示波器是物理實驗室中非常常見的實驗測量儀器，利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，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(diào)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部分。示波管是一種特殊的電子管，是示波器一個重要組成部分。示波管的基本原理圖如圖5-2所示。由圖可見，示波管由電子槍、偏轉系統(tǒng)和熒光屏3個部分組成。
 

　　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、第一陽極A1、第二陽極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上。陰極被加熱后，可沿軸向發(fā)射電子；控制極相對陰極來說是負電位，改變電位可以改變通過控制極小孔的電子數(shù)目，也就是控制熒光屏上光點的亮度。為了提高屏上光點亮度，又不降低對電子束偏轉的靈敏度，現(xiàn)代示波管中，在偏轉系統(tǒng)和熒光屏之間還加上一個后加速電極A3。
 

圖2：示波管內(nèi)部示意圖
 

　　第一陽極對陰極而言加有約幾百伏的正電壓。在第二陽極上加有一個比第一陽極更高的正電壓。穿過控制極小孔的電子束，在第一陽極和第二陽極高電位的作用下，得到加速，向熒光屏方向作高速運動。由于電荷的同性相斥，電子束會逐漸散開。通過第一陽極、第二陽極之間電場的聚焦作用，使電子重新聚集起來并交匯于一點。適當控制第一陽極和第二陽極之間電位差的大小，便能使焦點剛好落在熒光屏上，顯現(xiàn)一個光亮細小的圓點。改變第一陽極和第二陽極之間的電位差，可起調(diào)節(jié)光點聚焦的作用，這就是示波器的“聚焦”和“輔助聚焦”調(diào)節(jié)的原理。第三陽極是示波管錐體內(nèi)部涂上一層石墨形成的，通常加有很高的電壓，它有三個作用：①使穿過偏轉系統(tǒng)以后的電子進一步加速，使電子有足夠的能量去轟擊熒光屏，以獲得足夠的亮度；②石墨層涂在整個錐體上，能起到屏蔽作用；③電子束轟擊熒光屏會產(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(tǒng)
 

　　示波管的偏轉系統(tǒng)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。當電子在偏轉板之間運動時，如果偏轉板上沒有加電壓，偏轉板之間無電場，離開第二陽極后進入偏轉系統(tǒng)的電子將沿軸向運動，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，進入偏轉系統(tǒng)的電子會在偏轉電場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，那么通過偏轉板空間的，具有速度υ的電子束就會沿著原方向(設為軸線方向)運動，并打在熒光屏的坐標原點上。如果兩塊偏轉板之間存在著恒定的電位差，則偏轉板間就形成一個電場，這個電場與電子的運動方向相垂直，于是電子就朝著電位比較高的偏轉板偏轉。這樣，在兩偏轉板之間的空間，電子就沿著拋物線在這一點上做切線運動。最后，電子降落在熒光屏上的A點，這個A點距離熒光屏原點(即0點)有一段距離，這段距離稱為偏轉量，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，也發(fā)生類似情況，只是光點在水平方向上偏轉。
 

圖3：偏轉板電場對電子書偏轉示意圖
 

　　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，以便觀察。在示波器的熒光屏內(nèi)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就顯現(xiàn)出熒光。此時光點的亮度決定于電子束的數(shù)目、密度及其速度。改變控制極的電壓時，電子束中電子的數(shù)目將隨之改變，光點亮度也就改變。在使用示波器時，不宜讓很亮的光點固定出現(xiàn)在示波管熒光屏一個位置上，否則該點熒光物質(zhì)將因長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，在受電子沖擊時將顯示出不同的顏色和不同的余輝時間，通常供觀察一般信號波形用的是發(fā)綠光的，屬中余輝示波管，供觀察非周期性及低頻信號用的是發(fā)橙黃色光的，屬長余輝示波管；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)生一個鋸齒波電壓，該鋸齒波電壓的頻率能在一定的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，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、與時間成正比的水平位移，即形成時間基線，這樣才能把加在垂直方向的被測信號按時間的變化波形展現(xiàn)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，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(shù)情況都采用鋸齒電壓(用于觀察波形時)，但有時也采用其它的外加電壓(用于測量頻率、相位差等時)，因此在水平放大電路輸入端有一個水平信號選擇開關，以便按照需要選用示波器內(nèi)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(wěn)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(xù)調(diào)節(jié)，而且在產(chǎn)生鋸齒波的電路上還要輸入一個同步信號。這樣，對于只能產(chǎn)生連續(xù)掃描(即產(chǎn)生周而復始、連續(xù)不斷的鋸齒波)一種狀態(tài)的簡易示波器而言，需要在其掃描電路上輸入一個與被觀察信號頻率相關的同步信號，以牽制鋸齒波的振蕩頻率。對于具有等待掃描功能(即平時不產(chǎn)生鋸齒波，當被測信號來到時才產(chǎn)生一個鋸齒波，進行一次掃描)的示波器而言，需要在其掃描電路上輸入一個與被測信號相關的觸發(fā)信號，使掃描過程與被測信號密切配合。為了適應各種需要，同步(或觸發(fā))信號可通過同步或觸發(fā)信號選擇開關來選擇，通常來源有3個：①從垂直放大電路引來被測信號作為同步(或觸發(fā))信號，此信號稱為“內(nèi)同步”(或“內(nèi)觸發(fā)”)信號；②引入某種相關的外加信號為同步(或觸發(fā))信號，此信號稱為“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關還有一檔“電源同步”，是由220V，50Hz電源電壓，通過變壓器次級降壓后作為同步信號。
 

　　根據(jù)示波器的內(nèi)部工作模塊和信號顯示過程，結合示波器的五個工作模分別對其原理進行分析。