示波器是一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象，便于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，打在涂有熒光物質的屏面上，就可產生細小的光點。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，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。
如果將一個正弦交流電壓加到一對偏轉板上時，光點在熒光屏上將隨電壓的變化而移動。參見圖5-4可知，當垂直偏轉板上加一個正弦交流電壓時，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，位移的大小正比于電壓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，位移的距離正比于電壓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……都將重復第一個周期的情況。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，那么，在熒光屏上便會看見一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，則由于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一個上下移動的點，而是一根垂直的亮線了。該亮線的長短在示波器的垂直放大增益一定的情況下決定于正弦交流電壓峰一峰值的大小。如果在水平偏轉板上加一個正弦交流電壓，則會產生相類似的情況，只是光點在水平軸上移動罷了。
如果將一隨時間線性變化的電壓（如鋸齒波電壓）加到一對偏轉板上，則光點在熒光屏上又會怎樣移動呢？參看圖5-5可見，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），位移的距離正比于電壓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，位移的距離正比于電壓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、……都將重復第一個周期的情形。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，隨后光點又從右邊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，則由于熒光屏的余輝現象和人眼的視覺暫留現象，就看到一根水平亮線，該水平亮線的長度，在示波器水平放大增益一定的情況下決定于鋸齒波電壓值，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一段時間。
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于鋸齒波掃描電壓的頻率，則熒光屏上將顯示出一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，位移的距離正比于電壓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于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。以后，在被測周期信號的第二個周期、第三個周期……都重復第一個周期的情形，光點在熒光屏上描出的軌跡也都重疊在第一次描出的軌跡上。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。
若被測信號電壓的頻率等于鋸齒波電壓頻率整數倍數時，則熒光屏上將顯示出周期為整數的被測信號穩定波形。而當被測信號電壓的頻率與鋸齒波電壓的頻率不成整數倍數時，則熒光屏上不能獲得穩定的波形，如圖5-7所示。在圖5-7中，第一次掃描時，屏上顯示的是0～1這段波形曲線；第二次掃描時，屏上顯示1～2這段波形曲線；第三次掃描時，屏上顯示2～3這段波形曲線；……可見，每次熒光屏上顯示的波形曲線都不同，所以圖形不穩定。
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系，即同步關系。為了實現這一點，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，由于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，也不能使圖形一直保持穩定。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一個同步信號來促使掃描的同步，對于只能產生連續掃描（即產生周而復始連續不斷的鋸齒波）一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一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”。對于具有等待掃描（即平時不產生鋸齒波，當被測信號來到時才產生一個鋸齒波進行一次掃描）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一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。
示波器結構組成
1、顯示電路
顯示電路包括示波管及其控制電路兩個部分。示波管是一種特殊的電子管，是示波器一個重要組成部分。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
