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1、示波器的原理和使用方法在数字电路实验中，需要使用若干仪器、仪表观察实验现象和结果。常用的电子测量仪器有万用表、逻辑笔、普通示波器、存储示波器、逻辑分析仪等。万用表和逻辑笔使用方法比较简单，而逻辑分析仪和存储示波器目前在数 字电路教学实验中应用还不十分普遍。示波器是一种使用非常广泛，且使用相对复杂的仪器。本章从使用的角度介 绍一下示波器的原理和使用方法。1示波器工作原理示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的 电子测量仪器。它是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。示波器由示 波管和电源系统、同步系统、 X
2、轴偏转系统、丫轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。1. 1示波管阴极射线管(CRT)简称示波管，是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。正如图1所示，电子枪、偏转系统和荧光屏三部分密圭寸在一个真空玻璃壳内，构成了一个完整的示波管。叽 .T1图1示波管的内部结构和供电图示1. 荧光屏现在的示波管屏面通常是矩形平面，内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜。在荧光膜上常又增加一层蒸发铝膜。高速电子穿过铝膜，撞击荧光粉而发光形成亮点。铝膜具有内反射作用，有利于提高亮点的辉度。铝膜还有散热等 其他作用。当电子停止轰击后，亮点不能立即消失而要保留一段时间。亮点辉度下降到原始值的10%所经过的时间叫做余辉时
3、间”余辉时间短于 10卩S为极短余辉，10卩s1ms为短余辉，1ms 0. 1s为中余辉，0. 1s-1s为长余辉，大于 1s为极长余辉。一般的示波器配备中余辉示波管，高频示波器选用短余辉，低频示波器选用长余辉。由于所用磷光材料不同，荧光屏上能发岀不同颜色的光。一般示波器多采用发绿光的示波管，以保护人的眼睛。2. 电子枪及聚焦电子枪由灯丝（F）、阴极（K）、栅极（G1）、前加速极（G2）（或称第二栅极）、第一阳极（A1）和第二阳极（A2）组成。它的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。灯丝通电加热阴极，阴极受热发射电子。栅极是一个顶部有小孔的金属园筒，套在阴极外面。由于栅极电位比阴极低，对阴极
4、发射的电子起控制作用，一般只有运动初速度大的少量电子，在阳极电压的作用下能穿过栅极小孔，奔向荧光屏。初速度小的电子仍返回阴极。如果栅极电位过低，则全部电子返回阴极，即管子截止。调节电路中的W1电位器，可以改变栅极电位，控制射向荧光屏的电子流密度，从而达到调节亮点的辉度。第一阳极、第二阳极和前加速极都是与阴极在同一条轴线上的三个金属圆筒。前加速极G2与A2相连，所加电位比 A1高。G2的正电位对阴极电子奔向荧光屏起加速作用。电子束从阴极奔向荧光屏的过程中，经过两次聚焦过程。第一次聚焦由K、G1、G2完成，K、K、G1、G2叫做示波管的第一电子透镜。第二次聚焦发生在G2、A1、A2区域，调节第二阳
5、极 A2的电位，能使电子束正好会聚于荧光屏上的一点，这是第二次聚焦。A1上的电压叫做聚焦电压，A1又被叫做聚焦极。有时调节A1电压仍不能满足良好聚焦，需微调第二阳极A2的电压，A2又叫做辅助聚焦极。3. 偏转系统偏转系统控制电子射线方向，使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘岀被测信号的波形。图8. 1中，丫1、Y2和XI、X2两对互相垂直的偏转板组成偏转系统。丫轴偏转板在前，X轴偏转板在后，因此 丫轴灵敏度高（被测信号经处理后加到 丫轴）。两对偏转板分别加上电压，使两对偏转板间各自形成电场，分别控制电子束在垂直方向 和水平方向偏转。4示波管的电源为使示波管正常工作，对电源供给有一定要求。规定第
