示波器原理
示波器是壹種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖像，便於人們研究各種電現象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在塗有熒光物質的屏面上，就可產生細小的光點(這是傳統的模擬示波器的工作原理)。在被測信號的作用下，電子束就好像壹支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。
顯示電路
顯示電路包括示波管及其控制電路兩個部分。示波管是壹種特殊的電子管，是示波器壹個重要組成部分。示波管由電子槍、偏轉系統和熒光屏3個部分組成。
（1）電子槍
電子槍用於產生並形成高速、聚束的電子流，去轟擊熒光屏使之發光。它主要由燈絲F、陰極K、控制極G、第壹陽極A1、第二陽極A2組成。除燈絲外，其余電極的結構都為金屬圓筒，且它們的軸心都保持在同壹軸線上。陰極被加熱後，可沿軸向發射電子；控制極相對陰極來說是負電位，改變電位可以改變通過控制極小孔的電子數目，也就是控制熒光屏上光點的亮度。為了提高屏上光點亮度，又不降低對電子束偏轉的靈敏度，現代示波管中，在偏轉系統和熒光屏之間還加上壹個後加速電極A3。
第壹陽極對陰極而言加有約幾百伏的正電壓。在第二陽極上加有壹個比第壹陽極更高的正電壓。穿過控制極小孔的電子束，在第壹陽極和第二陽極高電位的作用下，得到加速，向熒光屏方向作高速運動。由於電荷的同性相斥，電子束會逐漸散開。通過第壹陽極、第二陽極之間電場的聚焦作用，使電子重新聚集起來並交匯於壹點。適當控制第壹陽極和第二陽極之間電位差的大小，便能使焦點剛好落在熒光屏上，顯現壹個光亮細小的圓點。改變第壹陽極和第二陽極之間的電位差，可起調節光點聚焦的作用，這就是示波器的“聚焦”和“輔助聚焦”調節的原理。第三陽極是示波管錐體內部塗上壹層石墨形成的，通常加有很高的電壓，它有三個作用：①使穿過偏轉系統以後的電子進壹步加速，使電子有足夠的能量去轟擊熒光屏，以獲得足夠的亮度；②石墨層塗在整個錐體上，能起到屏蔽作用；③電子束轟擊熒光屏會產生二次電子，處於高電位的A3可吸收這些電子。
(2)偏轉系統
示波管的偏轉系統大都是靜電偏轉式，它由兩對相互垂直的平行金屬板組成，分別稱為水平偏轉板和垂直偏轉板。分別控制電子束在水平方向和垂直方向的運動。當電子在偏轉板之間運動時，如果偏轉板上沒有加電壓，偏轉板之間無電場，離開第二陽極後進入偏轉系統的電子將沿軸向運動，射向屏幕的中心。如果偏轉板上有電壓，偏轉板之間則有電場，進入偏轉系統的電子會在偏轉電場的作用下射向熒光屏的指定位置。
如果兩塊偏轉板互相平行，並且它們的電位差等於零，那麽通過偏轉板空間的，具有速度υ的電子束就會沿著原方向（設為軸線方向）運動，並打在熒光屏的坐標原點上。如果兩塊偏轉板之間存在著恒定的電位差，則偏轉板間就形成壹個電場，這個電場與電子的運動方向相垂直，於是電子就朝著電位比較高的偏轉板偏轉。這樣，在兩偏轉板之間的空間，電子就沿著拋物線在這壹點上做切線運動。最後，電子降落在熒光屏上的A點，這個A點距離熒光屏原點（0）有壹段距離，這段距離稱為偏轉量，用y表示。偏轉量y與偏轉板上所加的電壓Vy成正比。同理，在水平偏轉板上加有直流電壓時，也發生類似情況，只是光點在水平方向上偏轉。