電子槍用于產生并形成高速、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、第一陽極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一軸線上。陰極被加熱后，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一個后加速電極A3。
第一陽極對陰極而言加有約幾百伏的正電壓。在第二陽極上加有一個比第一陽極更高的正電壓。穿過控制極小孔的電子束，在第一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。由于電荷的同性相斥，電子束會逐漸散開。通過第一陽極、第二陽極之間電場的聚焦作用，使電子重新聚集起來并交匯于一點。適當控制第一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，顯現一個光亮細小的圓點。改變第一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涂上一層石墨形成的，通常加有很高的電壓，它有三個作用：①使穿過偏轉系統以后的電子進一步加速，使電子有足夠的能量去轟擊熒光屏，以獲得足夠的亮度；②石墨層涂在整個錐體上，能起到屏蔽作用；③電子束轟擊熒光屏會產生二次電子，處于高電位的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，離開第二陽極后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，并且它們的電位差等于零，那么通過偏轉板空間的，具有速度υ的電子束就會沿著原方向（設為軸線方向）運動，并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，則偏轉板間就形成一個電場，這個電場與電子的運動方向相垂直，于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一點上做切線運動。最后，電子降落在熒光屏上的A點，這個A點距離熒光屏原點（0）有一段距離，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
熒光屏位于示波管的終端，它的作用是將偏轉后的電子束顯示出來，以便觀察。在示波器的熒光屏內壁涂有一層發光物質，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于電子束的數目、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一個位置上，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。
涂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，通常供觀察一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，一般都采用發藍色的短余輝示波管。
2、垂直（Y軸）放大電路
由于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），所以一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。
3、水平（X軸）放大電路
由于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后，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。
4、掃描與同步電路
掃描電路產生一個鋸齒波電壓。該鋸齒波電壓的頻率能在一定的范圍內連續可調。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。
5、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，經垂直放大電路加于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（用于觀察波形時），但有時也采用其它的外加電壓（用于測量頻率、相位差等時），因此在水平放大電路輸入端有一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。
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一個同步信號。這樣，對于只能產生連續掃描（即產生周而復始、連續不斷的鋸齒波）一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一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。對于具有等待掃描功能（即平時不產生鋸齒波，當被測信號來到時才產生一個鋸齒波，進行一次掃描）功能的示波器（如國產ST-16型示波器、SR-8型雙蹤示波器等而言，需要在其掃描電路上輸入一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。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一檔“電源同步”，是由220V，50Hz電源電壓，通過變壓器次級降壓后作為同步信號。
示波器的測量應用
1、電壓測量
利用示波器所做的任何測量，都是歸結為對電壓的測量。示波器可以測量各種波形的電壓幅度，既可以測量直流電壓和正弦電壓，又可以測量脈沖或非正弦電壓的幅度。更有用的是它可以測量一個脈沖電壓波形各部分的電壓幅值，如上沖量或頂部下降量等。這是其他任何電壓測量儀器都不能比擬的。
1．直接測量法
所謂直接測量法，就是直接從屏幕上量出被測電壓波形的高度，然后換算成電壓值。定量測試電壓時，一般把Y軸靈敏度開關的微調旋鈕轉至“校準”位置上，這樣，就可以從“V/div”的指示值和被測信號占取的縱軸坐標值直接計算被測電壓值。所以，直接測量法又稱為標尺法。
（1）交流電壓的測量
