金快
（巢湖学院，物理与电子科学系）
摘 要 本文以大学物理实验书的示波器的使用为参考，并把以前的几个实验为例进行分析和改变，进一步学习示波器的功能和使用，为以后示波器的应用打下基础。
关键字 示波器；实验
1、示波器的发展简史
示波器作为通用的测量设备，应用非常广泛，尤其是在模拟电路物理实验中。示波器包含模拟示波器、数字示波器、取样示波器以及带有特殊测量功能的示波器。跟据国际电子商情的报道，示波器的主要几个供应国是美国、日本、荷兰、韩国、中国。示波器的主要生产厂商国外是美国TEK公司、美国Agilent公司和美国LeCory公司、美国Pomona、美国福禄克、clock-link、OWON、VELLEMAN、韩国LG-EZ、韩国森美特、日本健伍、日本日立、日本 岩崎、英国泰普等；国内是绿扬、普源精电、安泰信、41所、北京飞腾三环、北京金三航、扬中光电、扬中科泰、麦创、台湾固纬、杭州精测等。从总的示波器销售额来看，泰克(TEK)名列全球第一，安捷伦(Agilent)科技排第二，力科(LeCory)排第三，这三家公司近两三年都有不错的成长业绩，就目前来看后两个公司成长速度更快些，剩下的都是泰克的市场。目前模拟示波器已成为过时技术，由于数字示波器在功能上、经济上和频带宽度都是模拟示波器难以比拟的，因此数字示波器已完全取代模拟示波器，并且数字示波器的发展正方兴未艾，数字示波器已有大于10GHz的产品，数字取样示波器的频带宽度已达到80GHz。数字示波器主要有6个优点：(1)能捕获和显示瞬态单次信号；(2)能观察发生在触发前的信号；(3)存储波形，数据文件的能力；(4)自动测量与接口能力；(5)具有硬拷贝输出的能力；(6)具有高重复性结果的动态测量和精度，这是模拟示波器无法达到的； 以前的数字示波器的屏幕更新速率慢，无实时采集能力 1994年，HP公司推出的54600B系列数字示波器克服了这一弱点。它可提供每秒150万点或60屏／每秒的波形更新速率。这样，输入信号变化，立即就可以看到显示的变化,同样，Tektronix公司在DTS700系列示波器中采用了Insta VuⅢ采集的新模式和含360万晶体管的多路分解器集成电路，使它能每秒捕捉40万个波形。该公司最近推出的TDS684A型4通道1GHz的数字示波器采用了获专利的数字实时取样技术，并增加了其它示波器都没有的转换率触发和建立与保持触发，而售价只有其它1GHz数字示波器的一半。现在数字实时技术在取样率方面，又有新的突破。泰克公司宣布推出DPO4000数字荧光示波器(DPOs)，这是在新一代平台上开发的一系列便携式仪器。泰克公司负责人一再强调，DPO4000示波器系列拥有350MHz—1GHz的带宽，率先提供了突破性的Wave Inspector技术。而安捷伦在示波器领域的开发动作也是接二连三。先是在2005年上半年推出四款便携式低价位数字存储示波器(DSO3000)系列(60MHz～200MHz带宽)，价位都定在2000美元以下，最低的一款是995美元。又于2005年下半年推出四种新型数字存储示波器和混合信号示波器(MSO)，其中600MHz和1GHz两种带宽的示波器采用了安捷伦最新一代MegaZoom专利技术，具有最深的存储器和最多的集成通道数以及业内领先的波形观察能力。日本横河DL7400系列数字示波器采用了横河的专有技术
Data Stream Engine结构，高速处理大量数据，同时DL7400集模拟通道和数字通道于一身，便于用户使用。日本横河最新一代DL9000数字存储示波器则通过采用新开发的ADSE技术(Advanced Data stream Engine)以其超长内存、高速波形刷新速率、良好的性价比受到用户无比的青睐。
2、示波器的工作原理
示波器通常是由示波管(CRT) 、扫描与同步系统、X轴和Y轴的放大和衰减系统以及
便携式示波器电源四部分组成,如图1所示。
图1 示波器结构组成框图
其中示波管是示波器的核心,它由电子、偏转系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内,能将电信号转换为光信号，如图所示。
示波管 图
