【实验原理】
不论何种型号和规格的示波器都包括了如图2-28所示的几个基本组成部分：示波器（又称阴极射线管，CathodeRay Tube，简称CRT）、垂直放大电路（Y 轴放大）、水平放大电路（X 轴放大）、扫描信号发生电路（锯齿波发生器）、同步触发电路、电源等。
图2-28 示波器的基本结构框图
1.示波管的基本结构
示波管是示波器的核心部分，其功能就是将电信号转化成光信号。示波管的基本结构如图2-29所示。主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，全都密封在玻璃壳体内，里面抽成高真空。
（1）电子枪。由灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极和第二阳极五部分组成。
灯丝通电后加热阴极。阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，被加热后发射电子。控制栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外面。它的电位比阴极低，对阴极发射出来的电子起控制作用，只有初速度较大的电子才能穿过栅极顶端的小孔然后在阳极加速下奔向荧光屏。示波器面板上的“调辉度”就是通过调节电位以控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变了屏上的光斑亮度。阳极电位比阴极电位高很多，电子被它们之间的电场加速形成射线。
当控制栅极、第一阳极与第二阳极电位之间电位调节合适时，电子枪内的电场对电子射线有聚集作用，所以，第一阳极也称聚焦阳极。第二阳极电位更高，又称加速阳极。面板上的“聚焦”调节，就是调第一阳极电位，使荧光屏上的光斑成为明亮、清晰的小圆点。有的示波器还有“辅助聚焦”，实际是调节第二阳极电位。
图2-29 示波管结构图
H—灯丝；K—阴极；G1，G2—控制栅极；A1—第一阳极；
A2—第二阳极；Y—竖直偏转板；X—水平偏转板
（2）偏转系统。它由两对互相垂直的偏转板组成，一对竖直偏转板，一对水平偏转板。在偏转板上加以适当电压，电子束通过时，其运动方向发生偏转，从而使电子束在荧光屏上产生的光斑位置也发生改变。
（3）荧光屏。屏上涂有荧光粉，电子打上去它就发光，形成光斑。不同材料的荧光粉发光的颜色不同，发光过程的延续时间（一般称为余辉时间）也不同。荧光屏前有一块透明的、带刻度的坐标板，供测定光点的位置用。在性能较好的示波管中，将刻度线直接刻在荧光屏玻璃内表面上，使之与荧光粉紧贴在一起以消除视差，光点位置可测得更准。
2.波形显示原理
（1）仅在垂直偏转板加正弦交变电压情形。如果仅在Y 偏转板加一正弦交变电压，则电子束所产生的亮点随电压的变化在y 方向来回运动，如果电压频率较高，由于人眼的视觉暂留现象，则看到的是一条竖直亮线，其长度与正弦信号电压的峰-峰值成正比，如图2-30所示。
图2-30 在垂直偏转板加正弦电压情形
（2）仅在水平偏转板加锯齿波（扫描）电压情形。为了能使uy（t）在空间展开，需在水平方向形成时间轴。在水平偏转板加如图2-31所示的锯齿电压ux（t）形成t 轴，由于该电压在0—1时间内电压随时间呈线性关系达到最大值，使电子束在屏上产生的亮点随时间线性水平移动最后到达屏的最右端。在1—2时间内ux突然回到起点（即亮点回到屏的最左端）。如此重复变化，若频率足够高的话，则在屏上形成了一条如图2-31所示的水平亮线，即t轴。
（3）常规显示波形。如果在Y 偏转板加一正电压（实际上任何所想观察的波形均可）同时在X 偏转板加一锯齿电压，电子束受竖直、水平两个方向力的作用下，电子的运动是两相互垂直运动的合成。当两电压周期具有合适的关系时，在荧光屏上将能显示出所加正弦电压完整周期的波形图，如图2-32所示。
图2-31 在水平偏转板加锯齿波电压情形
3.同步原理
（1）同步的概念。为了显示如图2-32 所示的稳定图形，只有保证正弦波到Iy点时，锯齿波正好到Ix点，从而亮点扫完了一个周期的正弦曲线。由于锯齿波这时马上复原，所以亮点又回到A 点，再次重复这一过程，光点所画的轨迹和第一周期的完全重合，所以在屏上显示出一个稳定的波形，这就是所谓的同步。
同步的一般条件为
Tx=nTy（n=1，2，3，…）
式中：Tx为锯齿波周期；Ty为正弦周期。
若n=3，则能在屏上显示出三个完整周期的波形。
如果正弦波和锯齿波电压的周期稍微不同，屏上出现的是一移动着的不稳定图形。这情形可用图2-33说明。设X轴加的锯齿波形电压的周期Tx比Y 偏转板上的正弦波电压周期Ty稍小，比如Tx=nTy，n=
