示波器是物理實(shí)驗室中非常常見(jiàn)的實(shí)驗測量?jì)x器，利用示波器能觀(guān)察各種不同信號幅度隨時(shí)間變化的波形曲線(xiàn)，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。
 

　　一般示波器的結構組成大概分為五組：①顯示電路、②垂直(Y軸)放大電路、③水平(X軸)放大電路、④掃描與同步電路、⑤電源供給電路。
 

　　其方框圖大致如下圖：
 

圖1：示波器的原理功能示意圖
 

　　示波器工作原理：
 

　　以下針對圖1中所示的五個(gè)工作部分分別介紹。
 

　　1.顯示電路
 

　　顯示電路包括示波管及其控制電路兩個(gè)部分。示波管是一種特殊的電子管，是示波器一個(gè)重要組成部分。示波管的基本原理圖如圖5-2所示。由圖可見(jiàn)，示波管由電子槍、偏轉系統和熒光屏3個(gè)部分組成。
 

　　1.1電子槍
 

　　電子槍用于產(chǎn)生并形成高速、聚束的電子流，去轟擊熒光屏使之發(fā)光。它主要由燈絲F、陰極K、控制極G、第一陽(yáng)極A1、第二陽(yáng)極A2組成。除燈絲外，其余電極的結構都為金屬圓筒，且它們的軸心都保持在同一軸線(xiàn)上。陰極被加熱后，可沿軸向發(fā)射電子；控制極相對陰極來(lái)說(shuō)是負電位，改變電位可以改變通過(guò)控制極小孔的電子數目，也就是控制熒光屏上光點(diǎn)的亮度。為了提高屏上光點(diǎn)亮度，又不降低對電子束偏轉的靈敏度，現代示波管中，在偏轉系統和熒光屏之間還加上一個(gè)后加速電極A3。
 

圖2：示波管內部示意圖
 

　　第一陽(yáng)極對陰極而言加有約幾百伏的正電壓。在第二陽(yáng)極上加有一個(gè)比第一陽(yáng)極更高的正電壓。穿過(guò)控制極小孔的電子束，在第一陽(yáng)極和第二陽(yáng)極高電位的作用下，得到加速，向熒光屏方向作高速運動(dòng)。由于電荷的同性相斥，電子束會(huì )逐漸散開(kāi)。通過(guò)第一陽(yáng)極、第二陽(yáng)極之間電場(chǎng)的聚焦作用，使電子重新聚集起來(lái)并交匯于一點(diǎn)。適當控制第一陽(yáng)極和第二陽(yáng)極之間電位差的大小，便能使焦點(diǎn)剛好落在熒光屏上，顯現一個(gè)光亮細小的圓點(diǎn)。改變第一陽(yáng)極和第二陽(yáng)極之間的電位差，可起調節光點(diǎn)聚焦的作用，這就是示波器的“聚焦”和“輔助聚焦”調節的原理。第三陽(yáng)極是示波管錐體內部涂上一層石墨形成的，通常加有很高的電壓，它有三個(gè)作用：①使穿過(guò)偏轉系統以后的電子進(jìn)一步加速，使電子有足夠的能量去轟擊熒光屏，以獲得足夠的亮度；②石墨層涂在整個(gè)錐體上，能起到屏蔽作用；③電子束轟擊熒光屏會(huì )產(chǎn)生二次電子，處于高電位的A3可吸收這些電子。
 

　　2.2 偏轉系統
 

　　示波管的偏轉系統大都是靜電偏轉式，它由兩對相互垂直的平行金屬板組成，分別稱(chēng)為水平偏轉板和垂直偏轉板。分別控制電子束在水平方向和垂直方向的運動(dòng)。當電子在偏轉板之間運動(dòng)時(shí)，如果偏轉板上沒(méi)有加電壓，偏轉板之間無(wú)電場(chǎng)，離開(kāi)第二陽(yáng)極后進(jìn)入偏轉系統的電子將沿軸向運動(dòng)，射向屏幕的中心。如果偏轉板上有電壓，偏轉板之間則有電場(chǎng)，進(jìn)入偏轉系統的電子會(huì )在偏轉電場(chǎng)的作用下射向熒光屏的指定位置。
 

　　如圖3所示。如果兩塊偏轉板互相平行，并且它們的電位差等于零，那么通過(guò)偏轉板空間的，具有速度υ的電子束就會(huì )沿著(zhù)原方向(設為軸線(xiàn)方向)運動(dòng)，并打在熒光屏的坐標原點(diǎn)上。如果兩塊偏轉板之間存在著(zhù)恒定的電位差，則偏轉板間就形成一個(gè)電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)與電子的運動(dòng)方向相垂直，于是電子就朝著(zhù)電位比較高的偏轉板偏轉。這樣，在兩偏轉板之間的空間，電子就沿著(zhù)拋物線(xiàn)在這一點(diǎn)上做切線(xiàn)運動(dòng)。最后，電子降落在熒光屏上的A點(diǎn)，這個(gè)A點(diǎn)距離熒光屏原點(diǎn)(即0點(diǎn))有一段距離，這段距離稱(chēng)為偏轉量，用y表示。偏轉量y與偏轉板上所加的電壓Vy成正比。同理，在水平偏轉板上加有直流電壓時(shí)，也發(fā)生類(lèi)似情況，只是光點(diǎn)在水平方向上偏轉。
 