6、二阳极与偏转板之间电位相近，偏转板的平均电位为零或接近为零。阴极必须工作在负电位上。 栅极G1相对阴极为负电位（一30V一100V），而且可调，以实现辉度调节。 第一阳极为正电位（约+ 100V+600V），也应可调，用作聚焦调节。第二阳极与前加速极相连，对阴极为正高压（约+ 1000V），相对于地电位的可调范围为 0V。由于示波管各电极电流很小，可以用公共高压经电阻分压器供电。1.2示波器的基本组成从上一小节可以看岀，只要控制X轴偏转板和 丫轴偏转板上的电压，就能控制示波管显示的图形形状。我们知道，一个电子信号是时间的函数f（t），它随时间的变化而变化。因此，只要在示波管的X轴偏转板上加一个
7、与时间变量成正比的电压，在y轴加上被测信号（经过比例放大或者缩小），示波管屏幕上就会显示岀被测信号随时间变化的图形。电信号中，在一段时间内与时间变量成正比的信号是锯齿波。示波器的基本组成框图如图2所示。它由示波管、丫轴系统、X轴系统、Z轴系统和电源等五部分组成。CKT图2示波器基本组成框图被测信号接到 “丫输入端，经丫轴衰减器适当衰减后送至丫1放大器（前置放大），推挽输岀信号和。经延迟级延迟ri时间，到丫2放大器。放大后产生足够大的信号和，加到示波管的丫轴偏转板上。为了在屏幕上显示岀完整的稳定波形， 将丫轴的被测信号引入 X轴系统的触发电路， 在引入信号的正（或者负）极性的某一电平值产生触发脉
8、冲， 启动锯齿波扫描电路（时基发生器），产生扫描电压。由于从触发到启动扫描有一时间延迟厂2, 为保证丫轴信号到达荧光屏之前 X轴开始扫描，丫轴的延迟时间 ri应稍大于X轴的延迟时间 r2扫描电压经X轴放大器放大，产生推挽输岀和，加到示波管的X轴偏转板上。z轴系统用于放大扫描电压正程，并且变成正向矩形波，送到示波管栅极。这使得在扫描正程显示的波形有某一固定辉度，而在扫描回程进行抹迹。以上是示波器的基本工作原理。双踪显示则是利用电子开关将 Y轴输入的两个不同的被测信号分别显示在荧光屏上。由于人眼的视觉暂留作用，当转换频率高到一定程度后，看到的是两个稳定的、清晰的信号波形。示波器中往往有一个精确稳定
9、的方波信号发生器，供校验示波器用。2示波器使用本节介绍示波器的使用方法。示波器种类、型号很多，功能也不同。数字电路实验中使用较多的是20MHz或者40MHz的双踪示波器。这些示波器用法大同小异。本节不针对某一型号的示波器，只是从概念上介绍示波器在 数字电路实验中的常用功能。2.1荧光屏荧光屏是示波管的显示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，指示岀信号波形的电压和时间之间的关系。水平方向指示时间，垂直方向指示电压。水平方向分为10格，垂直方向分为 8格，每格又分为5份。垂直方向标有0%, 10%, 90%, 100 %等标志，水平方向标有10 %, 90 %标志，供测直流电平、交流信号幅
10、度、延迟时间等参数使用。根据被测信号在屏幕上占的格数乘以适当的比例常数(V /DIV，TIME /DIV)能得岀电压值与时间值。2. 2示波管和电源系统1 .电源(Power)示波器主电源开关。当此开关按下时，电源指示灯亮，表示电源接通。2. 辉度(Intensity)旋转此旋钮能改变光点和扫描线的亮度。观察低频信号时可小些，高频信号时大些。一般不应太亮，以保护荧光屏。3. 聚焦(Focus)聚焦旋钮调节电子束截面大小，将扫描线聚焦成最清晰状态。4. 标尺亮度(llluminance)此旋钮调节荧光屏后面的照明灯亮度。正常室内光线下，照明灯暗一些好。室内光线不足的环境中，可适当调 亮照明灯2.
