緒論

電子技術(shù)始于真空管的發(fā)明，電子技術(shù)使得第二次工業(yè)革命—電氣技術(shù)革命進(jìn)入了一個(gè)新的領(lǐng)域—電子技術(shù)。電氣技術(shù)改變了工業(yè)動(dòng)力和照明的光源，而電子技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了新的信息世界。

首先是無線電發(fā)射與接收，也就是無線電收發(fā)報(bào)和無線電廣播的發(fā)射與接收。后者帶來了千里之外的新聞和語音的娛樂。對無線電接收的收音機(jī)和擴(kuò)音機(jī)來說，僅用萬用表測試儀器就可以完成收音機(jī)等無線電接收設(shè)備的檢測與維修。

但是，不管是收音機(jī)還是擴(kuò)音機(jī)，還可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，就是失真。如果一個(gè)放大器放大正弦波信號(hào)時(shí)失真，那會(huì)是什么樣呢？這時(shí)用萬用表是無法顯示的，這時(shí)候就需要一個(gè)能夠如實(shí)地顯示出這個(gè)失真的信號(hào)與時(shí)間的關(guān)系，最好的辦法就是顯示這個(gè)失真信號(hào)的波形；對于脈沖電路，要想了解脈沖電路的工作狀態(tài)、相關(guān)波形，也需要觀察其波形；對于數(shù)字電路，需要測量邏輯關(guān)系、時(shí)序關(guān)系，用波形來解釋是最簡捷的方法。隨著電子線路的發(fā)展和陰極射線管的出現(xiàn)，顯示被測信號(hào)隨時(shí)間變化的波形的想法得以實(shí)現(xiàn)，這就是示波器。

現(xiàn)在的電子技術(shù)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)中不管是測試放大器的輸入/輸出波形的幅度、頻率還是失真都可以在示波器上一目了然。即使在做數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)時(shí)也需要示波器來鑒別邏輯關(guān)系、時(shí)序關(guān)系以及頻率、占空比等參數(shù)。

一、模擬示波器的發(fā)展歷程

陰極射線管將電信號(hào)變?yōu)闊晒馄辽峡梢姷膱D像，這是電子技術(shù)中一項(xiàng)極其重要的發(fā)明。

1879年，W·克魯克斯利用磁場能量使真空管中的陰極射線偏轉(zhuǎn)，以及熒光材料在電子束轟擊下能發(fā)出熒光和磷光的原理制成了陰極射線管。

1897年，K·F·布勞恩（1909年的諾貝爾物理獎(jiǎng)得主）改進(jìn)了克魯克斯管，通過控制電子束電流值改變光點(diǎn)的亮度，從而制成了實(shí)用的陰極射線管，如示波管、電視顯像管等。示波器在電子測量儀器發(fā)展史中是影響最大、用途最廣、生產(chǎn)品種最多的儀器，配上適當(dāng)?shù)姆请娏總鞲衅骱竽軠y量和顯示幾乎一切物理量和動(dòng)態(tài)過程。在電子測量儀器中，示波器是一種電信號(hào)的時(shí)域測量和分析儀器；它可以顯示信號(hào)隨時(shí)間變化的波形，是一種非常直觀的波形分析器。

第一臺(tái)電子管示波器于1931 年問世，隨著晶體管、集成組件、超小型元件、器件和新型示波管的出現(xiàn)，現(xiàn)代示波器的性能和結(jié)構(gòu)已有顯著的改進(jìn)。

20世紀(jì)40年代是電子示波器興起的時(shí)代，雷達(dá)和電視的開發(fā)需要性能良好的波形觀察工具，泰克成功開發(fā)了帶寬為10MHz的同步示波器，這是近代示波器的基礎(chǔ)。50年代半導(dǎo)體和電子計(jì)算機(jī)的問世，促使電子示波器的帶寬達(dá)到100MHz。60年代美國、日本、英國、法國在電子示波器開發(fā)方面各有不同的貢獻(xiàn)，出現(xiàn)帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬4GHz的行波示波管、1GHz的存儲(chǔ)示波管，便攜式、插件式示波器成為系列產(chǎn)品。70年代模擬式電子示波器達(dá)到高峰，形成了完整的示波器體系，帶寬1GHz的多功能插件式示波器標(biāo)志著當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的高水平，為測試數(shù)字電路又增添了邏輯示波器和數(shù)字波形記錄器。

模擬示波器從此沒有更大的進(jìn)展，開始讓位于數(shù)字示波器，英國和法國甚至退出示波器市場，示波器技術(shù)以美國領(lǐng)先，中低檔產(chǎn)品由日本生產(chǎn)。

在工業(yè)控制領(lǐng)域和需要測量非常低的頻率時(shí)，即使是超低頻示波器也顯得力不從心，因此示波器的另一個(gè)分支—函數(shù)記錄儀在超低頻、緩慢變化測量領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

