绪论

电子技术始于真空管的发明，电子技术使得第二次工业革命—电气技术革命进入了一个新的领域—电子技术。电气技术改变了工业动力和照明的光源，而电子技术带领人类进入了新的信息世界。

首先是无线电发射与接收，也就是无线电收发报和无线电广播的发射与接收。后者带来了千里之外的新闻和语音的娱乐。对无线电接收的收音机和扩音机来说，仅用万用表测试仪器就可以完成收音机等无线电接收设备的检测与维修。

但是，不管是收音机还是扩音机，还可能会出现一个问题，就是失真。如果一个放大器放大正弦波信号时失真，那会是什么样呢？这时用万用表是无法显示的，这时候就需要一个能够如实地显示出这个失真的信号与时间的关系，最好的办法就是显示这个失真信号的波形；对于脉冲电路，要想了解脉冲电路的工作状态、相关波形，也需要观察其波形；对于数字电路，需要测量逻辑关系、时序关系，用波形来解释是最简捷的方法。随着电子线路的发展和阴极射线管的出现，显示被测信号随时间变化的波形的想法得以实现，这就是示波器。

现在的电子技术基础课程实验中不管是测试放大器的输入/输出波形的幅度、频率还是失真都可以在示波器上一目了然。即使在做数字电路实验时也需要示波器来鉴别逻辑关系、时序关系以及频率、占空比等参数。

一、模拟示波器的发展历程

阴极射线管将电信号变为荧光屏上可见的图像，这是电子技术中一项极其重要的发明。

1879年，W·克鲁克斯利用磁场能量使真空管中的阴极射线偏转，以及荧光材料在电子束轰击下能发出荧光和磷光的原理制成了阴极射线管。

1897年，K·F·布劳恩（1909年的诺贝尔物理奖得主）改进了克鲁克斯管，通过控制电子束电流值改变光点的亮度，从而制成了实用的阴极射线管，如示波管、电视显像管等。示波器在电子测量仪器发展史中是影响最大、用途最广、生产品种最多的仪器，配上适当的非电量传感器后能测量和显示几乎一切物理量和动态过程。在电子测量仪器中，示波器是一种电信号的时域测量和分析仪器；它可以显示信号随时间变化的波形，是一种非常直观的波形分析器。

第一台电子管示波器于1931 年问世，随着晶体管、集成组件、超小型元件、器件和新型示波管的出现，现代示波器的性能和结构已有显著的改进。

20世纪40年代是电子示波器兴起的时代，雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具，泰克成功开发了带宽为10MHz的同步示波器，这是近代示波器的基础。50年代半导体和电子计算机的问世，促使电子示波器的带宽达到100MHz。60年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献，出现带宽6GHz的取样示波器、带宽4GHz的行波示波管、1GHz的存储示波管，便携式、插件式示波器成为系列产品。70年代模拟式电子示波器达到高峰，形成了完整的示波器体系，带宽1GHz的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添了逻辑示波器和数字波形记录器。

模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器，英国和法国甚至退出示波器市场，示波器技术以美国领先，中低档产品由日本生产。

在工业控制领域和需要测量非常低的频率时，即使是超低频示波器也显得力不从心，因此示波器的另一个分支—函数记录仪在超低频、缓慢变化测量领域中得到广泛应用。

示波器是发达国家发明的，那么我国在什么时候有了自己制造的示波器呢？是什么样子的？

1958年我国第一台电子示波器诞生，标志着我国可以自己生产示波器。

SB-10：最初的单踪示波器，30年前的高校基础课实验室中还可以看到，随后不久，很快被新型的示波器替代。因此即使在20年前，这种示波器也是很落后的。

ST-16、325：早期的小型示波器，特点是体积小，将13cm示波管改用6cm示波管，与SB-10示波器相比，除了便携，没有其他优点。与SB-10一样，它在20年前就被彻底淘汰。

1962年，SBT-5单踪10MHz示波器研制成功。这是具有同步功能的单踪示波器，性能远远优于SB-10，在20年前也被通用双踪示波器替代。

1968年，SR-8双踪15MHz示波器研制成功。这款示波器具有通用示波器的各种功能，标志着我国示波器进入了通用示波器行列，同时，这款示波器还采用了方管示波管。

1970 年，宽带100MHz单踪示波器研制成功。这标志着我国示波器开始进入100MHz带宽行列，这对电子计算机测试等高端应用具有极其重要的意义。

1972年，宽带100MHz双踪双时基示波器研制成功。这种示波器不仅可以测试100MHz频率以下的被测信号，还可以测量两个被测信号的时间差或相移，还可以通过延迟扫描方式（B扫描）来扩展波形，显示被测波形的细节。

二、示波管的发展

从外形看，最初的示波管的屏幕是圆的，其原因就是容易制造，但是人们已经习惯了在矩形区域里显示信息（文字、图形），因此圆管示波管的屏幕利用率仅为70%，并占用示波器的很大空间；随着科学技术的发展，屏幕为矩形的示波管—方管示波管开始替代圆管示波管。

为了能清晰地读取被测波形的参数，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块带有刻度的透明有机玻璃，这样就可以比较准确地读取被测信号参数（如时间、幅度等）。但是这种外刻度存在视觉差，如果能将刻度刻在荧光屏发光的同一平面上，就不会产生视觉差了，因此后来的示波管将刻度刻在示波管屏幕内侧，与荧光粉在同一平面上，这样就可以消除刻度与波形之间的视差。

