壹、示波器的工作原理
示波器是利用電子示波管的特性，將人眼不能直接觀察到的交流電信號轉換成圖像，並顯示在熒光屏上進行測量的電子測量儀器。是觀察數字電路實驗現象，分析實驗中的問題，測量實驗結果不可缺少的重要儀器。示波器由示波器及電源系統、同步系統、X軸偏轉系統、Y軸偏轉系統、延遲掃描系統和標準信號源組成。
示波管
陰極射線管是示波器的核心。它將電信號轉換成光信號。如圖1所示，電子槍、偏轉系統和熒光屏密封在真空玻璃外殼中，形成壹個完整的示波管。
圖1示波管內部結構及電源圖
(1)熒光屏
目前示波管的屏幕通常為矩形平面，內表面沈積壹層磷光材料，形成熒光膜。蒸發的鋁膜通常被添加到熒光膜上。高速電子穿過鋁膜撞擊熒光粉發光形成亮點。鋁膜具有內反射功能，有利於提高亮點亮度。鋁膜還有散熱等其他功能。
當電子停止轟擊時，亮點不能立即消失，而應保持壹段時間。壹個亮點的亮度下降到原來的10%的時間稱為“余輝時間”。余輝時間短於10μs的極短，10μ s-1ms的極短，1ms-0.1s的中等，0.1s-1s的極長，超過1s的極長。壹般示波器都配有中余輝示波器，高頻示波器使用短余輝，低頻示波器使用長余輝。
由於使用了不同的磷光材料，在熒光屏上可以發出不同顏色的光。壹般示波器通常使用綠色示波器來保護人的眼睛。
(2)電子槍和聚焦
電子槍由燈絲(F)、陰極(K)、柵極(G1)、前加速電極(G2)(或第二柵極)、第壹陽極(A1)和第二陽極(A2)組成。它的作用是發射電子，形成非常細的高速電子束。燈絲通電加熱陰極，陰極受熱放出電子。
柵極是頂部有小孔的金屬圓柱體，套在陰極外面。因為柵極電位低於陰極電位，所以控制陰極發射的電子。壹般只有少量初速度高的電子能在陽極電壓的作用下穿過柵孔沖向熒光屏。初速度小的電子仍然返回陰極。
如果柵極電位太低，所有電子都回到陰極，即電子管關斷。調節電路中的W1電位器可以改變柵極電位，控制發射到熒光屏上的電子流密度，從而調節亮點的亮度。第壹陽極、第二陽極和前加速電極都是與陰極同軸的三個金屬圓柱體。前加速極G2接A2，外加電位高於A1。G2的正電勢加速陰極電子到熒光屏。
在電子束從陰極運行到熒光屏的過程中，要經過兩次聚焦過程。第壹次聚焦由K和GG2完成，被稱為示波管的第壹電子透鏡。第二次聚焦發生在GAA2區域。調節第二陽極A2的電位可以使電子束會聚到屏幕上的壹點，這就是第二次聚焦。A1上的電壓稱為聚焦電壓，A1也稱為聚焦電極。有時候調整A1的電壓還是不能滿足好的聚焦，所以需要微調第二陽極A2的電壓，也就是所謂的輔助聚焦電極。
(3)偏轉系統
偏轉系統控制電子射線的方向，使熒光屏上的光點能隨外加信號的變化描繪出被測信號的波形。在圖8.1中，YY2、Xl和X2，兩對垂直的偏轉板，組成壹個偏轉系統。Y軸偏轉板在前，X軸偏轉板在後，所以Y軸靈敏度高(測量的信號經過處理後加到Y軸上)。對兩對偏轉板分別施加電壓，使兩對偏轉板之間分別形成電場，分別控制電子束在垂直方向和水平方向的偏轉。
示波管電源
為了使示波管正常工作，對電源有壹定的要求。規定第二陽極與偏轉板之間的電位接近，偏轉板的平均電位為零或接近零。陰極必須在負電位下工作。柵極G1相對陰極為負電位(-30V ~-100V)，可調節實現亮度調節。第壹陽極具有正電勢(大約+100V~+600V)，並且也應該是可調節的，用於聚焦調節。
第二陽極與前加速電極連接，陰極施加正高壓(約+1000V)，相對於地電位的可調範圍為50V V..由於示波管各電極的電流很小，所以可以通過電阻分壓器提供高電壓。