將Y軸輸入耦合開關置于“AC”位置，顯示出輸入波形的交流成分。如交流信號的頻率很低時，則應將Y軸輸入耦合開關置于“DC”位置。
將被測波形移至示波管屏幕的中心位置，用“V/div”開關將被測波形控制在屏幕有效工作面積的范圍內，按坐標刻度片的分度讀取整個波形所占Y軸方向的度數H，則被測電壓的峰-峰值VP-P可等于“V/div”開關指示值與H的乘積。如果使用探頭測量時，應把探頭的衰減量計算在內，即把上述計算數值乘10。
例如示波器的Y軸靈敏度開關“V/div”位于0.2檔級，被測波形占Y軸的坐標幅度H為5div，則此信號電壓的峰-峰值為1V。如是經探頭測量，仍指示上述數值，則被測信號電壓的峰-峰值就為10V。
（2）直流電壓的測量
將Y軸輸入耦合開關置于“地”位置，觸發方式開關置“自動”位置，使屏幕顯示一水平掃描線，此掃描線便為零電平線。
將Y軸輸入耦合開關置“DC”位置，加入被測電壓，此時，掃描線在Y軸方向產生跳變位移H，被測電壓即為“V/div”開關指示值與H的乘積。
直接測量法簡單易行，但誤差較大。產生誤差的因素有讀數誤差、視差和示波器的系統誤差（衰減器、偏轉系統、示波管邊緣效應）等。
2．比較測量法
比較測量法就是用一已知的標準電壓波形與被測電壓波形進行比較求得被測電壓值。
將被測電壓Vx輸入示波器的Y軸通道，調節Y軸靈敏度選擇開關“V/div”及其微調旋鈕，使熒光屏顯示出便于測量的高度Hx并做好記錄，且“V/div”開關及微調旋鈕位置保持不變。去掉被測電壓，把一個已知的可調標準電壓Ｖs輸入Ｙ軸，調節標準電壓的輸出幅度，使它顯示與被測電壓相同的幅度。此時，標準電壓的輸出幅度等于被測電壓的幅度。比較法測量電壓可避免垂直系統引起和誤差，因而提高了測量精度。
2、時間測量
示波器時基能產生與時間呈線性關系的掃描線，因而可以用熒光屏的水平刻度來測量波形的時間參數，如周期性信號的重復周期、脈沖信號的寬度、時間間隔、上升時間（前沿）和下降時間（后沿）、兩個信號的時間差等等。
將示波器的掃速開關“t/div”的“微調”裝置轉至校準位置時，顯示的波形在水平方向刻度所代表的時間可按“t/div”開關的指示值直讀計算，從而較準確地求出被測信號的時間參數。
3、相位測量
利用示波器測量兩個正弦電壓之間的相位差具有實用意義，用計數器可以測量頻率和時間，但不能直接測量正弦電壓之間的相位關系。利用示波器測量相位的方法很多，下面，僅介紹幾種常用的簡單方法。
1．雙蹤法
雙蹤法是用雙蹤示波器在熒光屏上直接比較兩個被測電壓的波形來測量其相位關系。測量時，將相位超前的信號接入YB通道，另一個信號接入YA通道。選用YB觸發。調節“t/div”開關，使被測波形的一個周期在水平標尺上準確地占滿8div，這樣，一個周期的相角360°被8等分，每1div相當于45°。讀出超前波與滯后波在水平軸的差距T，按下式計算相位差φ：
φ=45°/div×T（div）
如T==1.5div ，則φ=45°/div×1.5div=67.5°
2．李沙育圖形法測相位
將示波器的X軸選擇置于X軸輸入位置，將信號u1接入示波器的Y軸輸入端，信號u2接入示波器的X軸輸入端。適當調節示波器面板上相關旋鈕，使熒光屏上顯現一個大小適宜的橢圓（在特殊情況下，可能是一個正圓或一根斜線）。
由此可見，設Y軸偏轉板上的信號u1導前于X軸偏轉板上的信號u21/8周期，設u2的初相為零，即φ2=0，因此當u2為零時，u1為一個較大的值。如圖中的“0”點。此時，熒光屏上的光點也相應地位于“0”點。隨著時間的變化，u1上升，u2也上升，則熒光屏上的光點向右上方移動。當經1/8周期后，u1、u2分別到達“1”點，此時u1到達最大值，u2為一個較大的值，熒光屏上的光點位于相應的“1”。如此繼續下去，熒光屏上的光點將描出一個順時針旋轉的橢圓。如果u1滯后于u2則形成一個逆時針旋轉的橢圓。當然，這只有在信號頻率很低時（如幾赫茲），且在短余輝的熒光屏上便會清楚地看到熒光屏上的光點順時針或逆時針旋轉的現象。由上述可見橢圓的形狀是隨兩個正弦信號電壓u1、u2相位差的不同而不同。因此可以根據橢圓的形狀確定兩個正弦信號之間的相位差Δφ。在圖5-13中設A是橢圓與Y軸交點的縱坐標，B是橢圓上各點坐標的最大值。由圖可見，A是對應于t=0時u1的瞬時電壓，即
A=Um1sinφ1
B是對應于u1的幅值，即
B=Um1
于是 A/B=（Um1sinφ1）/ Um1= sinφ1
來表示。在實際測試中為讀數方便，常讀取2A，2B（或2C，2D），按式
Δφ=arc sin（2A/2B）或Δφ=arc sin（2C/2D）
來計算相位差。
4、頻率測量
用示波器測量信號頻率的方法很多，下面介紹常用的兩種基本方法。
1．周期法
對于任何周期信號，可用前述的時間間隔的測量方法，先測定其每個周期的時間T，再用下式求出頻率f ：f=1/T
例如示波器上顯示的被測波形，一周期為8div，“t/div”開關置“1μs”位置，其“微調”置“校準”位置。則其周期和頻率計算如下：
T=1us/div×8div = 8us
f= 1/8us =125kHz
所以，被測波形的頻率為125kHz。
2．李沙育圖形法測頻率
將示波器置X-Y工作方式，被測信號輸入Y軸，標準頻率信號輸入“X外接”，慢慢改變標準頻率，使這兩個信號頻率成整數倍時，例如fx :
fy=1:2，則在熒光屏上會形成穩定的李沙育圖形。
李沙育圖形的形狀不但與兩個偏轉電壓的相位有關，而且與兩個偏轉電壓的頻率也有關。用描跡法可以畫出ux與uy的各種頻率比、不同相位差時的李沙育圖形，幾種不同頻率比的李沙育圖形如圖5-15所示。
利用李沙育圖形與頻率的關系，可進行準確的頻率比較來測定被測信號的頻率。其方法是分別通過李沙育圖形引水平線和垂直線，所引的水平線垂直線不要通過圖形的交叉點或與其相切。若水平線與圖形的交點數為m，垂直線與圖形的交點數n，則
fy / fx=m / n
當標準頻率fx（或fy）為已知時，由上式可以求出被測信號頻率fy（或fx）。顯然，在實際測試工作中，用李沙育圖形進行頻率測試時，為了使測試簡便正確，在條件許可的情況下，通常盡可能調節已知頻率信號的頻率，使熒光屏上顯示的圖形為圓或橢圓。這時被測信號頻率等于已知信號頻率。