11、 3垂直偏转因数和水平偏转因数1垂直偏转因数选择 (VOLTS / DIV)和微调在单位输入信号作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这一定义对X轴和丫轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因数。垂直灵敏度的单位是为cm/V，cm/ mV或者DIV / mV, DIV / V ,垂直偏转因数的单位是 V/cm, mV/cm或者V/DIV , mV/DIV。实际上因习惯用法和测量电压读数的方便，有时也把偏转因数当灵敏度。踪示波器中每个通道各有一个垂直偏转因数选择波段开关。一般按1，2，5方式从5mV / DIV到5V / DIV分为10档。波段开关指示的值代表荧光屏上垂直方向一格的电压值。例如波
12、段开关置于1V/DIV档时，如果屏幕上信号光点移动一格，则代表输入信号电压变化1V。每个波段开关上往往还有一个小旋钮，微调每档垂直偏转因数。将它沿顺时针方向旋到底，处于校准”位置，此时垂直偏转因数值与波段开关所指示的值一致。逆时针旋转此旋钮，能够微调垂直偏转因数。垂直偏转因数微调 后，会造成与波段开关的指示值不一致，这点应引起注意。许多示波器具有垂直扩展功能，当微调旋钮被拉岀时， 垂直灵敏度扩大若干倍(偏转因数缩小若干倍)。例如，如果波段开关指示的偏转因数是1V/DIV，采用5扩展状态时，垂直偏转因数是0. 2V / DIV。在做数字电路实验时，在屏幕上被测信号的垂直移动距离与+5V信号的垂直
13、移动距离之比常被用于判断被测信号的电压值。2.时基选择仃IME / DIV)和微调时基选择和微调的使用方法与垂直偏转因数选择和微调类似。时基选择也通过一个波段开关实现，按1、2、5方式把时基分为若干档。波段开关的指示值代表光点在水平方向移动一个格的时间值。例如在1卩S/ DIV档，光点在屏上移动一格代表时间值 1卩S。微调”旋钮用于时基校准和微调。沿顺时针方向旋到底处于校准位置时，屏幕上显示的时基值与波段开关所示的标称值一致。逆时针旋转旋钮，则对时基微调。旋钮拔岀后处于扫描扩展状态。通常为X10扩展，即水平灵敏度扩大10倍，时基缩小到1 / 10。例如在2卩S/DIV档，扫描扩展状态下荧光屏上
14、水平一格代表的时间值等于2卩 SX (1/10)=0.2 ySTDS实验台上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的时钟信号，由石英晶体振荡器和分频器产生，准确度很高，可用来校准示波器的时基。示波器的标准信号源 CAL，专门用于校准示波器的时基和垂直偏转因数。例如COS5041型示波器标准信号源提供一个VP-P=2V,f=1kHz 的方波信号。示波器前面板上的位移 (Position)旋钮调节信号波形在荧光屏上的位置。旋转水平位移旋钮(标有水平双向箭头)左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮(标有垂直双向箭头)上下移动信号波形。2.4输入通道和输入耦合选择1 输入通道选择输入通道至少有
15、三种选择方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)、双通道(DUAL)。选择通道1时，示波器仅显示通道1的信号。选择通道 2时，示波器仅显示通道2的信号。选择双通道时，示波器同时显示通道1信号和通道2信号。测试信号时，首先要将示波器的地与被测电路的地连接在一起。根据输入通道的选择，将示波器探头插到相应 通道插座上，示波器探头上的地与被测电路的地连接在一起，示波器探头接触被测点。示波器探头上有一双位开关。此开关拨到“X位置时，被测信号无衰减送到示波器，从荧光屏上读岀的电压值是信号的实际电压值。此开关拨到“X 1位置时，被测信号衰减为1 / 10,然后送往示波器，从荧光屏上读岀的电压值乘以10才是信号的实际电压值。2.输入耦合方式输入耦合方式有三种选择：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)。当选择 地”时，扫描线显示岀 示波器地”在荧光屏上的位置。直流耦合用于测定信号直流绝对值和观测极低频信号。交流耦合用于观测交流和含有直流成分的交流 信号。在数字电路实验中，一般选择直流”方式，以便观测信号的绝对电压值。2.5触发第一节指岀，被测信号从丫轴输入