（3）熒光屏示波器實物圖
熒光屏位於示波管的終端，它的作用是將偏轉後的電子束顯示出來，以便觀察。在示波器的熒光屏內壁塗有壹層發光物質，因而，熒光屏上受到高速電子沖擊的地點就顯現出熒光。此時光點的亮度決定於電子束的數目、密度及其速度。改變控制極的電壓時，電子束中電子的數目將隨之改變，光點亮度也就改變。在使用示波器時，不宜讓很亮的光點固定出現在示波管熒光屏壹個位置上，否則該點熒光物質將因長期受電子沖擊而燒壞，從而失去發光能力。
塗有不同熒光物質的熒光屏，在受電子沖擊時將顯示出不同的顏色和不同的余輝時間，通常供觀察壹般信號波形用的是發綠光的，屬中余輝示波管，供觀察非周期性及低頻信號用的是發橙黃色光的，屬長余輝示波管；供照相用的示波器中，壹般都采用發藍色的短余輝示波管。
垂直（Y軸）放大電路
學生示波器由於示波管的偏轉靈敏度甚低，例如常用的示波管13SJ38J型，其垂直偏轉靈敏度為0.86mm/V（約12V電壓產生1cm的偏轉量），所以壹般的被測信號電壓都要先經過垂直放大電路的放大，再加到示波管的垂直偏轉板上，以得到垂直方向的適當大小的圖形。
水平（X軸）放大電路
由於示波管水平方向的偏轉靈敏度也很低，所以接入示波管水平偏轉板的電壓（鋸齒波電壓或其它電壓）也要先經過水平放大電路的放大以後，再加到示波管的水平偏轉板上，以得到水平方向適當大小的圖形。
掃描與同步電路
掃描電路產生壹個鋸齒波電壓。該鋸齒波電壓的頻率能在壹定的範圍內連續可調。鋸齒波電壓的作用是使示波管陰極發出的電子束在熒光屏上形成周期性的、與時間成正比的水平位移，即形成時間基線。這樣，才能把加在垂直方向的被測信號按時間的變化波形展現在熒光屏上。
折疊電源供給電路
電源供給電路：供給垂直與水平放大電路、掃描與同步電路以及示波管與控制電路所需的負高壓、燈絲電壓等。
由示波器的原理功能方框圖可見，被測信號電壓加到示波器的Y軸輸入端，經垂直放大電路加於示波管的垂直偏轉板。示波管的水平偏轉電壓，雖然多數情況都采用鋸齒電壓（用於觀察波形時），但有時也采用其它的外加電壓（用於測量頻率、相位差等時），因此在水平放大電路輸入端有壹個水平信號選擇開關，以便按照需要選用示波器內部的鋸齒波電壓，或選用外加在X軸輸入端上的其它電壓來作為水平偏轉電壓。SDS1000CML
此外，為了使熒光屏上顯示的圖形保持穩定，要求鋸齒波電壓信號的頻率和被測信號的頻率保持同步。這樣，不僅要求鋸齒波電壓的頻率能連續調節，而且在產生鋸齒波的電路上還要輸入壹個同步信號。這樣，對於只能產生連續掃描（即產生周而復始、連續不斷的鋸齒波）壹種狀態的簡易示波器（如國產SB10型等示波器）而言，需要在其掃描電路上輸入壹個與被觀察信號頻率相關的同步信號，以牽制鋸齒波的振蕩頻率。對於具有等待掃描功能（即平時不產生鋸齒波，當被測信號來到時才產生壹個鋸齒波，進行壹次掃描）的示波器（如國產ST-16型示波器、SR-8型雙蹤示波器等）為了適應各種需要，同步（或觸發）信號可通過同步或觸發信號選擇開關來選擇，通常來源有3個：①從垂直放大電路引來被測信號作為同步（或觸發）信號，此信號稱為“內同步”（或“內觸發”）信號；②引入某種相關的外加信號為同步（或觸發）信號，此信號稱為“外同步”（或“外觸發”）信號，該信號加在外同步（或外觸發）輸入端；③有些示波器的同步信號選擇開關還有壹檔“電源同步”，是由220V，50Hz電源電壓，通過變壓器次級降壓後作為同步信號。