二、示波器的基本組成
從上壹節可以看出，只要控制X軸偏轉板和Y軸偏轉板上的電壓，就可以控制示波管顯示的圖形形狀。我們知道，電子信號是時間f(t)的函數，它隨時間而變化。因此，只要在示波管的X軸偏轉板上加壹個與時間變量成正比的電壓，將被測信號加到Y軸上(放大或縮小)，被測信號隨時間變化的圖形就會顯示在示波管的屏幕上。在電信號中，與壹段時間內的時間變量成正比的信號就是鋸齒波。
示波器的基本組成框圖如圖2所示。它由示波管、Y軸系統、X軸系統、Z軸系統和電源組成。
圖2示波器基本組成框圖
被測信號①接“Y”輸入，經Y軸衰減器適當衰減後，送Y1放大器(前置放大)，推挽輸出信號②、③。延遲級將г 1時間延遲到Y2放大器。放大後，產生足夠的信號④和⑤，加到示波管的Y軸偏轉板上。為了在屏幕上顯示完整穩定的波形，將Y軸的測量信號③引入X軸系統的觸發電路，在引入信號的正(或負)極性的某壹電平值產生觸發脈沖⑥，啟動鋸齒波掃描電路(時基發生器)產生掃描電壓⑥。
由於從觸發到開始掃描有壹個時間延遲г 2，因此Y軸的延遲時間г 1應該比X軸的延遲時間г 2稍長，以確保Y軸信號在到達熒光屏之前開始掃描。掃描電壓⑦經X軸放大器放大，產生推挽輸出⑨和⑩，加到示波管的X軸偏轉板上。Z軸系統用來放大正的掃描電壓，使之變成正的矩形波，送到示波管的柵極。這使得在掃描正向路徑中顯示的波形具有壹定的固定亮度，並且在掃描返回路徑中被擦除。
以上是示波器的基本工作原理。雙蹤顯示是通過電子開關將Y軸輸入的兩個不同的測量信號顯示在屏幕上。由於人類視覺的持續性，當轉換頻率達到壹定程度時，會看到兩個穩定清晰的信號波形。
示波器中往往有壹個精確穩定的方波信號發生器，用於校準示波器。
三、示波器的使用
本節介紹如何使用示波器。示波器有多種類型和型號，具有不同的功能。20MHz或40MHz雙蹤示波器廣泛應用於數字電路實驗中。這些示波器的用法是相似的。本節並非針對某壹型號的示波器，只是從概念上介紹示波器在數字電路實驗中的常用功能。
熒光屏
熒光屏是示波管的顯示部分。屏幕上的水平和垂直方向有多條刻度線，表示信號波形的電壓和時間的關系。水平方向表示時間，垂直方向表示電壓。水平方向分為10個網格，垂直方向分為8個網格，每個網格分為5個部分。垂直方向標有0%、10%、90%、100%，水平方向標有10%、90%，用於測量DC電平、交流信號幅度和延遲時間等參數。電壓值和時間值可以通過將被測信號在屏幕上所占的方塊數乘以壹個適當的比例常數(v/div，TIME/DIV)得到。
示波器和電源系統
(1)電源(電源)
示波器主電源開關。按下此開關時，電源指示燈亮起，表示電源已接通。
(2)強度
旋轉該旋鈕可以改變光點和掃描線的亮度。觀察低頻信號時可以小壹些，觀察高頻信號時可以大壹些。壹般不要太亮，保護熒光屏。
(3)專註
聚焦旋鈕調節電子束的橫截面，將掃描線聚焦到最清晰的狀態。
(4)標尺亮度
該旋鈕調節熒光屏後面照明燈的亮度。在正常的室內光線下，最好調暗燈光。在室內光線不足的環境下，可以適當打開照明燈。
垂直偏轉系數和水平偏轉系數
(1)垂直偏轉系數選擇(伏特/格)和微調
在單位輸入信號的作用下，光點在屏幕上偏離的距離稱為偏移靈敏度，對X軸和Y軸都適用。靈敏度的倒數叫做偏轉系數。垂直靈敏度的單位是cm/V，cm/mv或div/mv，div/v，垂直偏轉系數的單位是v/cm，mv/cm或v/div，mv/div。事實上，由於習慣用法和測量電壓讀數的方便，偏轉系數有時被視為靈敏度。
