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在数字电路实验中，需要使用多种仪器和仪器来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。万用表和逻辑笔的使用相对简单，而逻辑分析仪和存储示波器在数字电路教学实验中并不常见。示波器是一种应用广泛、使用相对复杂的仪器。本章从使用的角度介绍了示波器的原理和使用方法。 1 示波器工作原理 示波器是一种电子测量仪器，利用电子示波管的特性将人眼无法直接观测到的交流电信号转换为图像，并显示在荧光屏上进行测量。它是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题和测量实验结果的重要仪器。示波器由示波管和电源系统、同步系统组成X轴偏转系统、Y由轴偏转系统、延迟扫描系统和标准信号源组成。 1．1 示波管 阴极射线管(CRT)示波管是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。如图1所示，电子枪、偏转系统和荧光屏密封在真空玻璃外壳中，形成完整的示波管。 图1 示波管内部结构及供电图 1．荧光屏 现在的示波管屏通常是矩形平面，一层磷光材料沉积在内表面形成荧光膜。荧光膜上经常增加一层蒸发铝膜。高速电子通过铝膜，撞击荧光粉，形成亮点。铝膜具有内反射功能，有利于提高亮点的亮度。铝膜还具有散热等功能。 当电子停止轰击时，亮点不应立即消失，而应保留一段时间。亮点辉度下降到原始值10%的时间称为余辉时间。余辉时间短于10μs余辉极短，10μs—1ms为短余辉，1ms—0．1s0.1为中余辉s-1s长余辉，大于1s余辉极长。一般示波器配有中余辉示波管，高频示波器为短余辉，低频示波器为长余辉。 由于磷光材料可以在荧光屏上发出，因为所用的磷光材料不同。一般示波器多采用绿光示波管，保护人眼。 2.电子枪及聚焦 电子枪由灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G一、前加速极(G2)(或第二栅极)，第一阳极(A一、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，阴极加热发射电子。格栅极是一个顶部有小孔的金属园筒，套在阴极外。由于栅极电位低于阴极，它控制了阴极发射的电子。一般来说，只有少量运动速度较高的电子才能在阳极电压的作用下穿过栅极孔，奔向荧光屏。小速电子仍返回阴极。如果栅极电位过低，则所有电子返回阴极，即管道截止日期。调整电路W1电位器可以改变网极电位，控制射向荧光屏的电子流密度，从而调节亮点的亮度。第一阳极、第二阳极和前加速极是与阴极在同一轴上的三个金属圆筒。前加速极G2与A2连接，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。 经过两次聚焦，电子束从阴极奔向荧光屏。第一次聚焦K、G1、G2完成，K、K、G1、G第一电子透镜称为示波管。第二次聚焦发生在G2、A1、A2区域，调整第二阳极A2的电位可以使电子束聚集在荧光屏上，这是第二次聚焦。A1上电压称为聚焦电压，A又称聚焦极。有时调节A1电压仍不能满足良好的聚焦，需要微调第二阳极A2的电压，A又称辅助聚焦极。 3．偏转系统 偏转系统控制电子射线的方向，使荧光屏上的光点随信号的变化描绘被测信号的波形。图8．1中，Y1、Y2和Xl、X两对垂直偏转板形成偏转系统。Y轴偏转板在前，X后轴偏转板，因此Y轴灵敏度高(处理后加入Y轴)。两对偏转板分别加电压，使两对偏转板之间形成电场，分别控制垂直和水平偏转电子束。 4.示波管的电源 为了使示波管正常工作，对供电有一定的要求。第二阳极与偏转板电位相近，偏转板平均电位为零或接近为零。负电位必须工作阴极。栅极G1相对阴极为负电位(-30)V~—100V)，而且可调，实现辉度调节。第一阳极是正电位(约 100V~ 600V)，聚焦调节也应可调。第二个阳极与前加速极相连，对阴极有正高压(约 1000V)，与地电位相比，可调范围为±50V。由于示波管的电极电流很小，公共高压可以通过电阻分压器供电。 1.2 示波器的基本组成 从上一节可以看出，只要控制X轴偏转板和Y轴偏转板上的电压，就可以控制示波管显示的图形。我们知道电子信号是时间函数f(t)，它随时间而变化。因此，只要将与时间变量成正比的电压添加到示波管的X轴偏转板上，并在y轴上添加测量信号（比例放大或缩小），测量信号随时间变化的图形就会显示在示波管的屏幕上。