如果需要测试变化比较慢的波形，通用示波器的示波管的余辉时间显得不够，需要余辉长的示波管，也就是长余辉示波管，在超低频示波器中常可以看到长余辉示波管的长余辉对显示低频、超低频波形的作用。

如果是显示两个或两个以上的被测信号，即使是长余辉示波管也不容易满足多通道被测信号的有效显示，因此在超低频示波器中还有双枪（线）或多枪（线）示波管，也就是说这里的示波管含有两个或多个电子枪。多枪示波管构成的示波器线路复杂（相当于多台单枪示波器），因此除非必要，一般不会应用。

三、示波器的衍生产品

示波器的一个主要衍生产品是晶体管图示仪，它是利用示波器的功能，获得晶体管各种特性的显示，如输出特性、输入特性、测试击穿电压等。通过晶体管图示仪可以检测晶体管的质量，在过去，我国的晶体管厂检测其产品质量就是用晶体管图示仪测试的。

示波器的另一个主要衍生产品就是函数记录仪，常用于示波器不能记录的更低的频率甚至是接近直流电的频率。通过描在记录纸上的波形分析被测信号，参与工业现场控制和控制系统的研究与调试。当然，函数记录仪已经被现代的数字式测量仪器所替代。

四、示波器的特点

（1）非常直观，能将波形直接显示在荧光屏上，还可用照相的方法取得真实性高的永久性记录；

（2）测量范围大，可测量从高灵敏示波器的数微伏至高压示波器的数万伏的信号；

（3）输入阻抗高，对被测系统影响极小；

（4）反应迅速，电子束惰性极小，能显示纳秒级的快速过程；

（5）多信道，能在同一荧光屏上同时显示几个过程，便于观察、比较、测量和分析；

（6）耐过载能力强，能在恶劣环境下工作。

五、数字时代使用模拟示波器的意义

在数字化、信息化迅猛发展的今天，数字技术已经广泛地进入了各个领域，带来了革命性的变革。示波器本身就是一种电子设备，自然也不例外地会受到数字化的影响。数字示波器可以具有如锁定波形、自动设置等模拟示波器时代不可想象的功能。数字示波器的出现与发展，是否已经彻底改变了示波器市场和人们使用示波器的方式了呢？本书所介绍的模拟示波器是不是已经跟不上时代的步伐，即将退出历史的舞台了呢？

不可否认，全面数字化是一个必然的趋势，这一点已经在各个领域中被证明了，作者相信对于示波器也不例外。但问题在于：现在的数字示波器是否已经先进到可以全面地取代模拟示波器的程度了呢？

很遗憾，现在的数字示波器水平还不足以完全取代模拟示波器，主要原因如下：

（1）数字示波器操作的连贯性不如模拟示波器。由于数字示波器的任何功能都是微处理器以数字的方式来处理的，相对于没有延迟的模拟示波器，数字示波器或多或少都会有操作和响应之间延迟的问题，而且对于越低档的示波器，这种延迟就越明显。

（2）数字示波器无法测量微弱的电信号。在实际使用数字示波器的时候，我们会发现在测量微弱电信号的时候，数字示波器会出现无法测量的情况。其原因是数字示波器内部在进行数字处理的时候产生了大量噪声，而在信号较小的时候，信噪比就变得特别低，被测信号淹没于示波器自身噪声之中，严重影响信号的测量。

例如，使用数字示波器对频率约为1kHz的正弦波进行不同幅值测量，我们可以清楚地看出幅值过低对数字示波器测量的影响：当峰值约为1V时，直观地看，数字示波器内显示的波形可谓完美，和模拟示波器别无两样。我们可以从测量菜单中看出，峰值和有效值（均方根值）基本符合正弦波的关系，而信号的频率也被真实地测了出来，为1kHz，如图0-1所示。

而将峰值减小到13mV时，情况就完全不同了，信号已经出现了严重影响测量结果的毛刺，如图0-2所示。虽然在示波器屏幕中我们还能看出来是“一副正弦波的样子”，但从测量菜单中显示的数据来看，峰值和有效值已经不符合正弦波的关系了，并且信号的频率也没有测得正确的数据，2.66MHz与1kHz实在相差太远。因此，数字示波器并没有正确地测得此幅值下的信号，这就导致屏幕右侧显示的所有参数都是不可信任的了。

而进一步减小信号幅值，我们可以看到此时示波器所测得的波形已经很难分辨出究竟是正弦波还是示波器自身的电磁干扰了，连像图0-2“一副正弦波的样子”也看不出来了，如图0-3所示。因此此时的测量结果就更加无法让人信服了。

通过上面的例子我们可以看出，无法对微弱信号进行测量是数字示波器目前的一大硬伤。

总之，虽然数字示波器发展迅速，具有模拟示波器所无法实现的功能，但是以现今的水平，还无法完全取代模拟示波器。换言之，在数字时代的今天，模拟示波器仍然有它不可替代的意义，另外，从模拟示波器入门的话，也对一些问题的本质会有更好的理解。因此，研究和学习模拟示波器仍然有其实用意义。

不仅如此，尽管数字示波器获得越来越多的应用，但在大多数普通高校的基础课、专业课教学中还大量使用模拟示波器，模拟示波器依然是数字示波器应用的基础。学会使用模拟示波器不仅可以提高学生的实践能力，还将使学生在毕业后的工作中得心应手，这就是本书的目的。