波形顯示的基本原理
由示波管的原理可知，壹個直流電壓加到壹對偏轉板上時，將使光點在熒光屏上產生壹個固定位移，該位移的大小與所加直流電壓成正比。如果分別將兩個直流電壓同時加到垂直和水平兩對偏轉板上，則熒光屏上的光點位置就由兩個方向的位移所***同決定。
如果將壹個正弦交流電壓加到壹對偏轉板上時，光點在熒光屏上將隨電壓的變化而移動。當垂直偏轉板上加壹個正弦交流電壓時，在時間t=0的瞬間，電壓為Vo（零值），熒光屏上的光點位置在坐標原點0上，在時間t=1的瞬間，電壓為V1（正值），熒光屏上光點在坐標原點0點上方的1上，位移的大小正比於電壓V1；在時間t=2的瞬間，電壓為V2（最大正值），熒光屏上的光點在坐標原點0點上方的2點上，位移的距離正比於電壓V2；以此類推，在時間t=3，t=4，?，t=8的各個瞬間，熒光屏上光點位置分別為3、4、?、8點。在交流電壓的第二個周期、第三個周期?都將重復第壹個周期的情況。如果此時加在垂直偏轉板上的正弦交流電壓之頻率很低，僅為lHz～2Hz，那麽，在熒光屏上便會看見壹個上下移動著的光點。這光點距離坐標原點的瞬時偏轉值將與加在垂直偏轉板上的電壓瞬時值成正比。如果加在垂直偏轉板上的交流電壓頻率在10Hz～20Hz以上，則由於熒光屏的余輝現象和人眼的視覺暫留現象，在熒光屏上看到的就不是壹個上下移動的點，而是壹根垂直的亮線了。該亮線的長短在示波器的垂直放大增益壹定的情況下決定於正弦交流電壓峰壹峰值的大小。如果在水平偏轉板上加壹個正弦交流電壓，則會產生相類似的情況，只是光點在水平軸上移動罷了。
如果將壹隨時間線性變化的電壓（如鋸齒波電壓）加到壹對偏轉板上，則光點在熒光屏上又會怎樣移動呢？當水平偏轉板上有鋸齒波電壓時，在時間t=0瞬間，電壓為Vo（最大負值），熒光屏上光點在坐標原點左側的起始位置（零點上），位移的距離正比於電壓Vo；在時間t=1的瞬間，電壓為V1（負值），熒光屏上光點在坐標原點左方的1點上，位移的距離正比於電壓V1；以此類推，在時間t=2，t=3，...,t=8的各個瞬間，熒光屏上光點的對應位置是2、3、?、8各點。在t=8這個瞬間，鋸齒波電壓由最大正值V8躍變到最大負值Vo，則熒光屏上光點從8點極其迅速地向左移到起始位置零點。如果鋸齒波電壓是周期性的，則在鋸齒波電壓的第二個周期、第三個周期、?都將重復第壹個周期的情形。如果此時加在水平偏轉板上的鋸齒波電壓頻率很低，僅為1Hz ～2Hz，在熒光屏上便會看見光點自左邊起始位置零點向右邊8點處勻速地移動，隨後光點又從右邊8點處極其迅速地移動到左邊起始位置零點。上述這個過程稱為掃描。在水平軸加有周期性鋸齒波電壓時，掃描將周而復始地進行下去。光點距離起始位置零點的瞬時值，將與加在偏轉板上的電壓瞬時值成正比。如果加在偏轉板上的鋸齒波電壓頻率在10Hz～20Hz以上，則由於熒光屏的余輝現象和人眼的視覺暫留現象，就看到壹根水平亮線，該水平亮線的長度，在示波器水平放大增益壹定的情況下決定於鋸齒波電壓值，鋸齒波電壓值是與時間變化成正比的，而熒光屏上光點的位移又是與電壓值成正比的，因此熒光屏上的水平亮線可以代表時間軸。在此亮線上的任何相等的線段都代表相等的壹段時間。