锯齿波是电信号中与时间变量成正比的信号。 如图2所示，示波器的基本组成框图。它由示波管、Y轴系统、X轴系统、Z轴系统和电源由五部分组成。 图2 框图基本由示波器组成 被测信号①接到“Y"输入端经Y轴衰减器适当衰减后送至Y1放大器(前放大)推拉输出信号②和③。延迟级延迟Г1时间，到Y2放大器。放大后产生足够大的信号④和⑤，在Y轴偏转板上加入示波管。为了在屏幕上显示完整稳定的波形，测量Y轴的信号③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冲⑥，启动锯齿波扫描电路(时基发生器)，产生扫描电压⑦。从触发到启动扫描有一段时间延迟Г2.X轴开始扫描，以确保Y轴信号到达荧光屏，Y轴的延迟时间Г1应略大于X轴的延迟时间Г2。扫描电压⑦X轴放大器放大后，产生推拉输出⑨和⑩，在X轴偏转板上加入示波管。z轴系统用于放大扫描电压正程，并将其变成正矩形波，并将其送到示波管栅极。这使得扫描过程中显示的波形具有一定的固定辉度，并在扫描过程中抹去痕迹。 以上是示波器的基本工作原理。双跟踪显示是在荧光屏上显示Y轴输入的两个不同的测量信号。由于人眼的视觉暂留，当转换频率高到一定程度时，可以看到两个稳定清晰的信号波形。 通常在示波器中有一个精确稳定的方波信号发生器，用于验证示波器。 2 示波器使用 本节介绍了示波器的使用方法。示波器有多种类型、型号和不同的功能。数字电路实验广泛应用于20MHz或者40MHz双跟踪示波器。这些示波器用法相似。本节不针对某一型号的示波器，只介绍了数字电路实验中示波器的常用功能。 2.1 荧光屏 荧光屏是示波管的显示部分。屏幕上的水平方向和垂直方向有多条刻度线，表示信号波形的电压和时间之间的关系。水平指示时间，垂直指示电压。水平方向分为10格，垂直方向分为8格，每格分为5分。垂直方向标有0%、10%、90%、100%等标志，水平方向标有10%、90%标志，用于测量直流电平、交流信号范围、延迟时间等参数。屏幕上被测信号的格数乘以适当的比例常数(V／DIV，TIME／DIV)可获得电压值和时间值。 2．2 示波管及电源系统 1．电源(Power) 示波器主电源开关。按下此开关时，电源指示灯亮起，表示电源连接。 2．辉度(Intensity) 旋转此旋钮可以改变光点和扫描线的亮度。低频信号可以较小，高频信号可以较大。 一般不宜过亮，以保护荧光屏。 3．聚焦(Focus) 调整电子束截面大小，将扫描线聚焦到最清晰的状态。 4．标尺亮度(Illuminance) 这个旋钮调整了荧光屏后面的照明亮度。在正常的室内光线下，光线较暗。在室内光线不足的环境中，照明灯可以适当照明。 2．3 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 在单位输入信号的作用下，屏幕上光点偏移的距离称为偏移灵敏度，适用于X轴和Y轴。灵敏度的倒数称为偏转因数。垂直灵敏度的单位是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。事实上，由于习惯用法和测量电压读数的方便性，偏转因数有时被视为灵敏度。 每个通道在跟踪器中都有一个垂直偏转因数来选择波段开关。一般按1、2、5的方式从 5mV／DIV到5V／DIV分为10档。波段开关指示值代表荧光屏上垂直方向的电压值。例如，波段开关位于1V／DIV如果信号光点在屏幕上移动，则表示输入信号电压变化1V。 每个波段开关通常都有一个小旋钮，微调每个齿轮的垂直偏转因数。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，可微调垂直偏转因数。微调垂直偏转因数后，会导致与波段开关的指示值不一致，应引起重视。许多示波器具有垂直扩展功能，当微调旋钮被拉出时，垂直灵敏度会增加几倍(偏转因数会减少几倍)。例如，如果波段开关指示的偏转因数为1V/DIV，采用×5.0.2V／DIV。 在进行数字电路实验时，屏幕上被测信号的垂直移动距离和 5V通常用于判断被测信号的电压值。 2．时基选择(TIME／DIV)和微调 时基选择和微调的使用方法类似于垂直偏转因数的选择和微调。时基选择也通过一个波段开关实现，时基按1、2、5分为几个齿轮。波段开关的指示值代表光点在水平方向移动格子的时间值。例如，在1中μS／DIV在屏幕上移动光点代表时间值1μS。 时基校准和微调采用微调旋钮。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，微调时基。