[科普中国]-通用示波器

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。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，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，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、调幅度等等。

简介通用示波器是电子测量中最常用的仪器之一。它不仅能够直接观测和真实显示被测信号，而且还可以观测脉冲信号的前后沿、脉宽、上冲、下冲等参数。为保证示波器的正常使用和测量精度，应对示波器定期进行检定和校准。通用示波器的很多技术指标难以用一般仪器直接检定,采取间接方法利用常用电子测量仪器既可达到检定的目的，又可以扩展它的使用范围，提高它的测量精度。

组成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，是示波器一个重要组成部分。示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏3个部分组成。

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，它有三个作用：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。crt数字读出示波器

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，偏转板之间则有电场，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。

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υ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（0）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。

荧光屏示波器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。此时光点的亮度决定于电子束的数目、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，一般都采用发蓝色的短余辉示波管。

分类示波器主要可以分为模拟示波器与数字示波器两类。

模拟示波器主要基于阴极射线管，打出的电子束通过水平偏置和垂直偏置系统，打在屏幕的荧光物质上显示波形。

数字示波器主要是通过ADC将模拟数字离散化并存入存储器，通过CPU或专用芯片进行处理后在屏幕上进行显示。原有的数字存储示波器对波形的捕获率较慢，随着技术及专用芯片的发展，现有数字存储示波器的波形捕获率已经可以达到每秒100万次，高于模拟示波器的40万次。

数字存储示波器DSO，Digital Storage Oscilloscope：将信号数字化后再建波形，具有记忆、存储被观测信号的功能，可以用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号，以及不同时间不同地点观测到的信号。

数字荧光示波器DPO，Digital Phosphor Oscilloscope：通过多层次辉度或彩色可显示长时间内信号。混合信号示波器MSO,Mixed Signal Oscilloscope：把数字示波器对信号细节的分析能力和逻辑分析仪多通道定时测量能力组合在一起，可用于分析数模混合信号交互影响1。

数字示波器基本指标带宽、采样率和存储深度是示波器的三大技术指标。示波器的带宽定义为信号衰减3dB时的信号频率。若一台示波器带宽不够会导致看到的信号失真，测试不准确。带宽指标主要体现在衰减器与放大器的指标。实时采样率体现出示波器的ADC的指标。采样率通常要大于等于带宽的4倍。存储深度影响观测时间的长短，另外也会影响到示波器的采样率。因为存储深度=采样率×观测时间，若观测时间较长（与水平观测时间相关），则采样率会下降。除此之外，波形捕获率和示波器响应速度，触发条件的多少，底噪的情况，使用的方便性，及扩展性也体现了示波器的性能。

带宽选择实例： 已知条件：示波器主机1GHz，探头配置1.5GHz，被测信号200MHz（上升时间500ps）。

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波形显示的基本原理由示波管的原理可知，一个直流电压加到一对偏转板上时，将使光点在荧光屏上产生一个固定位移，该位移的大小与所加直流电压成正比。如果分别将两个直流电压同时加到垂直和水平两对偏转板上，则荧光屏上的光点位置就由两个方向的位移所共同决定。

如果将一个正弦交流电压加到一对偏转板上时，光点在荧光屏上将随电压的变化而移动。当垂直偏转板上加一个正弦交流电压时，在时间t=0的瞬间，电压为Vo（零值），荧光屏上的光点位置在坐标原点0上，在时间t=1的瞬间，电压为V1（正值），荧光屏上光点在坐标原点0点上方的1上，位移的大小正比于电压V1；在时间t=2的瞬间，电压为V2（最大正值），荧光屏上的光点在坐标原点0点上方的2点上，位移的距离正比于电压V2；以此类推，在时间t=3，t=4，…，t=8的各个瞬间，荧光屏上光点位置分别为3，4，…，8点。在交流电压的第二个周期、第三个周期……都将重复第一个周期的情况。如果此时加在垂直偏转板上的正弦交流电压之频率很低，仅为lHz～2Hz，那么，在荧光屏上便会看见一个上下移动着的光点。这光点距离坐标原点的瞬时偏转值将与加在垂直偏转板上的电压瞬时值成正比。如果加在垂直偏转板上的交流电压频率在10Hz～20Hz以上，则由于荧光屏的余辉现象和人眼的视觉暂留现象，在荧光屏上看到的就不是一个上下移动的点，而是一根垂直的亮线了。该亮线的长短在示波器的垂直放大增益一定的情况下决定于正弦交流电压峰一峰值的大小。如果在水平偏转板上加一个正弦交流电压，则会产生相类似的情况，只是光点在水平轴上移动罢了。2

发展趋势高性能与通用是示波器发展的两个趋势。体现高性能的例子是安捷伦科技的63GHz模拟带宽、160GSa/s采样的实时示波器，同时具有低噪声和高输入动态范围的特性，美国力科公司宣布了65GHz模拟带宽、160GS/s实时采样率、4~40通道的任意通道示波器系统，大幅的优化了示波器的通道选择性。另一个趋势是通用，将更多的功能集成到示波器中，常见的有将逻辑分析功能集成，形成混合型号示波器；将协议分析功能集成，最近安捷伦又将信号源集成到示波器中。力科也在全系列示波器中加上逻辑模组，随着技术的发展，也许示波器会集成越来越多的功能3。

世界主要厂商美国：泰克（Tektronix），安捷伦（Agilent，原HP惠普仪器），福禄克(Fluke)，力科（LeCroy）、国家仪器(National Instruments) 荷兰：飞利浦（Philips）（90年代其仪器部门与美国福禄克合并） 德国：罗德与施瓦茨（R&S，原HAMEG） 英国：古尔德（GOULD） 日本：日立（Hitachi），菊水（Kikusui），岩崎（Iwatsu）,建伍（Kenwood/Trio） 台湾：固纬（Gwinstek）4

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所