如果將被測信號電壓加到垂直偏轉板上，鋸齒波掃描電壓加到水平偏轉板上，而且被測信號電壓的頻率等於鋸齒波掃描電壓的頻率，則熒光屏上將顯示出壹個周期的被測信號電壓隨時間變化的波形曲線（如圖5-6所示）。由圖5-6所示可見，在時間t=0的瞬間，信號電壓為Vo（零值），鋸齒波電壓為V0′（負值），熒光屏上光點在坐標原點左面，位移的距離正比於電壓V0′；在時間t=1的瞬間，交流電壓為V1（正值），鋸齒波電壓為V1′（負值），熒光屏上光點在坐標的第Ⅱ象限中。同理，在時間t=2，t=3，?，t=8的瞬間，熒光屏上光點分別位於2，3，?，8點。在t=8瞬間，鋸齒波電壓由最大正值V8′跳變到最大負V0′，因而熒光屏上的光點也從8點極其迅速地向左移到起始位置0點。以後，在被測周期信號的第二個周期、第三個周期?都重復第壹個周期的情形，光點在熒光屏上描出的軌跡也都重疊在第壹次描出的軌跡上。所以，熒光屏上顯示出來的被測信號電壓是隨時間變化的穩定波形曲線。
由上述可見，為使熒光屏上的圖形穩定，被測信號電壓的頻率應與鋸齒波電壓的頻率保持整數比的關SHS1000系，即同步關系。為了實現這壹點，就要求鋸齒波電壓的頻率連續可調，以便適應觀察各種不同頻率的周期信號。其次，由於被測信號頻率和鋸齒波振蕩信號頻率的相對不穩定性，即使把鋸齒波電壓的頻率臨時調到與被測信號頻率成整倍數關系，也不能使圖形壹直保持穩定。因此，示波器中都設有同步裝置。也就是在鋸齒波電路的某部分加上壹個同步信號來促使掃描的同步，對於只能產生連續掃描（即產生周而復始連續不斷的鋸齒波）壹種狀態的簡易示波器（如國產SB-10型示波器等）而言，需要在其掃描電路上輸入壹個與被觀察信號頻率相關的同步信號，當所加同步信號的頻率接近鋸齒波頻率的自主振蕩頻率（或接近其整數倍）時，就可以把鋸齒波頻率“拖入同步”或“鎖住”。對於具有等待掃描（即平時不產生鋸齒波，當被測信號來到時才產生壹個鋸齒波進行壹次掃描）功能的示波器（如國產ST-16型示波器、SBT-5型同步示波器、SR-8型雙蹤示波器等等）而言，需要在其掃描電路上輸入壹個與被測信號相關的觸發信號，使掃描過程與被測信號密切配合。這樣，只要按照需要來選擇適當的同步信號或觸發信號，便可使任何欲研究的過程與鋸齒波掃描頻率保持同步。
雙線示波的顯示原理
在電子實踐技術過程中，常常需要同時觀察兩種（或兩種以上）信號隨時間變化的過程。並對這些不同信號進行電
量的測試和比較。為了達到這個目的，人們在應用普通示波器原理的基礎上，采用了以下兩種同時顯示多個波形的方法：壹種是雙線（或多線）示波法；另壹種是雙蹤（或多蹤）示波法。應用這兩種方法制造出來的示波器分別稱為雙線（或多線）示波器和雙蹤（或多蹤）示波器。