跟蹤示波器中的每個通道都有壹個垂直偏轉系數選擇波段開關。壹般以1，2，5的方式分為5mV/DIV到5v/div的10檔。波段開關指示的值代表熒光屏上垂直方向上壹個柵極的電壓值。例如，當波段開關設置為1V/div時，如果屏幕上的信號光斑移動壹格，就意味著輸入信號電壓變化了1V。
每個波段開關上通常有壹個小旋鈕，用於微調每個波段的垂直偏轉系數。順時針旋轉到底部，它處於“校準”位置。此時，垂直偏轉系數值與波段開關指示的數值壹致。逆時針旋轉該旋鈕，微調垂直偏轉系數。微調垂直偏轉系數後，會與波段開關指示值不壹致，需要註意。很多示波器都有垂直擴展的功能。拉出微調旋鈕，垂直靈敏度擴大幾倍(偏轉系數減小幾倍)。例如，如果波段開關指示的偏轉系數為1V/DIV，則采用×5擴展狀態時，垂直偏轉系數為0.2V/DIV。
在做數字電路實驗時，經常用被測信號垂直移動距離與屏幕上+5V信號垂直移動距離的比值來判斷被測信號的電壓值。
(2)時間/分度和微調。
時基選擇和微調類似於垂直偏轉系數選擇和微調。時基選擇也是通過波段開關實現的，時基分為5種方式的若幹檔。波段開關的指示值代表光點在水平方向移動壹格的時間值。例如，在1μS/div的文件中，光點在屏幕上移動壹格來表示1μS的時間值。
微調旋鈕用於時基校準和微調。當基座順時針旋轉到校準位置時，屏幕上顯示的時基值與波段開關上顯示的標稱值壹致。逆時針轉動旋鈕微調時基。旋鈕拔出後，處於掃描擴展狀態。通常是擴大×10，即水平靈敏度擴大10倍，時基縮小到1/10。例如，在2μS/DIV文件中，掃描擴展狀態下屏幕上的水平網格所代表的時間值等於
2μS×(1/10)=0.2μS
TDS實驗平臺上有10MHz、1MHz、500kHz和100kHz時鐘信號，由石英晶體振蕩器和分頻器產生，精度高，可用於校準示波器的時基。
CAL是示波器的標準信號源，專門用於校準示波器的時基和垂直偏轉因子。比如COS5041示波器的標準信號源，提供的是壹個VP-P = 2V，F = 1 kHz的方波信號。
示波器前面板上的位置旋鈕調節信號波形在屏幕上的位置。旋轉水平位移旋鈕(標有水平雙箭頭)左右移動信號波形，旋轉垂直位移旋鈕(標有垂直雙箭頭)上下移動信號波形。
輸入通道和輸入耦合選擇
(1)輸入通道選擇
輸入通道至少有三個選項:通道1(CH1)、通道2(CH2)和雙通道。當選擇通道1時，示波器只顯示通道1的信號。當選擇通道2時，示波器僅顯示通道2的信號。當選擇雙通道時，示波器顯示通道1信號和通道2信號。測試信號時，示波器的地應先與被測電路的地相連。
根據輸入通道的選擇，將示波器探頭插入相應通道的插座，示波器探頭上的地與被測電路的地相連，示波器探頭接觸被測點。示波器探頭上有壹個雙位開關。當此開關撥到“×1”位置時，被測信號不衰減地送到示波器，從熒光屏上讀出的電壓值就是信號的實際電壓值。當此開關撥到“×10”位置時，被測信號衰減到1/10，然後送到示波器，信號的實際電壓值乘以從熒光屏上讀出的電壓值。
(2)輸入耦合方式
有三種輸入耦合模式:交流、GND和DC。當選擇“接地”時，掃描線在屏幕上顯示“示波器接地”的位置。DC耦合用於測量信號的DC絕對值，觀察極低頻信號。交流耦合用於觀察帶有DC分量的交流和交流信號。在數字電路實驗中，壹般選擇“DC”模式來觀察信號的絕對電壓值。
引起
第壹節指出被測信號從Y軸輸入後，壹部分送到示波管的Y軸偏轉板，驅動光點在熒光屏上按比例在垂直方向移動；另壹部分分流到X軸偏轉系統產生觸發脈沖，觸發掃描發生器，產生重復的鋸齒波電壓加到示波管的X偏轉板上，使光點在水平方向移動，兩者合二為壹，光點在熒光屏上畫出的圖案就是被測信號的圖案。
