示波器的原理与使用操作（电子工程师工具之-示波器的结构及工作原理）

示波器是一种能将被测电信号直观显示出来的电子仪器。它可以测量交、直流电压的大小，测量交流信号的波形、幅度、频率和相位等参数，如果与其他有关的电子仪器（如信号发生器）配合，还可以检测电路是否正常。示波器是一种应用极为广泛的电子测量仪器。

22.1.1 示波器的种类

示波器的种类很多，按用途和性能可分为以下几种。

1.通用示波器

通用示波器包括单踪示波器和双踪示波器。单踪示波器可测量一个信号的波形、幅度、频率和相位等参数。而双踪示波器能同时测两个信号的波形和参数，也可以对两个信号进行比较。通用示波器是应用最广泛的一种示波器。

2.采样示波器

通用示波器测量频率很高的信号比较困难，而采样示波器可以测量频率很高的信号，它可以看成是由采样电路和通用示波器组合而成的。采样示波器利用了采样原理将高频信号转换成低频信号，然后由通用示波器部分将低频信号显示出来。

3.存储示波器和记忆示波器

普通的示波器可以将被测信号实时显示出来，但如果撤掉输入信号，显示屏显示的信号马上会消失。而存储示波器和记忆示波器在撤掉被测信号后，仍可以将信号保存并继续显示出来。存储示波器是利用数字存储器将被测信号保存下来；记忆示波器则是采用具有记忆功能的示波管，使被测信号波形仍可在示波管上继续保持。

存储示波器和记忆示波器具有保持功能，所以可以将瞬变过程、非周期变化和超低频信号保存下来，以便于仔细观察、比较分析和研究。

22.1.2 示波管的结构

示波器是依靠示波管将被测信号直观显示出来的，示波管又称为阴极射线管（CRT），它的工作原理与电视机的显像管有点相似，其结构如图22-1所示。



图22-1 示波管的结构

1.示波管各部分说明

① 灯丝F：它的功能是通电发热，对阴极进行加热，使阴极能够发射电子。

② 阴极K：它是一个表面涂有氧化物的金属小圆筒，在灯丝加热的情况下，阴极的氧化层会发射出电子。

③ 控制栅极G：又称调制栅极，简称栅极，它是一个前端开孔的金属圆筒，该极上加有比阴极更低的电压。电子自由运动方向是从低电位往高电位运动，如果电子由高电位往低电位运动要受阻碍，而阴极电位较栅极高，故阴极发射出来的电子通过栅极要受到一定的阻力。栅极电压越低，电子受到的阻力越大，通过栅极的电子越少，到达荧光屏的电子也越少，荧光屏光线越暗。

RP1称为辉度电位器，又称亮度电位器，调节RP1能改变栅极电压，以控制到达荧光屏的电子数量，从而调节荧光屏的亮度。

④ 第一阳极A1和第二阳极A2：它们中间都开有小孔，电子从小孔中通过，这两个阳极的作用是对阴极发射出来并通过栅极的电子束进行加速，同时进行聚焦，将很粗的电子束聚焦成很细的电子束，这样电子束在荧光屏上扫出来的信号波形更清晰。

RP2称为聚焦电位器，它可以调节第一阳极的电压；RP3称为辅助聚焦电位器，可以调节第二阳极的电压。为了让荧光屏显示的波形清晰明亮，需要对RP2、RP3进行反复调节。

⑤ 垂直偏转板：又称Y轴偏转板，它由垂直方向的上、下两块金属板组成，电子束从中间穿过，当给这两块金属板加一定电压时，电子束就会在垂直方向作偏转运动。

⑥ 水平偏转板：又称X轴偏转板，它由水平方向的左、右两块金属板组成，电子束从中间穿过，当给这两块金属板加一定电压时，电子束就会在水平方向作偏转运动。

⑦ 荧光屏：它是在荧光管正面的内层壁上涂上一层荧光粉而构成的。当电子束轰击荧光屏上的荧光粉时，荧光粉就会发光，电子数越多、速度越快，荧光粉越亮。

2.示波管的工作过程

示波管的工作过程：首先给灯丝通电，灯丝开始发热，阴极因灯丝的加热而发射大量的电子，由于受栅极电压（较阴极低）的阻碍，只有一部分电子能穿过栅极，穿过栅极的电子受到第一阳极和第二阳极高电压的加速和聚焦后，形成密集、高速的电子束往荧光屏运动。电子束再经过垂直偏转板和水平偏转板，偏转板产生的电场变化，使电子束运动轨迹也随之变化，这种运动轨迹变化的电子束轰击荧光屏，就会在荧光屏上显示出波形。