拔出旋钮后，处于扫描扩展状态。通常为×10扩展，即水平灵敏度扩大10倍，时基缩小到1/10。例如在2μS/DIV扫描扩展状态下荧光屏上水平一格所代表的时间值等于 2μS×(1/10)=0.2μS TDS实验台上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz石英晶时钟信号由石英晶制成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“×1”位置时，被测信号无衰减送到示波器，从荧光屏上读出的电压值是信号的实际电压值。此开关拨到“×10"位置时，被测信号衰减为1／10，然后送往示波器，从荧光屏上读出的电压值乘以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，扫描线显示出“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 第一节指出，被测信号从Y轴输入后，一部分送到示波管的Y轴偏转板上，驱动光点在荧光屏上按比例沿垂直方向移动；另一部分分流到x轴偏转系统产生触发脉冲，触发扫描发生器，产生重复的锯齿波电压加到示波管的X偏转板上，使光点沿水平方向移动，两者合一，光点在荧光屏上描绘出的图形就是被测信号图形。由此可知，正确的触发方式直接影响到示波器的有效操作。为了在荧光屏上得到稳定的、清晰的信号波形，掌握基本的触发功能及其操作方法是十分重要的。 1．触发源(Source)选择 要使屏幕上显示稳定的波形，则需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路。触发源选择确定触发信号由何处供给。通常有三种触发源：内触发(INT)、电源触发(LINE)、外触发EXT)。 内触发使用被测信号作为触发信号，是经常使用的一种触发方式。由于触发信号本身是被测信号的一部分，在屏幕上可以显示出非常稳定的波形。双踪示波器中通道1或者通道2都可以选作触发信号。 电源触发使用交流电源频率信号作为触发信号。这种方法在测量与交流电源频率有关的信号时是有效的。特别在测量音频电路、闸流管的低电平交流噪音时更为有效。 外触发使用外加信号作为触发信号，外加信号从外触发输入端输入。外触发信号与被测信号间应具有周期性的关系。由于被测信号没有用作触发信号，所以何时开始扫描与被测信号无关。 正确选择触发信号对波形显示的稳定、清晰有很大关系。例如在数字电路的测量中，对一个简单的周期信号而言，选择内触发可能好一些，而对于一个具有复杂周期的信号，且存在一个与它有周期关系的信号时，选用外触发可能更好。 2．触发耦合(Coupling)方式选择 触发信号到触发电路的耦合方式有多种，目的是为了触发信号的稳定、可靠。这里介绍常用的几种。 AC耦合又称电容耦合。它只允许用触发信号的交流分量触发，触发信号的直流分量被隔断。通常在不考虑DC分量时使用这种耦合方式，以形成稳定触发。但是如果触发信号的频率小于10Hz，会造成触发困难。 直流耦合(DC)不隔断触发信号的直流分量。当触发信号的频率较低或者触发信号的占空比很大时，使用直流耦合较好。 低频抑制(LFR)触发时触发信号经过高通滤波器加到触发电路，触发信号的低频成分被抑制；高频抑制(HFR)触发时，触发信号通过低通滤波器加到触发电路，触发信号的高频成分被抑制。此外还有用于电视维修的电视同步(TV)触发。这些触发耦合方式各有自己的适用范围，需在使用中去体会。 3．触发电平(Level)和触发极性(Slope) 触发电平调节又叫同步调节，它使得扫描与被测信号同步。电平调节旋钮调节触发信号的触发电平。一旦触发信号超过由旋钮设定的触发电平时，扫描即被触发。顺时针旋转旋钮，触发电平上升；逆时针旋转旋钮，触发电平下降。当电平旋钮调到电平锁定位置时，触发电平自动保持在触发信号的幅度之内，不需要电平调节就能产生一个稳定的触发。当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，用释抑(Hold Off)旋钮调节波形的释抑时间(扫描暂停时间)，能使扫描与波形稳定同步。 极性开关用来选择触发信号的极性。拨在“+”位置上时，在信号增加的方向上，当触发信号超过触发电平时就产生触发。拨在“-”位置上时，在信号减少的方向上，当触发信号超过触发电平时就产生触发。触发极性和触发电平共同决定触发信号的触发点。 2.6 扫描方式(SweepMode) 扫描有自动(Auto)、常态(Norm)和单次(Single)三种扫描方式。 