显像管的显示器件，即一种电子射线管。它能把被测的电信号转换为光信号在示波管的荧光屏上显示出来。结构如图4-54所示。

图4-52 SB-10型示波器电路框图

图4-53 SB-10型示波器外形图

示波管的外壳为一圆筒状的玻璃管，管颈前半部细长，后半部成漏斗状，最后是圆形或矩形的荧光显示屏。玻璃管内抽成真空，管内安装了电子枪和偏转系统。

图4-54 示波管的基本结构

T—灯丝 K—阴极 G—控制栅极 A_l—第一阳极 A₂—第二阳极 Y—Y轴偏转板；X—X轴偏转板 C—导电层

1）荧光屏。示波器的荧光屏是电—光转换的关键部分。在示波管玻璃屏面的内壁涂有一层荧光物质，这种物质在电子束轰击下能发出可见光。光的强弱与电子束的数量及能量有关，能量越高，束电流越大，光点亮度越高。荧光屏发光颜色及余辉时间（电子束停止轰击后荧光屏继续发光的时间）由荧光物质的种类决定。常见的荧光有绿色、蓝色和白色。余辉时间有中余辉、短余辉、长余辉。

2）电子枪。电子枪是产生电子束的源泉，用它来发射电子，并把电子聚焦成细细的一束。通过加速极的加速，使电子束获得足够的能量。电子枪是由阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极组成。

阴极是一个金属圆筒，外层涂有稀土氧化物，筒内装有灯丝。灯丝通电后加热阴极氧化物，使之发射电子。控制栅极是一个顶部有小孔的金属圆筒，罩在阴极外面，在它上面加有比阴极更负的电压，使它对阴极发射的电子有排斥作用。调节这个负电压，可以控制电子束电流强度，改变荧光屏上光点的亮度。光点亮度又称“辉度”。示波器面板上的“辉度”就是调节控制栅极负电压的电位器旋钮。

第一阳极A₁和第二阳极A₂是两个圆形的金属筒，加有对阴极为正的电压（A₂为800V～3kV，A₁为A₂的0.2～0.5倍），它们对阴极发射的电子具有吸引力，使电子通过控制栅极后开始向荧光屏方向加速，而两个阳极之间形成的电场，对电子具有聚焦作用。使电子束聚合在一起形成很细的一束，荧光屏在电子束轰击后形成的光点则为一清晰的小圆点。改变两阳极间的电压，可以影响聚焦点的位置。在示波器面板上用来改变第一阳极电压的电位器叫“聚焦”，改变第二阳极电压的电位器叫“辅助聚焦”，两者配合恰当，可使焦点正好落在荧光屏上。

为了增加电子束的能量，常在荧光屏附近增加一个石墨涂层作为第三阳极，加上几千伏的高压，可使电子束进一步加速获得足够的能量，以提高光点的亮度。

3）偏转系统。示波器的偏转系统通常采用静电偏转系统。即在示波管内安装两对相互垂直的平行金属板Y、X，称为偏转板。上下平行安装的偏转板（Y轴偏转板）可使电子束上下偏移，称为垂直偏转板。左右平行安装的偏转板（X轴偏转板）可使电子束左右偏移，称为水平偏转板。在两对偏转板电场力的共同作用下，电子束能上下左右移动，借助光点的余辉和视觉残留效应，可在荧光屏上看出亮点运动所描绘出的各种波形。(www.xing528.com)

（2）Y轴偏转系统

Y轴偏转系统由衰减器、放大器组成。其功能是将被测电压变换成合适的电压送到Y轴偏转板上。

衰减器是一种阻容补偿式分压器，其分压比不随频率而变化，通过示波器面板上“Y轴衰减”开关的切换，可获得被测电压衰减“1”、“1/10”、“1/100”倍共三档电压（标为“1”、“10”、“100”），以使示波器适应于大小不同的被测电压。

Y轴放大器是一个多级交流宽带放大器，用来放大从衰减器输入的电压。由于示波器的灵敏度较低，对于几微伏到几伏的信号电压必须加以放大，并产生对称电压后，提供给垂直偏转板，才能从荧光屏上观察到被测电压的波形。在放大器电路中还设置了放大倍数控制电位器，对称电压控制电位器，通过调节面板“Y轴增幅”旋钮，可改变放大器的放大倍数。从而调节荧光屏上波形的幅度。调节“Y轴位移”，改变Y轴偏转板Y₁和Y₂上对称电压的电位，可使波形上下平行移动。