因此，正確的觸發方式直接影響示波器的有效工作。為了在熒光屏上得到穩定清晰的信號波形，掌握基本的觸發功能及其操作方法是非常重要的。
(1)觸發信號源選擇
為了在屏幕上顯示穩定的波形，需要在觸發電路中加入被測信號本身或者與被測信號有壹定時間關系的觸發信號。觸發源選擇決定了觸發信號的供應位置。通常有三種觸發源:內部觸發(int)、電源觸發(LINE)和外部觸發(ext)。
內部觸發以測量信號作為觸發信號，是壹種常用的觸發方式。因為觸發信號本身是測量信號的壹部分，所以可以在屏幕上顯示非常穩定的波形。可以選擇雙蹤示波器中的通道1或通道2作為觸發信號。
電源觸發器使用交流工頻信號作為觸發信號。這種方法在測量與交流電源頻率有關的信號時是有效的。它在測量音頻電路和閘流管的低電平交流噪聲時特別有效。
外部觸發器使用外部信號作為觸發信號，並且外部信號從外部觸發器輸入端子輸入。外部觸發信號和測量信號之間應該存在周期性關系。由於測量信號不作為觸發信號，所以何時開始掃描與測量信號無關。
觸發信號的正確選擇與波形顯示的穩定性和清晰度有很大關系。比如在數字電路的測量中，對於壹個簡單的周期信號，選擇內觸發可能更好，但是對於壹個周期復雜的信號，以及與之有周期關系的信號，選擇外觸發可能更好。
(2)觸發耦合方式的選擇
有許多方法將觸發信號耦合到觸發電路，以使觸發信號穩定可靠。下面是壹些常用的。
交流耦合也稱為容性耦合。它只允許由觸發信號的交流分量觸發，而觸發信號的DC分量被切斷。這種耦合方法通常在DC分量被認為不能形成穩定觸發時使用。但是，如果觸發信號的頻率小於10Hz，則會導致觸發困難。
DC耦合不會阻擋觸發信號的DC分量。當觸發信號頻率較低或占空比較大時，DC耦合較好。
當LFR被觸發時，觸發信號通過高通濾波器被添加到觸發電路，並且觸發信號的低頻分量被抑制。當HFR被觸發時，觸發信號通過低通濾波器被施加到觸發電路，並且觸發信號的高頻分量被抑制。還有壹個用於電視維護的電視同步(TV)觸發器。這些觸發耦合方式都有各自的適用範圍，需要在使用中了解。
(3)觸發電平和觸發極性。
觸發電平調整，也稱為同步調整，使掃描與測量信號同步。電平調節旋鈕調節觸發信號的觸發電平。壹旦觸發信號超過旋鈕設置的觸發水平，掃描即被觸發。順時針轉動旋鈕，觸發液位上升；逆時針轉動旋鈕，觸發電平將下降。當電平旋鈕調節到電平鎖定位置時，觸發電平自動保持在觸發信號的幅度內，無需調節電平即可產生穩定的觸發。當信號波形復雜，不能用電平旋鈕穩定觸發時，用釋抑旋鈕調整波形的釋放時間(掃描暫停時間)，可以使掃描和波形穩定同步。
極性開關用於選擇觸發信號的極性。當設置為“+”位置時，當觸發信號超過信號增加方向的觸發電平時，將產生觸發。當設置為“-”位置時，當觸發信號超過信號減弱方向的觸發電平時，將產生觸發。觸發極性和觸發電平* * *都決定了觸發信號的觸發點。
掃描模式
有三種掃描模式:自動、標準和單壹。
自動:當無觸發信號輸入或觸發信號頻率低於50Hz時，掃描模式為自激。
正常狀態:沒有觸發信號輸入時，掃描處於就緒狀態，沒有掃描線。當觸發信號到達時，掃描被觸發。
單發:單發按鈕類似於復位開關。在單次掃描模式下，按下單次按鈕時掃描電路復位，此時就緒燈亮。觸發信號到達後產生掃描。壹次掃描後，就緒燈熄滅。單掃描用於觀察非周期信號或單個瞬態信號，經常需要對波形拍照。