自动：当无触发信号输入，或者触发信号频率低于50Hz时，扫描为自激方式。 常态：当无触发信号输入时，扫描处于准备状态，没有扫描线。触发信号到来后，触发扫描。 单次：单次按钮类似复位开关。单次扫描方式下，按单次按钮时扫描电路复位，此时准备好(Ready)灯亮。触发信号到来后产生一次扫描。单次扫描结束后，准备灯灭。单次扫描用于观测非周期信号或者单次瞬变信号，往往需要对波形拍照。 上面扼要介绍了示波器的基本功能及操作。示波器还有一些更复杂的功能，如延迟扫描、触发延迟、X-Y工作方式等，这里就不介绍了。示波器入门操作是容易的，真正熟练则要在应用中掌握。值得指出的是，示波器虽然功能较多，但许多情况下用其他仪器、仪表更好。例如，在数字电路实验中，判断一个脉宽较窄的单脉冲是否发生时，用逻辑笔就简单的多；测量单脉冲脉宽时，用逻辑分析仪更好一些。 1．获得基线：当操作者在使用无使用说明书的示波器时，首先要获得一条最细的水平基线，然后才能用探头进行其他测量，其具体方法如下： (1)预置面板各开关、旋钮。 亮度置适中，聚焦和辅助聚焦置适中，垂直输入耦合置“AC，，，垂直电压量程选择置"5mv／div"，垂直工作方式选择置“CHl”，垂直灵敏度微调校准位置置“CAL"，垂直通道同步源选择置中间位置，垂直位置置中间位置，A和B扫描时间因数一起预置在“0．5ms／div"，A扫描时间微调置校准位置“CAL’’，水平位移置中间位置，扫描工作方式置“A”，触发同步方式置“AUTO"，斜率开关置“+” ，触发耦合开关置“AC’’，触发源选择置"INT"。 (2)按下电源开关，电源指示灯点亮。 (3)调节A亮度聚焦等有关控制旋钮，可出现纤细明亮的扫描基线，调节基线使其位置于屏幕中间与水平坐标刻度基本重合。 (4)调节轨迹平行度控制使基线与水平坐标平行。 2．显示信号：一般情况下，示波器本身均有一个0．5Vp—p标准方波信号输出口，当获得基线后，即可将探头接到此处，此时屏幕应有一串方波信号，调节电压量程和扫描时间因数旋钮，方波的幅度和宽窄应变化，至此说明示波器基本调整完毕可以投入使用。 3．测量信号：将测试线接在CHl或CH2输入插座，测试探头触及测试点，即可在示波器上观察到波形。如果波形幅度太大或太小，可调整电压量程旋钮；如果波形周期显示不适合，可调整扫描速度旋钮。 三、特殊使用方法 1．交流峰值电压测量 (1)获得基线。 (2)调整V／div旋钮，使波形在垂直方向显示5div(即5格)。 (3)调节“A触发电平”获得稳定显示。 (4)用以下公式计算峰值电压。 电压(p—p)：垂直偏转幅度／度x(VOLTS／div)／开关档极x探极衰减倍率。 例如：测得上峰到下峰偏转是5．6度，VOLTS／dir开关置0．5，用x10探极衰减倍率，将数据代人：电压二5．6X0．5 X 10二28 V。 2．上升时间测量 上升时间：水平距离(度)x时间／度(档极)／扩展系数。 例如：波形两点间的距离为5度，时间／度档级为1Us，x10扩展末扩展(即x1)，将给定值代人：上升时I司；5X1／1；51xs。 3．相位差测量 相位差：水平差值(度)x水平刻度校准值(度／度)。 例如：水平差值为0．6度，每度校准到45度，将给定值代人公式：相位差：0．6x45：27。
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备注::
1>量晶振一般需要选择X10的衰减档，测量最基本的是选择信号信道与信号的类型(AC/DC)
2>用光标可以很方便地测量波形中任一两点的特性----时间/周期/振幅----光标的移动有两种方式----细调(Fine)+粗调(Coarse)
3>自动校正/设置触发/自动设置/自动捕捉
4>示波器的几个设置参数---------4.0us/div++++250MS/s++++4.0ns/pt
其中4.0us/div表示每个刻度的时间值也称为时基，示波器屏一般有10格来显示信号，知道了每个刻度的时间就可以知道当前设置可以测量到信号的最长时间=4.0us*10；250MS/s为采样率表示一个单位时间采样的次数，250MS/s表示1s的时间里面采样250M次；4.0ns/pt表示两个采样点之间的时间间隔，跟采样率成反比。
5>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
6>频率的单位----Hz/KHz/MHz/GHz，每级之间的进制为1000；时间的单位----s/ms/us/ns/ps，每级之间的进制为1000