示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。它是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。示波器主要由示波管和电源系统、同步系统、x轴偏转系统、y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。图1-9所示为示波器。
图1-9 示波器
示波器的分类
示波器主要的功能是观察和测量电信号的波形，不但能观察到电信号的动态过程，而且还能定量地测量电信号的各种参数，如交流电的周期、幅度、频率、相位等。在测试脉冲信号时，响应非常迅速，而且波形清晰可辨。另外，它还可将非电信号转换为电信号，用来测量温度、压力、声、热等，因此它的用途非常广泛。
示波器的种类很多，按其用途和特点可分为以下几种。
1)通用示波器：它是采用单束示波管的宽带示波器，常见的有单时基单踪或双踪示波器。
2)多踪示波器：又称多线示波器。它能同时显示两个以上的波形，并对其进行定性、定量的比较和观测，而且每个波形都是由单独的电子束产生的。
3)取样示波器：这种示波器采用取样技术，把高频信号模拟转换成低频信号，再用通用示波器的原理显示其波形。
4)记忆、存储示波器：这种示波器不但具有通用示波器的功能，而且还具有存储信号波形的功能。记忆示波器是利用记忆示波管组成的示波器，记忆时间可达数天。存储示波器是利用数字电路的存储技术实现存储功能的，其存储时间在理论上是无限的。
5)专用示波器，这些示波器是具有特殊用途的示波器，如矢量示波器、心电示波器等。
认识示波器面板
一般示波器都会提供一个简单且功能明晰的前面板，以进行基本的操作。面板上包括功能旋钮和功能按键。图1-10所示为示波器的前面板。
图1-10 示波器的前面板
1.显示屏
显示屏是示波器的显示部分。显示屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，用来指示信号波形的电压和时间之间的关系，水平方向指示时间，垂直方向指示电压。水平方向分为10格，垂直方向分为8格，每格又分为5份。垂直方向标有0%、10%、90%、100%等标志，水平方向标有10%、90%标志，供测量直流电平、交流信号幅度、延迟时间等参数使用。根据被测信号在屏幕上占的格数乘以适当的比例常数(VOLTS/DIV、TIME/DIV)就能得出电压值与时间值，如图1-11所示。
图1-11 示波器的显示屏
2.电源开关(POWER)按钮
此按钮是示波器主电源开关，见图1-12，当此开关按下时，电源指示灯亮，表示电源接通。
图1-12 POWER按钮、FOCUS旋钮等
3.辉度(INTEN SITY)旋钮
旋转此旋钮能改变光点和扫描线的亮度，见图1-12。观察低频信号时可将亮度调小些，观察高频信号时可将亮度调大些，一般不应太亮，以保护荧光屏。
4.聚焦(FOCUS)旋钮
聚焦旋钮用来调节电子束截面大小，将扫描线聚焦成最清晰状态，见图1-12。
5.标尺亮度旋钮
此旋钮用来调节荧光屏后面的照明灯亮度。正常室内光线下照明灯暗一些较好，室内光线不足的情况下可适当调亮照明灯。
6.垂直偏转因数(VOLTS/DIV)旋钮
在单位输入信号的作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这一定义对x轴和y轴都适用。灵敏度的倒数称为偏转因数。垂直灵敏度的单位为cm/V、cm/mV或者DIV/mV、DIV/V，垂直偏转因数的单位为V/cm、mV/cm或者V/DIV、mV/DIV。实际上，因习惯用法和便于测量电压读数，有时也把偏转因数当作灵敏度。
示波器中每个通道各有一个垂直偏转因数旋钮(即选择波段开关)。一般按1、2、5方式将5mV/DIV～5V/DIV分为10挡。旋钮指示的值代表荧光屏上垂直方向一格的电压值。例如，旋钮置于1V/DIV挡时，如果屏幕上信号光点移动一格，则代表输入信号电压变化为1V。
每个波段开关上都有一个微调小旋钮，用于微调每挡垂直偏转因数。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，能够微调垂直偏转因数。微调垂直偏转因数后会造成与波段开关的指示值不一致，这点应引起注意。图1-13所示为VOLTS/DIV旋钮。
图1-13 VOLTS/DIV旋钮
7.时基(TIME/DIV)旋钮
时基旋钮的使用方法与垂直偏转因数的类似。时基旋钮也通过一个旋钮实现，按1、2、5方式把时基分为若干挡。旋钮的指示值代表光点在水平方向移动一格的时间值。例如，在1μs/DIV挡，光点在屏幕上移动一格代表时间值1μs。
时基旋钮上有一个微调小旋钮，用于时基校准和微调。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旋钮所示的标称值一致。逆时针旋转旋钮，则是对时基微调。旋钮拔出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，时基缩小为1/10。例如，在2μs/DIV挡，扫描扩展状态下荧光屏上水平一格代表的时间值为2μs×(1/10)=0.2μs。
TDS实验台上有10MHz、1MHz、500kHz、100kHz的时钟信号，由石英晶体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。
8.位移(POSITION)旋钮
此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)可左右移动信号波形，旋转垂直位移旋钮(标有垂直双向箭头)可上下移动信号波形。
9.选择输入通道
输入通道至少有3种选择方式：通道1(CH1)、通道2(CH2)和双通道(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和通道2的信号。
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，然后将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。示波器探头上有一个双位开关。此开关拨到×1位置时，被测信号会无衰减地送到示波器，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。
10.选择输入耦合方式
输入耦合方式有3种选择：交流(AC)、地(GND)和直流(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。在数字电路的实验中，一般选择直流方式，以便观测信号的绝对电压值。