雙線（或多線）示波器是采用雙槍（或多槍）示波管來實現的。下面以雙槍示波管為例加以簡單說明。雙槍示波管有兩個互相獨立的電子槍產生兩束電子。另有兩組互相獨立的偏轉系統，它們各自控制壹束電子作上下、左右的運動。熒光屏是***用的，因而屏上可以同時顯示出兩種不同的電信號波形，雙線示波也可以采用單槍雙線示波管來實現。這種示波管只有壹個電子槍，在工作時是依靠特殊的電極把電子分成兩束。然後，由管內的兩組互相獨立的偏轉系統，分別控制兩束電子上下、左右運動。熒光屏是***用的，能同時顯示出兩種不同的電信號波形。由於雙線示波管的制造工藝要求高，成本也高，所以應用並不十分普遍。
雙蹤示波的顯示原理
雙蹤（或多蹤）示波是在單線示波器的基礎上，增設壹個專用電子開關，用它來實現兩種（或多種）波形的分別顯示。由於實現雙蹤（或多蹤）示波比實現雙線（或多線）示波來得簡單，不需要使用結構復雜、價格昂貴的“雙腔”或“多腔”示波管，所以雙蹤（或多蹤）示波獲得了普遍的應用。
（1）雙蹤示波的顯示原理
圖5-8（a）是雙蹤示波法基本原理的示意圖。圖中，電子開關K的作用是使加在示波管垂直偏轉板上的兩種信號電壓作周期性轉換。例如，在0～1這段時間裏，電子開關K與信號通道A接通，這時在熒光屏上顯示出信號UA的壹段波形；在1～2這段時間裏，電子開關K與信號通道B接通，這時在熒光屏上顯現出信號UB的壹段波形；在2～3這段時間裏，熒光屏上再壹次顯示出信號UA的壹段波形；在3～4這段時間裏，熒光屏上將再壹次顯示出UB的壹段波形?。這樣，兩個信號在熒光屏上雖然是交替顯示的，但由於人眼的視覺暫留現象和熒光屏的余輝（高速電子在停止沖擊熒光屏後，熒光屏上受沖擊處仍保留壹段發光時間）現象，就可在熒光屏上同時看到兩個被測信號波形
為了保持熒光屏顯示出來的兩種信號波形穩定，則要求被測信號頻率、掃描信號頻率與電子開關的轉換頻率三者之間必須滿足壹定的關系。
首先，兩個被測信號頻率與掃描信號頻率之間應該是成整數比的關系，也就是要求“同步”。這壹點與單線示波器的原理是相同的，只是現在的被測信號是兩個，而掃描電壓是壹個。在實際應用中，需要觀察和比較的兩個信號常常是互相有內在聯系的，所以上述的同步要求壹般是容易滿足的。
為了使熒光屏上顯示的兩個被測信號波形都穩定，除滿足上述要求外，還必須合理地選擇電子開關的轉換頻率，使得在示波器上所顯示的波形個數合適，以便於觀察。下面談談電子開關的工作方式問題，這個問題與電子開關的轉換頻率有關。
電子開關的工作方式有“交替”轉換和“斷續”轉換兩種。
采用交替轉換工作方式的顯示的波形與雙線示波法所顯示的波形非常相似，它們都沒有間斷點。但由於被測信號UA、UB的波形是依次交替地出現在熒光屏上的，所以，如果交替的間隙時間超過了人眼的視覺暫留時間和熒光屏的余輝時間，則人們所看到的熒光屏上的波形就會有閃爍現象。為了避免這種情況的出現，就要求電子開關有足夠高的轉換頻率。這就是說當被測信號的頻率較低時，不宜采用交替轉換工作方式，而應采用斷續轉換工作方式。
當電子開關用斷續轉換工作方式時，在X軸掃描的每壹個過程中，電子開關都以足夠高的轉換頻率，分別對所顯示的每個被測信號進行多次取樣。這樣，即使被測信號頻率較低，也可避免出現波形的閃爍現象。同時，由於在壹次掃描的過程中，光點在兩個圖形上交換的次數極多，所以圖形上的細小斷裂痕跡不顯著，並不妨礙對波形細節的觀察。