22.1.3 示波器的波形显示原理

示波器是依靠示波管与电路配合来显示各种信号波形的。示波管显示信号波形的过程是：首先让阴极发射电子，然后进行加速和聚焦，再给垂直和水平偏转板加一定的电压，让电子束产生偏转并对荧光屏进行扫描，这样就会在荧光屏上显示出信号波形。下面从几个方面来说明示波器的波形显示原理。

1.X轴和Y轴偏转板都不加电压

如图22-2（a）所示，X轴和Y轴偏转板都不加电压时，阴极发射出来的电子束不会产生偏转，而是作直线运动轰击荧光屏中心，在荧光屏中心会出现一个亮点。



图22-2 示波管波形显示原理

2.Y轴偏转板不加电压，X轴偏转板加锯齿波电压

由于Y轴偏转板不加电压，所以电子束在垂直方向不受电场力，而X轴偏转板加锯齿波电压，电子束在水平方向受到电场力作用而会产生偏转，在屏幕上扫出水平一条亮线，如图22-2（b）所示。

具体过程说明如下。

当0～t1期间的锯齿波电压加到X轴偏转板时，偏转板产生电场，让电子束由荧光屏的a点（中心）扫到荧光屏的b点（左端）。

当t1～t2期间的锯齿波电压加到X轴偏转板时，偏转板产生电场，让电子束由b点扫到a点。

当t2～t3期间的锯齿波电压加到X轴偏转板时，偏转板产生电场，让电子束由a点扫到c点。

当t3～t4期间的锯齿波电压加到X轴偏转板时，偏转板产生电场，让电子束由c点扫到a点。

t4时刻以后，下一个周期的锯齿波电压到来，电子束又重复上述扫描过程，结果在荧光屏上出现一条亮线。

从锯齿波电压的波形可以看出，0～t1和t3～t4期间的时间很短，电子束运行的方向是由屏幕右边往左扫动（即回扫），在这两段时间内阴极是不发射电子的，这两段时间称为逆程；而t1～t3期间的时间很长，电子束由屏幕左边往右扫动，在这段时间内阴极发射电子，这段时间称为正程。荧光屏出现的亮线是正程期间阴极发射电子扫描出来的。

从上面的分析还可以看出，锯齿波电压周期越短（频率越高），电子束由荧光屏左端扫到右端的时间越短。

同样的道理，如果给Y轴偏转板加锯齿波电压，X轴偏转板不加电压，电子束只受Y轴偏转板产生的电场力作用，会在荧光屏上扫出垂直一条亮线。

3.Y轴偏转板加正弦波电压，X轴偏转板加锯齿波电压

当Y轴偏转板加正弦波电压、X轴偏转板加锯齿波电压时，电子束在垂直和水平方向都受到偏转力，电子束就会在屏幕上扫出正弦波，如图22-2（c）所示。

具体过程说明如下。

在0～t1期间，锯齿波电压加到X轴偏转板，Y轴偏转板无电压，X轴偏转板产生电场，让电子束由荧光屏的a点直接扫到b点。此期间为逆程，阴极不发射电子，故a点到b点之间不会出现亮线。

在t1～t2期间，逐渐下降的锯齿波电压加到X轴偏转板，先上升后下降的正弦波电压加到Y轴偏转板，电子束在这两个电场力的作用下在荧光屏上扫出正弦波的正半周。

在t2～t3期间，反方向逐渐增大的锯齿波电压加到X轴偏转板，反方向先增大后减小的正弦波电压加到Y轴偏转板，电子束在这两个电场力的作用下在荧光屏上扫出正弦波的负半周。

在t3～t4期间，反方向逐渐增大的锯齿波电压加到X轴偏转板，Y轴偏转板无电压，X轴偏转板产生电场，让电子束由荧光屏的c点直接扫到a点。此期间为逆程，阴极不发射电子，故c点到a点之间不会出现亮线。

经过上述4个过程，电子束就在荧光屏上扫出一个周期的正弦波信号波形，如果正弦波频率提高一倍，那么在荧光屏上就会出现两个周期的正弦波信号波形。

从上面的分析可以得出这样的结论：当给示波管的X轴偏转板加锯齿波电压、Y轴偏转板加某个信号电压时，通过电子束的扫描，在屏幕上就会显示出Y轴偏转板上的信号波形。

示波器的波形显示原理是这样的：由示波器内部的扫描电路产生锯齿波电压送到X轴偏转板，然后将被测信号送到Y轴偏转板，在X、Y轴偏转板产生的电场作用下，电子束就会在荧光屏上扫出被测信号的波形。