11.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3种触发源：内触发(INT)、电源触发(LINE)和外触发(EXT)。
1)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。
2)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声时更为有效。
3)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。
正确选择触发信号与波形显示的稳定、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性关系的信号时，选用外触发可能更好。
12.选择触发耦合(COUP)方式
触发信号到触发电路的耦合方式有多种，目的是为了使触发信号稳定、可靠。触发耦合方式主要有AC耦合、直流(DC)耦合、低频抑制(LFR)触发、高频抑制(HFR)触发和电视(TV)同步触发。
1)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，则会造成触发困难。
2)直流(DC)耦合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。
3)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。
4)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。
5)电视(TV)同步触发用于电视维修。
13.触发电平(TRIG LEVEL)旋钮
触发电平调节又称同步调节，它使扫描与被测信号同步。触发电平旋钮用于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。当触发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，用触发电平旋钮不能稳定触发时，用释抑(HOLDOFF)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。
14.触发极性(SLOPE)开关
触发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。
15.选择扫描方式(SWEEPMODE)
扫描方式有自动(AUTO)、常态(NORM)和单次(SGL/RST)3种。
1)自动：当无触发信号输入或者触发信号频率低于50Hz时，扫描为自动方式。
2)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。
3)单次：单次按钮类似复位开关。在单次扫描方式下，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，准备好灯灭。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。
示波器的基本操作方法
1.示波器接入信号
下面以DS1000示波器为例，讲解信号的接入方法(DS1000为双通道输入加一个外触发输入通道，以及16个数字输入通道的数字示波器)。
接入信号的方法如下：
1)首先将探头上的开关设定为10X，然后将示波器探头与通道1连接。将探头连接器上的插槽对准CH1同轴电缆插接件(BNC)上的插孔并插入，然后向右旋转以拧紧探头。
2)示波器需要输入探头衰减系数。此衰减系数改变仪器的垂直挡位比例，从而使得测量结果正确反映被测信号的电平(默认的探头衰减系数设定值为1X)。设置探头衰减系数的方法为：按CH1功能按钮显示通道1的操作菜单，应用与探头项目平行的3号菜单操作键，选择与使用的探头同比例的衰减系数。这里设定为10X。
3)把探头端部和接地夹接到探头补偿器的连接器上。按AUTO按钮，几秒钟内可见到方波显示(1kHz，约3V，峰到峰)。
4)以同样的方法检查通道2(CH2)。按OFF功能按钮或再次按下CH1功能按钮以关闭通道1，按CH2功能按钮以打开通道2，重复步骤2和步骤3。
2.探头补偿
在首次将探头与任一输入通道连接时，进行此项调节，使探头与输入通道相配。未经补偿或补偿偏差的探头会导致测量误差或错误。
下面以DS1000示波器为例，讲解调整探头补偿的方法。
1)将探头衰减系数设定为10X，将探头上的开关设定为10X，并将示波器探头与通道1连接。如果使用探头钩形头，应确保与探头接触紧密。
将探头端部与探头补偿器的信号输出连接器相连，基准导线夹与探头补偿器的地线连接器相连，打开通道1，然后按AUTO按钮。
2)检查所显示波形的形状，如图1-14所示。
3)如有必要，用非金属的螺丝刀调整探头上的可变电容，直到屏幕显示的波形如图1-14b所示。
图1-14 显示波形的形状
示波器常见故障处理
1.按下电源开关后示波器仍然黑屏，没有任何显示
按下电源开关后示波器仍然黑屏，没有任何显示的故障处理方法如下：
1)检查电源接头是否接好。
2)检查电源开关是否按下。
3)做完上述检查后，重新启动示波器。
4)如果仍然无法正常使用示波器，则可能是示波器内部有故障，请送专业维修公司修理。
2.采集信号后，画面中并未出现信号的波形
采集信号后，画面中并未出现信号的波形的故障处理方法如下：
1)检查探头是否正常接在信号连接线上。
2)检查信号连接线是否正常接在BNC(即通道连接器)上。
3)检查探头是否与待测物正常连接。
4)检查待测物是否有信号产生(可将有信号产生的通道与有问题的通道接在一起来确定问题所在)。
5)再重新采集一次信号。
3.测量的电压幅度值比实际值大10倍或为实际值的1/10
检查通道衰减系数是否与实际使用的探头衰减比例相符。
4.有波形显示，但不能稳定下来
有波形显示，但不能稳定下来的故障处理方法如下：
1)检查触发面板的信号源选择项是否与实际使用的信号通道相符。
2)检查触发类型，一般的信号应使用边沿触发方式，视频信号应使用视频触发方式。只有应用适合的触发方式，波形才能稳定显示。
3)尝试改变耦合为高频抑制或低频抑制显示，以滤除干扰触发的高频或低频噪声。
5.按下RUN/STOP按钮无任何显示
按下RUN/STOP按钮无任何显示的故障处理方法如下(以DS1000示波器为例)：检查触发面板(TRIGGER)的触发方式是否为普通或单次挡，且触发电平超出波形范围。如果是，将触发电平居中，或者设置触发方式为自动挡。另外，按AUTO按钮可自动完成以上设置。