（3）X偏转系统

X偏转系统同Y轴偏转相似，也是由衰减器和放大器组成。衰减器用来变换X轴输入的信号，有“1”、“10”、“100”及“扫描”四个档位，由“X轴衰减”开关进行切换。当开关置于“扫描”位置时，X轴放大器输入的是来自扫描系统的锯齿波电压，经放大调节后送X轴偏转板。通过调节面板“X轴增幅”，改变X轴放大器放大倍数，则可改变荧光屏显示波形的宽度。调节“X轴位移”，改变X轴偏转板X₁、X₂上对称电压的电位，可使波形左右平移。

（4）扫描及整步系统

扫描发生器又叫锯齿波发生器，实际上是一个多谐振荡器，利用电容器的充放电而获得锯齿波。当无外触发信号时，它能自激振荡。其振荡频率由回路的时间常数RC决定。利用面板“扫描范围”开关可以切换不同容量的电容值，从而获得多种扫描频率。利用“扫描微调”电位器可改变充放电电阻阻值，以实现扫描频率的微调。当有外触发信号时，扫描发生器的振荡频率受触发信号的控制。为使扫描频率和被测信号完全同步，通常扫描发生器的触发信号由整步系统提供。

整步系统主要由整步放大器和整步信号切换开关组成。整步放大器的作用是将整步信号放大整形，并转换成符合要求的触发脉冲送扫描发生器。整步信号的强弱可通过面板上“整步增幅”加以调节。整步信号的来源可由面板上“整步电源”开关来选择。整步电源开关置于“内+”或“内-”位置时，整步信号来源于被测电压，即取自Y轴放大器。而“内+”和“内-”则表示所取的信号相位正好相反。若“整步电源”置于“电源”档，则整步信号来源于示波器内的工频电源。若“整步电源”置于“外”档，则整步信号来源于“整步输入端”所接的外部信号。

此外，在扫描发生器产生的振荡电压，还要送到消隐放大器放大，输出的信号加至示波管的阴极，使阴极与控制极电压增大，扫描回程亮度减弱，从而达到消隐的目的。

（5）示波器的电源供给系统

示波器电源由电源变压器、整流器及滤波电路组成。

电源变压器输入为220V工频交流电源，输出电压根据示波器所使用的器件不同，可分为供示波器用的高、低压及各系统使用的电压。示波管的高压为几千伏，低压为几百伏，灯丝电压为6.3V。各系统使用的电压为：电子管式几百伏；晶体管式十几伏～几十伏。整流器所使用的器件，早期示波器为真空二极管，近期示波器为晶体二极管。滤波器多采用阻容滤波电路。

2.示波原理

信号的波形是指信号的瞬时值与时间在直角坐标系中的函数图形。如正弦交流电压信号，横坐标是线性变化的时间，纵坐标是电压的瞬时值。在示波器上显示这样的波形，需要在示波管的水平偏转板上施加由负到正线性上升的电压，使光点在荧光屏上从左端匀速地移到右端。若同时在垂直偏转板上施加被测正弦交流电压，则可使光点上下移动。荧光屏上就显出一条被测电压波形的正弦曲线。在示波器的水平偏转板上，施加重复周期等于被测信号周期的锯齿波电压，是为了使荧光屏上能反复显示被测信号一个周期的完整波形，如图4-55所示。

若锯齿波周期是被测信号周期的整倍数，荧光屏上会稳定地显示若干个被测信号的波形，否则荧光屏显示的波形不稳定。通常示波器的扫描频率（即锯齿波频率）是可调的，调整扫描频率使其低于被观察信号的频率并保持它们间的整倍数关系，称为同步。但被测信号频率或锯齿波频率总不能保证绝对稳定，因此调整同步后，由于频率不稳定而遭到破坏，从而使显示波形也不稳定。为此，示波器又利用被测信号去控制锯齿波发生器，强制锯齿波频率做微小变化，以保证其整倍数关系。

图4-55 波形显示原理