什么是示波器?

[拼音]：shiboqi

[外文]：oscilloscope

以图像形式在阴极射线管荧光屏上显示两个或两个以上参数间的函数关系的电子测量仪器。示波器根据对不同时域测量的要求分为通用示波器、存储示波器和取样示波器三类。

阴极射线管将电信号变成荧光屏上可见的图像，是电子技术中一项极其重要的发明。1879年，W.克鲁克斯利用磁场能使真空管中阴极射线偏转，以及荧光材料在电子束轰击下能发出荧光和磷光的原理制成了阴极射线管。1897年，K.F.布劳恩改进了克鲁克斯管，使电子束电流可控以改变光点的亮度，从而制成了实用的阴极射线管，如示波管、电视显像管等。示波器在电子测量仪器发展史中是影响最大、用途最广、生产品种最多的仪器，配上适当的非电量换能器后能测量和显示几乎一切物理量和动态过程。在电子测量仪器中，示波器是一种电信号的时域测量和分析仪器；它显示信号随时间变化的波形，是一种非常直观的波形分析器。第一台电子管示波器于1931年问世，随着晶体管、集成组件、超小型元件、器件和新型示波管的出现，现代示波器的性能和结构已有显著的改进。

示波器的显著优点是：

（1）非常直观，能将波形直接显示在荧光屏上，还可用照相方法取得永久性记录；

（2）量程大，可测量从高灵敏示波器的数微伏至高压示波器的数万伏的信号；

（3）输入阻抗高，对被测系统影响极小；

（4）反应迅速，电子束惰性极小，能显示纳秒级的快速过程；

（5）多信道，能在同一荧光屏上同时显示几个过程，便于观察、比较、测量和分析；

（6）耐过载能力强，能在恶劣环境下工作。

示波器的主要性能指标是频率范围、灵敏度、信道数和存储功能。

（1）频率范围：指-3分贝时的上限、下限频率。一般示波器下限频率可达直流或很低频率，上限频率具有重要意义，它决定可显示的最快速过程。

（2）灵敏度:指偏转一格刻度（8～10毫米）所需的输入电压，目前常用示波器灵敏度可达每格1～10毫伏。

（3）信道数目：指同时在荧光屏显示的输入信道的数目，最常见的为1～4个信道。

（4）存储功能：所有示波器都可用来观察重复性（即周期性）波形，但是，如果周期很长或是单次快速过程，普通示波器在显示时会出现闪烁、过暗或捕捉不住等现象，存储示波器具有存储功能，能观察上述特殊波形。

通用示波器通常采用 80毫米×100毫米矩形荧光屏带内刻度和后加速电极的示波管。时基发生器产生一电压随时间作线性变化的锯齿波，其重复频率在很大范围内可变，起始扫描时间受来自触发电路的触发脉冲控制。图中为双通道双踪示波器，利用电子开关将A、B通道的图像分别显示在荧光屏上。电子开关有两种工作模式：交替模式和断续模式。在交替工作模式时，电子开关受时基产生器控制，每次扫描开始时，电子开关立即转换，这种方式适合于观察变化较快的信号。在断续工作模式时，电子开关受方波振荡器（频率50千赫～1兆赫）控制，轮流接通 A和B通道，适用于观察慢变化信号。触发电路和时基发生器的动作都比触发信号有一定滞后。为了显示信号的前沿，在信号回路中加入一段延迟回路。早期示波器的时基发生器与图中的不同，没有触发回路，由输入信号直接与锯齿波发生器同步，时基发生器没有精确时间刻度。后来加入触发电路，使波形稳定，且扫描速度不受输入信号影响。这种示波器对观察脉冲信号特别方便，称为同步示波器。随着示波器的发展，频率上限不断提高。上限频率主要受放大器和示波管上限频率的限制，现代示波器已达到300～400兆赫，最高水平已达到1000兆赫。输入阻抗通常为1兆欧的电阻与30～50皮法的等效电容并联。高输入阻抗特别是低容抗有时对电路影响很大，且容易拾取干扰信号。用衰减器探头可提高输入容抗。探头用RC并联电路与示波器输入端串接。一般采用1/10的探头，输入阻抗约为10兆欧与10皮法并联，能防止干扰串入。现代示波器因有两路时基发生器，可交替扫描、交替触发，并有校正用方波发生器、聚焦调节和像差调节等电路，能对波形进行精密测量。

用通用示波器观察重复频率为几赫的波形时，荧光屏会严重地闪烁。补救的办法是采用长余辉示波管（余辉时间可长达1～3秒），这种办法虽很简单，但余辉时间不能随意调节，不适于观察高重复频率信号，而且普通示波器还不能观察单次过程。存储示波器又称记忆示波器，能将波形记忆下来，显示在荧光屏上。存储示波器采用特殊的阴极射线管，有栅网型和双稳态型荧光膜两类。存储示波管和普通示波管不同，它有写入电子q和读出电子q（见示波器）。栅网型示波管的优点是辉度连续可调，存储时间可从1小时到7天，可多次写入、一次读出。双稳态型存储示波管结构简单，存储时间可达1小时，价格低廉，缺点是双稳态缺乏中间色调，不能快速写入，荧光膜易烧毁。存储示波管比普通示波管昂贵、寿命短，将会被数字型存储示波器所取代。数字型存储示波器是集数字记录装置和普通示波器于一体，将集成组件的记忆存储器内容由示波器显示，其优点是可进行数据处理，示波管寿命长，不易烧毁。

用抽样法将频率压缩，将快速重复的现象变成低速重复的现象，用普通示波器显示波形。取样示波器适用于观察周期性现象，其上限频率已达18吉赫。取样示波器的关键部分是用高速开关元件（如隧道二极管）组成的取样头。使用时输入信号电压应比普通示波器的电压低，以避免损坏取样头，同时须解决测量时的阻抗匹配问题，以减小波形失真。

参考书目

B.M.奥利弗、J.M.卡奇编，张伦等译:《电子测量和仪器》，科学出版社，北京，1978。(B.M.Oliver and J.M.Cage，Electronic Measurements and Instrumentation，McGraw-Hill，New York，1971.)

参考文章

使用示波器时应注意什么?电气技术

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