（2）雙蹤示波器的基本組成
主要是由兩個通道的Y軸前置放大電路、門控電路、電子開關、混合電路、延遲電路、Y軸後置放大電路、觸發電路、掃描電路、X軸放大電路、Z軸放大電路、校準信號電路、示波管和高低壓電源供給電路等組成。
觀察信號波形時，被測信號uA，uB通過YA，YB兩個輸入端輸入示波器，先分別送到Y軸前置放大電路YA和YB進行放大。因通道YA和通道YB都受電子開關的控制，所以uA，uB兩信號輪換著輸送到後面的混合電路，加到示波管的垂直偏轉板上。
為了適應各種不同的測試需要，電子開關可有五種不同的工作狀態，即交替、YA、YB、YA+YB、斷續等。這5種工作狀態由顯示方式開關來控制。
當顯示方式開關置於交替位置時，電子開關為壹雙穩態電路。它受由掃描電路來的閘門信號控制，使得Y軸兩個前置通道隨著掃描電路門信號的變化而交替地工作。每秒鐘交替轉換次數與由掃描電路產生的掃描信號的重復頻率有關。交替工作狀態適用於觀察頻率不太低的被測信號。為了觀察被測信號隨時間變化的波形，示波管的水平偏轉板上必須加以線性掃描電壓（鋸齒波電壓）。這個掃描電壓是由掃描電路產生的。當觸發信號加到觸發電路時，觸發了掃描電路，掃描電路就產生相應的掃描信號；當不加觸發信號時，掃描電路就不產生掃描信號。
觸發有內觸發、外觸發兩種，由觸發選擇開關來選擇。當該開關置於內的位置時，觸發信號來自經Y軸通道送入的被測信號。當該開關置於外的位置時，觸發信號是由外部送入的。這個信號應與被測信號的頻率成整數比的關系。示波器在使用中，多數采用內觸發工作方式。
所謂內觸發也分為兩種情況，並由內觸發選擇開關控制。當開關置於常態的位置時，觸發電路的觸發信號來自YA，YB通道。此時，兩個通道即可同時穩定地顯示出各自的被測信號。當用雙蹤顯示來作時間比較分析時，就應該將內觸發選擇開關置於YB的位置。在這個位置時，觸發電路的觸發信號只取自YB通道的輸入信號。此時只有當uA，uB的頻率成整數比時，熒光屏上才能同時穩定地顯示兩個波形。
掃描電路產生的掃描信號（鋸齒波信號），通過X軸選擇開關接到X軸放大電路，經放大後送到示波管的X軸偏轉板。這就是通常在觀察信號隨時間變化的波形時，開關選掃描檔的情況。除上述情況外，用示波器進行其它測試（比如觀察李沙育圖形）時，開關置X外接檔，此時可將X軸輸入端輸入的信號，加到X軸放大電路進行放大，隨後再送至X軸偏轉板。
Z軸放大電路對熒光屏上光點輝度起著調節的作用，抹去不必要顯示的光點軌跡。當掃描電路閘門信號來到Z軸放大電路，Z軸放大電路便輸出正向的增輝脈沖信號，加至示波管的控制極。這就是說，在掃描信號的過程中，熒光屏上的光點得以增輝；在電子開關的轉換過程中，電子開關電路將輸出脈沖信號也加至Z軸放大電路，此時Z軸放大電路便輸出負向脈沖信號，加至示波管的控制極。這樣，就消去了兩個通道交替工作時的過渡光點，以提高顯示波形的清晰度。
校正信號電路產生壹個壹定頻率、壹定幅度的矩形信號（如國產SR-8型兩蹤示波器的校正信號是頻率為lkHz、幅度為1V）。它是作校正Y軸放大電路的靈敏度和X軸的掃描速度之用的。
高、低壓電源供給電路中的低壓是供給示波器各級所需的低壓電源的，高壓是供給示波管顯示系統電源的。