。在第一扫描周期内，屏上显示正弦信号0～4点之间的曲线段；在第二周期内，显示4～8点之间的曲线段，起点在4处；第三周期内，显示8～11点之间曲线段，起点在8处。其中第一曲线段结束和第二曲线段的起点对应相同Y 偏转电压，第二曲线段尾部和第三曲线段的起点对应相同Y 偏转电压。这样，屏上显示的波形每次都不重叠，好像波形在向右移动。同理，如果Tx比Ty稍大，则好像在向左移动。以上描述的情况在示波器使用过程中经常会出现。其原因是扫描电压的周期Tx与被测信号的周期Ty不相等或不成整数倍关系，以致每次扫描的起点在Y 轴上均不相同。
图2-32 波形显示原理图
图2-33 Tx=（7/8）Ty时的波形
（2）手动同步的调节。为了获得一定数量的稳定波形，示波器设有“扫速选择开关（Time/div）”“扫描微调（SWP VAR）”旋钮，用来调节锯齿波电压的周期Tx（或频率fx），使之与被测信号的周期Ty（或频率fy）成整数倍关系，即Tx=nTy。从而，在示波器屏上得到所需数目的完整波形。
（3）自动触发同步调节。输入Y 轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是相互独立的。由于环境或其他因素的影响，它们的周期（或频率）可能发生微小的改变。这时虽通过调节扫描旋钮使它们之间的周期满足整数倍关系，但过了一会可能又会变，使波形无法稳定下来。这在观察高频信号尤为突出。为此，示波器内装有扫描同步装置，让锯齿波电压的扫描起点自动跟踪被测信号改变，称为同步。同步电路从垂直放大电路中取出部分待测信号，输入到扫描发生器，迫使锯齿波与被测信号同步，称为“内同步”；若同步信号是从仪器外部输入，则称“外同步”。
示波器都采用触发同步电路达到同步目的。以DF4321A 双踪示波器为例，操作时如果出现波形左右移动，先判断信号输入通道是“CH1”还是“CH2”。若为“CH1”通道，将“MODE”置“CH1”，同时将“INT TRIG（内触发）”置“CH1”，触发源“SOURCE”始终置“INT”位置（即内触发位置），调节“LEVEL（电平）”旋钮，改变触发电压大小，可以使波形稳定。若信号输入通道为“CH2”通道，将“MODE”置“CH2”，同时将“INT TRIG（内触发）”置“CH2”，触发源“SOURCE”始终置“INT”位置（即内触发位置），调节“LEVEL（电平）”旋钮，改变触发电压大小，可以使波形稳定。
4.李萨如图形的原理
在X-Y 方式下，如果示波器的X 轴（CH1）和Y 轴（CH2）输入频率相同或成简单整数比的两个正弦电压，电子束通过X、Y 偏转板时受到两个互相垂直电场力作用，则屏上将呈现特殊的光点轨迹，这种轨迹图称为李萨如图。图2-34所示的是频率比成简单整数比值的几组李萨如图形。
图2-34 频率比成简单整数比值的几组李萨如图形
可总结出如下规律：如果作一个限制光点x、y 方向变化范围的假想方框，则图形与此框相切时，横边上切点数nx与竖边上的切点数ny之比恰好等于Y 和X 输入的两正弦信号的频率之比，即fy/fx=nx/ny；或者在李萨如图形上分别作一条水平线和一条竖直线，两条线与李萨如图形交点数尽可能多，交点数分别为nx与ny，则fy/fx=nx/ny，所以利用李萨如图形能方便地比较两正弦信号的频率。若已知其中一个信号的频率fx，数出图上的切点数（交点数）nx与ny，便可计算另一待测信号的频率fy。
5.示波器的测量原理
示波器除了能直观显示波形外，其测量内容可归结为两类：电压的测量和时间的测量。而电压和时间的测量最后都归结为屏上波形长度的测量，如图2-35所示。
图2-35 示波管荧光屏刻度
（1）电压的测量。示波器屏上光点在Y 轴上偏转距离Dy正比于输入电压Uy，比例系数ky称为电压偏转因数，有Uy=kyDy，Y 轴电压偏转因数ky的单位为V/div。
DF4321A 双踪示波器荧光屏垂直方向共8格（div），若正弦波形峰峰长度Dy（div），则待测正弦信号峰峰电压VP-P=kyDy，而ky从5mV/div～5V/div共10个刻度值中旋钮箭头所指那个刻度值（见图2-37中13、14旋钮）。
（2）时间的测量。示波器屏上光点在X 轴偏转距离Dx正比时间t，比例系数kx称时基因数，有t=kxDx，时基因数kx的单位为Time/div。
DF4321A 双踪示波器荧光屏水平方向共10格（div），若正弦波每个周期水平方向所占长度Dx（div），则待测正弦信号周期T=kxDx，而kx从0.2μs/div～2s/div共19个刻度值中旋钮箭头所指那个刻度值（见图2-37中26旋钮）。