示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。通常情况下,电子信号是时间的函数F( t) ,它随时间的变化而变化。如果在Y 轴偏转板上加上这个电子信号,而在X 轴偏转板上不加任何信号电压,则电子束的亮点在Y 轴方向上随时间作振荡,而在X 轴方向上不动,故能够看到的是一条垂直的亮线,如图(2）如果在X 轴偏转板上加一锯齿形电压,而在Y 轴偏转板上不加电压,则电子束的亮点将随此电压的变化在荧光屏上由左向右水平地作匀速移动,达到一定位置后,又迅速返回左端的开始位置,不断的重复,在荧光屏看到的是一条水平的亮线,如图( 3) 所示。如果将被测信号电压加到垂直偏转板上（如正弦电压），同时在X偏转板加一锯齿电压，电子束受竖直、水平两个方向的力的作用下，电子的运动是两相互垂直运动的合成。当两信号周期相等时，在荧光屏上显示出一个完整周期的正弦电压波形图，如图( 4) 所示。由此可见,要观察到Y 轴偏转板上的信号电压的波形,必须在X 轴偏转板上加一电压,使Y 轴方向上的图形展开,这个过程叫扫描。因此,只要在示波管的X 轴偏转板上加一个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出被测信号随时间变化的波形。测量中被测信号①由“Y”输入端输入(见图1) ,经Y 轴衰减器适当衰减后送至Y1 放大器(前置放大) ,推挽输出信号②和③。经延迟级延迟τ1 时间,到Y2 放大器。放大后产生足够大的信号④和⑤,加到示波管的Y 轴偏转板上。为了在屏幕上显示出完整稳定的波形,将Y 轴的被测信号③引入X 轴系统的触发电路,在引入信号的正(或负) 极性的某一电平值产生触发脉冲③,启动锯齿波扫描电路(时基发生器) ,产生扫描电压⑦。由于从触发到启动扫描有一时间延迟τ2 ,为保证Y 轴信号到达荧光屏之前X 轴开始扫描, Y 轴的延迟时间应τ1 大于X 轴的延迟时间τ2 。扫描电压⑦经X 轴放大器放大,产生推挽输出⑨和⑩,加到示波管的X 轴偏转板上。至此,示波器就开始工作了。
3、哪些实验用到示波器
我们知道示波器能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，它可显示电信号变化过程的图象（又称波形），又可显示两个相关量的函数图象。由于电学量、磁学量和各种非电量转换过来的电信号均可利用示波器进行观察和测量。根据这个特点，许多物理实验用到示波器。
首先我们来回忆一下大学普通物理实验中的那些用到示波器的实验。在普通物理实验一（力学及热学部分）中，关于声速的测量的实验（超声和可闻声），示波器可以显示出信号发生器输出的信号强度。在普通物理实验二（电磁学部分）中详细的介绍了电子示波器的使用，为以后示波器的使用打下基础。铁磁物质动态磁滞回线的测试实验用到示波器；交流电路功率的测量，用示波器测功率优点在于：可以适用较高频率，正弦和非正弦电压的情况，同时用示波器可以测量到微小的功率。在LRC电路电路的稳态特性实验中用到双踪示波器来显示出相频曲线和波形。LRC电路的暂态过程的研究实验用到有外触发输入端的示波器，显示出RC电路的开关特性曲线。在普通物理实验三（光学部分）中，电光效应和电光调制的实验用到示波器。在普通物理实验四（综合及设计部分）中，用到示波器的
实验有，用共振发测杨氏模量的实验；弦振动与方波的谐波分析的实验；数字式光信号检测和再生电路的理论分析及实验研究的实验。在模拟电子电路的实验中也经常用到示波器。用到双踪示波器的实验有：单级放大电路；射极跟随器；场效应管放大器；两级阻容耦合放大电路；负反馈放大器；差动放大电路；集成运算放大器指标测试；集成运算放大器的基本应用，有源滤波电路；OTL功率放大器；集成功率放大器；RC正弦波振荡器；LC正弦波振荡器；串联型晶体管直流稳压电源；集成稳压直流电源。可见几乎所有模拟电路实验都要用到双踪示波器。在近代物理实验中，夫兰克赫兹实验，液晶电光效应实验，光拍频法测量光速，核磁共振，电子自弦共振。
4、示波器的改进和突破
我们知道示波器的发展十分迅速，根据上述示波器的发展历史我们可以清楚的了解到示波器的的改进速度十分的快。由以前的模拟示波器慢慢的被数字示波器取代，而以前的数字示波器又慢慢的被更先进的示波器取代。随着时代的发展和科技的进步，示波器的功能回越来越强大。数字取样示波器的频带宽度已经改进达到80GHz，现在的数字示波器已经改进到具有非常深的存储器和十分多的集成通道数以及很强的波形观察能力，高速处理大量
数据能力，超长的内存、高速的波形刷新速率。而且各项功能都有突破性的进展，不断的发展成为具有专项特点和突出功能的示波器。
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