上面簡單介紹了示波器的基本功能和操作。示波器還有壹些比較復雜的功能，比如延時掃描，觸發延時，X-Y工作模式等等，這裏就不介紹了。示波器的操作入門很容易，但真正精通還需要在應用中掌握。值得指出的是，示波器雖然功能很多，但很多情況下還是用其他儀器儀表比較好。比如在數字電路實驗中，判斷是否出現脈寬較窄的單脈沖時，用邏輯筆就簡單多了；測量單個脈沖的脈寬時，最好使用邏輯分析儀。
四、使用數字示波器必須註意的問題
序
數字示波器因其在波形觸發、存儲、顯示、測量和波形數據分析處理等方面的獨特優勢而得到廣泛應用。由於數字示波器和模擬示波器存在較大的性能差異，如果使用不當，會產生較大的測量誤差，影響測試任務。
區分模擬帶寬和數字實時帶寬
帶寬是示波器最重要的指標之壹。模擬示波器的帶寬是壹個固定值，而數字示波器的帶寬包括模擬帶寬和數字實時帶寬。數字示波器對重復信號采用順序采樣或隨機采樣技術所能達到的最高帶寬就是示波器的數字實時帶寬。數字實時帶寬與最高數字化頻率和波形重構技術因子K(數字實時帶寬=最高數字化率/K)有關，不直接作為指標給出。
從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適用於重復周期信號的測量，而數字實時帶寬既適用於重復信號的測量，也適用於單個信號的測量。廠家宣稱示波器的帶寬能達到多少兆？其實指的是模擬帶寬，數字實時帶寬低於這個值。比如TEK公司的TES520B，其帶寬為500MHz，實際上意味著其模擬帶寬為500MHz，數字實時帶寬最高只能達到400MHz，遠低於模擬帶寬。所以在測量單個信號時，壹定要參考數字示波器的數字實時帶寬，否則會給測量帶來意想不到的誤差。
關於采樣率
采樣率又稱數字化率，是指單位時間內模擬輸入信號的采樣次數，常以ms/s表示，采樣率是數字示波器的重要指標。
(1)如果采樣率不夠，很容易出現混疊。
示波器的輸入信號是100KHz的正弦信號，但是示波器顯示的信號頻率是50KHz怎麽辦？這是因為示波器的采樣率太慢，導致混疊。混疊是指屏幕上顯示的波形頻率低於信號的實際頻率，或者即使示波器上的觸發指示燈亮著，顯示的波形仍然不穩定。混疊的產生如圖1所示。
那麽對於壹個頻率未知的波形，如何判斷顯示的波形有沒有重疊呢？可以把掃描速度t/div慢慢改成更快的時基文件，看看波形的頻率參數是否變化劇烈。如果是這樣，就意味著出現了波形混疊。或者抖動波形穩定在更快的時基上，這也表明波形混疊已經發生。根據奈奎斯特定理，采樣率至少是信號高頻分量的兩倍，這樣就不會出現混疊。例如，500MHz信號至少需要1GS/s的采樣速率。有幾種方法可以簡單地防止混疊:
A.調整掃描速度；
B.采用autoset
C.盡量將采集模式切換到包絡模式或峰值檢測模式，因為包絡模式是在多個采集記錄中尋找極值，而峰值檢測模式是在單個采集記錄中尋找最大值和最小值，兩種方法都可以檢測到更快的信號變化。
如果示波器有InstaVu采集模式，可以選擇，因為采集波形速度快，這樣顯示的波形和模擬示波器顯示的波形差不多。
(2)采樣率與t/div的關系
每個數字示波器的最大采樣率是壹個固定值。然而，在任何掃描時間t/div，采樣率fs由以下公式給出:
Fs=N/(t/div)N是每個網格的采樣點。
當采樣點數n為壹定值時，fs與t/div成反比，掃描速度越高，采樣率越低。
綜上所述，使用數字示波器時，為了避免重疊，最好將掃描速度文件放在更快的掃描速度上。如果想抓住稍縱即逝的毛刺，掃描速度檔最好放在主掃描速度慢的位置。