示波器是發(fā)達(dá)國家發(fā)明的，那么我國在什么時(shí)候有了自己制造的示波器呢？是什么樣子的？

1958年我國第一臺(tái)電子示波器誕生，標(biāo)志著我國可以自己生產(chǎn)示波器。

SB-10：最初的單蹤示波器，30年前的高校基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)室中還可以看到，隨后不久，很快被新型的示波器替代。因此即使在20年前，這種示波器也是很落后的。

ST-16、325：早期的小型示波器，特點(diǎn)是體積小，將13cm示波管改用6cm示波管，與SB-10示波器相比，除了便攜，沒有其他優(yōu)點(diǎn)。與SB-10一樣，它在20年前就被徹底淘汰。

1962年，SBT-5單蹤10MHz示波器研制成功。這是具有同步功能的單蹤示波器，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于SB-10，在20年前也被通用雙蹤示波器替代。

1968年，SR-8雙蹤15MHz示波器研制成功。這款示波器具有通用示波器的各種功能，標(biāo)志著我國示波器進(jìn)入了通用示波器行列，同時(shí)，這款示波器還采用了方管示波管。

1970 年，寬帶100MHz單蹤示波器研制成功。這標(biāo)志著我國示波器開始進(jìn)入100MHz帶寬行列，這對電子計(jì)算機(jī)測試等高端應(yīng)用具有極其重要的意義。

1972年，寬帶100MHz雙蹤雙時(shí)基示波器研制成功。這種示波器不僅可以測試100MHz頻率以下的被測信號(hào)，還可以測量兩個(gè)被測信號(hào)的時(shí)間差或相移，還可以通過延遲掃描方式（B掃描）來擴(kuò)展波形，顯示被測波形的細(xì)節(jié)。

二、示波管的發(fā)展

從外形看，最初的示波管的屏幕是圓的，其原因就是容易制造，但是人們已經(jīng)習(xí)慣了在矩形區(qū)域里顯示信息（文字、圖形），因此圓管示波管的屏幕利用率僅為70%，并占用示波器的很大空間；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，屏幕為矩形的示波管—方管示波管開始替代圓管示波管。

為了能清晰地讀取被測波形的參數(shù)，需要示波管的屏幕上刻有刻度。早期的示波器需要在示波管前面加一塊帶有刻度的透明有機(jī)玻璃，這樣就可以比較準(zhǔn)確地讀取被測信號(hào)參數(shù)（如時(shí)間、幅度等）。但是這種外刻度存在視覺差，如果能將刻度刻在熒光屏發(fā)光的同一平面上，就不會(huì)產(chǎn)生視覺差了，因此后來的示波管將刻度刻在示波管屏幕內(nèi)側(cè)，與熒光粉在同一平面上，這樣就可以消除刻度與波形之間的視差。

如果需要測試變化比較慢的波形，通用示波器的示波管的余輝時(shí)間顯得不夠，需要余輝長的示波管，也就是長余輝示波管，在超低頻示波器中?？梢钥吹介L余輝示波管的長余輝對顯示低頻、超低頻波形的作用。

如果是顯示兩個(gè)或兩個(gè)以上的被測信號(hào)，即使是長余輝示波管也不容易滿足多通道被測信號(hào)的有效顯示，因此在超低頻示波器中還有雙槍（線）或多槍（線）示波管，也就是說這里的示波管含有兩個(gè)或多個(gè)電子槍。多槍示波管構(gòu)成的示波器線路復(fù)雜（相當(dāng)于多臺(tái)單槍示波器），因此除非必要，一般不會(huì)應(yīng)用。

三、示波器的衍生產(chǎn)品

示波器的一個(gè)主要衍生產(chǎn)品是晶體管圖示儀，它是利用示波器的功能，獲得晶體管各種特性的顯示，如輸出特性、輸入特性、測試擊穿電壓等。通過晶體管圖示儀可以檢測晶體管的質(zhì)量，在過去，我國的晶體管廠檢測其產(chǎn)品質(zhì)量就是用晶體管圖示儀測試的。

示波器的另一個(gè)主要衍生產(chǎn)品就是函數(shù)記錄儀，常用于示波器不能記錄的更低的頻率甚至是接近直流電的頻率。通過描在記錄紙上的波形分析被測信號(hào)，參與工業(yè)現(xiàn)場控制和控制系統(tǒng)的研究與調(diào)試。當(dāng)然，函數(shù)記錄儀已經(jīng)被現(xiàn)代的數(shù)字式測量儀器所替代。

四、示波器的特點(diǎn)