圖3：偏轉板電場(chǎng)對電子書(shū)偏轉示意圖
 

　　1.2熒光屏
 

　　熒光屏位于示波管的終端，它的作用是將偏轉后的電子束顯示出來(lái)，以便觀(guān)察。在示波器的熒光屏內壁涂有一層發(fā)光物質(zhì)，因而，熒光屏上受到高速電子沖擊的地點(diǎn)就顯現出熒光。此時(shí)光點(diǎn)的亮度決定于電子束的數目、密度及其速度。改變控制極的電壓時(shí)，電子束中電子的數目將隨之改變，光點(diǎn)亮度也就改變。在使用示波器時(shí)，不宜讓很亮的光點(diǎn)固定出現在示波管熒光屏一個(gè)位置上，否則該點(diǎn)熒光物質(zhì)將因長(cháng)期受電子沖擊而燒壞，從而失去發(fā)光能力。
 

　　涂有不同熒光物質(zhì)的熒光屏，在受電子沖擊時(shí)將顯示出不同的顏色和不同的余輝時(shí)間，通常供觀(guān)察一般信號波形用的是發(fā)綠光的，屬中余輝示波管，供觀(guān)察非周期性及低頻信號用的是發(fā)橙黃色光的，屬長(cháng)余輝示波管；供照相用的示波器中，一般都采用發(fā)藍色的短余輝示波管。
 

　　2.垂直(Y軸)放大電路
 

　　由于示波管的偏轉靈敏度甚低，所以一般的被測信號電壓都要先經(jīng)過(guò)垂直放大電路的放大，再加到示波管的垂直偏轉板上，以得到垂直方向的適當大小的圖形。
 

　　3.水平(X軸)放大電路
 

　　由于示波管水平方向的偏轉靈敏度也很低，所以接入示波管水平偏轉板的電壓(鋸齒波電壓或其它電壓)也要先經(jīng)過(guò)水平放大電路的放大以后，再加到示波管的水平偏轉板上，以得到水平方向適當大小的圖形。
 

　　4.掃描與同步電路
 

　　掃描電路產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波電壓，該鋸齒波電壓的頻率能在一定的范圍內連續可調，鋸齒波電壓的作用是使示波管陰極發(fā)出的電子束在熒光屏上形成周期性、與時(shí)間成正比的水平位移，即形成時(shí)間基線(xiàn)，這樣才能把加在垂直方向的被測信號按時(shí)間的變化波形展現在熒光屏上。
 

　　5.電源供給電路
 

　　電源供給電路供給垂直與水平放大電路、掃描與同步電路以及示波管與控制電路所需的負高壓、燈絲電壓等。
 

　　由示波器的原理功能方框圖可見(jiàn)，被測信號電壓加到示波器的Y軸輸入端，經(jīng)垂直放大電路加于示波管的垂直偏轉板。示波管的水平偏轉電壓，雖然多數情況都采用鋸齒電壓(用于觀(guān)察波形時(shí))，但有時(shí)也采用其它的外加電壓(用于測量頻率、相位差等時(shí))，因此在水平放大電路輸入端有一個(gè)水平信號選擇開(kāi)關(guān)，以便按照需要選用示波器內部的鋸齒波電壓，或選用外加在X軸輸入端上的其它電壓來(lái)作為水平偏轉電壓。
 

　　此外，為了使熒光屏上顯示的圖形保持穩定，要求鋸齒波電壓信號的頻率和被測信號的頻率保持同步。這樣，不僅要求鋸齒波電壓的頻率能連續調節，而且在產(chǎn)生鋸齒波的電路上還要輸入一個(gè)同步信號。這樣，對于只能產(chǎn)生連續掃描(即產(chǎn)生周而復始、連續不斷的鋸齒波)一種狀態(tài)的簡(jiǎn)易示波器而言，需要在其掃描電路上輸入一個(gè)與被觀(guān)察信號頻率相關(guān)的同步信號，以牽制鋸齒波的振蕩頻率。對于具有等待掃描功能(即平時(shí)不產(chǎn)生鋸齒波，當被測信號來(lái)到時(shí)才產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波，進(jìn)行一次掃描)的示波器而言，需要在其掃描電路上輸入一個(gè)與被測信號相關(guān)的觸發(fā)信號，使掃描過(guò)程與被測信號密切配合。為了適應各種需要，同步(或觸發(fā))信號可通過(guò)同步或觸發(fā)信號選擇開(kāi)關(guān)來(lái)選擇，通常來(lái)源有3個(gè)：①從垂直放大電路引來(lái)被測信號作為同步(或觸發(fā))信號，此信號稱(chēng)為“內同步”(或“內觸發(fā)”)信號；②引入某種相關(guān)的外加信號為同步(或觸發(fā))信號，此信號稱(chēng)為“外同步”(或“外觸發(fā)”)信號，該信號加在外同步(或外觸發(fā))輸入端；③有些示波器的同步信號選擇開(kāi)關(guān)還有一檔“電源同步”，是由220V，50Hz電源電壓，通過(guò)變壓器次級降壓后作為同步信號。
 

　　根據示波器的內部工作模塊和信號顯示過(guò)程，結合示波器的五個(gè)工作模分別對其原理進(jìn)行分析。