（1）非常直觀，能將波形直接顯示在熒光屏上，還可用照相的方法取得真實(shí)性高的永久性記錄；

（2）測量范圍大，可測量從高靈敏示波器的數(shù)微伏至高壓示波器的數(shù)萬伏的信號(hào)；

（3）輸入阻抗高，對被測系統(tǒng)影響極?。?/p>

（4）反應(yīng)迅速，電子束惰性極小，能顯示納秒級(jí)的快速過程；

（5）多信道，能在同一熒光屏上同時(shí)顯示幾個(gè)過程，便于觀察、比較、測量和分析；

（6）耐過載能力強(qiáng)，能在惡劣環(huán)境下工作。

五、數(shù)字時(shí)代使用模擬示波器的意義

在數(shù)字化、信息化迅猛發(fā)展的今天，數(shù)字技術(shù)已經(jīng)廣泛地進(jìn)入了各個(gè)領(lǐng)域，帶來了革命性的變革。示波器本身就是一種電子設(shè)備，自然也不例外地會(huì)受到數(shù)字化的影響。數(shù)字示波器可以具有如鎖定波形、自動(dòng)設(shè)置等模擬示波器時(shí)代不可想象的功能。數(shù)字示波器的出現(xiàn)與發(fā)展，是否已經(jīng)徹底改變了示波器市場和人們使用示波器的方式了呢？本書所介紹的模擬示波器是不是已經(jīng)跟不上時(shí)代的步伐，即將退出歷史的舞臺(tái)了呢？

不可否認(rèn)，全面數(shù)字化是一個(gè)必然的趨勢，這一點(diǎn)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域中被證明了，作者相信對于示波器也不例外。但問題在于：現(xiàn)在的數(shù)字示波器是否已經(jīng)先進(jìn)到可以全面地取代模擬示波器的程度了呢？

很遺憾，現(xiàn)在的數(shù)字示波器水平還不足以完全取代模擬示波器，主要原因如下：

（1）數(shù)字示波器操作的連貫性不如模擬示波器。由于數(shù)字示波器的任何功能都是微處理器以數(shù)字的方式來處理的，相對于沒有延遲的模擬示波器，數(shù)字示波器或多或少都會(huì)有操作和響應(yīng)之間延遲的問題，而且對于越低檔的示波器，這種延遲就越明顯。

（2）數(shù)字示波器無法測量微弱的電信號(hào)。在實(shí)際使用數(shù)字示波器的時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在測量微弱電信號(hào)的時(shí)候，數(shù)字示波器會(huì)出現(xiàn)無法測量的情況。其原因是數(shù)字示波器內(nèi)部在進(jìn)行數(shù)字處理的時(shí)候產(chǎn)生了大量噪聲，而在信號(hào)較小的時(shí)候，信噪比就變得特別低，被測信號(hào)淹沒于示波器自身噪聲之中，嚴(yán)重影響信號(hào)的測量。

例如，使用數(shù)字示波器對頻率約為1kHz的正弦波進(jìn)行不同幅值測量，我們可以清楚地看出幅值過低對數(shù)字示波器測量的影響：當(dāng)峰值約為1V時(shí)，直觀地看，數(shù)字示波器內(nèi)顯示的波形可謂完美，和模擬示波器別無兩樣。我們可以從測量菜單中看出，峰值和有效值（均方根值）基本符合正弦波的關(guān)系，而信號(hào)的頻率也被真實(shí)地測了出來，為1kHz，如圖0-1所示。

而將峰值減小到13mV時(shí)，情況就完全不同了，信號(hào)已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重影響測量結(jié)果的毛刺，如圖0-2所示。雖然在示波器屏幕中我們還能看出來是“一副正弦波的樣子”，但從測量菜單中顯示的數(shù)據(jù)來看，峰值和有效值已經(jīng)不符合正弦波的關(guān)系了，并且信號(hào)的頻率也沒有測得正確的數(shù)據(jù)，2.66MHz與1kHz實(shí)在相差太遠(yuǎn)。因此，數(shù)字示波器并沒有正確地測得此幅值下的信號(hào)，這就導(dǎo)致屏幕右側(cè)顯示的所有參數(shù)都是不可信任的了。

而進(jìn)一步減小信號(hào)幅值，我們可以看到此時(shí)示波器所測得的波形已經(jīng)很難分辨出究竟是正弦波還是示波器自身的電磁干擾了，連像圖0-2“一副正弦波的樣子”也看不出來了，如圖0-3所示。因此此時(shí)的測量結(jié)果就更加無法讓人信服了。

通過上面的例子我們可以看出，無法對微弱信號(hào)進(jìn)行測量是數(shù)字示波器目前的一大硬傷。

總之，雖然數(shù)字示波器發(fā)展迅速，具有模擬示波器所無法實(shí)現(xiàn)的功能，但是以現(xiàn)今的水平，還無法完全取代模擬示波器。換言之，在數(shù)字時(shí)代的今天，模擬示波器仍然有它不可替代的意義，另外，從模擬示波器入門的話，也對一些問題的本質(zhì)會(huì)有更好的理解。因此，研究和學(xué)習(xí)模擬示波器仍然有其實(shí)用意義。

不僅如此，盡管數(shù)字示波器獲得越來越多的應(yīng)用，但在大多數(shù)普通高校的基礎(chǔ)課、專業(yè)課教學(xué)中還大量使用模擬示波器，模擬示波器依然是數(shù)字示波器應(yīng)用的基礎(chǔ)。學(xué)會(huì)使用模擬示波器不僅可以提高學(xué)生的實(shí)踐能力，還將使學(xué)生在畢業(yè)后的工作中得心應(yīng)手，這就是本書的目的。