示波器是一种以图形方式显示电信号随时间变化的基础仪器。示波器不仅能观测周期变化的电压和电流信号（需用采样示波器），还能捕捉各种非周期性信号（如随机脉冲），并可进一步测量信号的幅度、频率、直流偏置、占空比等参数。用双踪示波器还可以检测两路信号在幅度、频率和相位之间的相对关系。而日常用的万用电表只能测量电学信号在一段时间内的平均值（对直流信号）或有效值（对交流信号）。
在科学研究和生产实践中经常将示波器与各类传感器配合使用。使用时，需要先将待检测的物理量（如温度、光强、压力、磁场等）转化成电学信号，再用示波器来监测。示波器的用途非常广泛，是功能最全面、应用最广泛的测量仪器之一。
示波器是一种监测电学信号随时间变化特性的常用测量仪器。日常生活中常用的万用电表只能测量电学信号在一段时间内的平均值（对直流信号）或有效值（对交流信号）；示波器还能观测反映电压和电流信号（需用采样示波器）随时间变化的特性，甚至还能捕捉各种非周期性信号（如随机脉冲）。可用示波器测量的物理量包括：幅度、频率、直流偏置、占空比等，用双踪示波器还可以检测两路信号在幅度、频率和相位之间的相对关系。
在科学研究和生产实践中使用时，人们常借助各类传感器（注1），先将待检测的物理量（如温度、光强、压力、磁场等）转化成电学信号，再用示波器来监测，这使得示波器的用途变得越来越广泛。
根据实现技术不同，示波器可分为模拟示波器和数字示波器两大类。在阴极射线管（Cathode Ray Tube，简称CRT，国内也称之为显像管）诞生后不久，德国科学家Karl Ferdinand Braun于1897年发明基于CRT的模拟示波器，他将待监测的电压信号施加在平板电容两端，引起电子束的纵向偏转，以便在荧光屏上观测信号的变化。在1919年前后，就有人将示波器用于实验室测量，但使示波器更通用的触发-扫描功能则是在1946年前后才被发明的。
借助高速的模拟-数字转换芯片（也叫模数转换器，Analog-to-Digital Converter，以下简称ADC），Walter Le Cory发明了数字存储示波器（Digital Storage Oscilloscope，以下简称DSO）。DSO先通过ADC将待测的物理量转换成数字量，保存在存储芯片中，后续处理单元读取数据后再进行分析、显示。随着半导体技术的不断发展，数字存储示波器的触发、分析、测量等功能越来越强大，1980年之后逐步普及开来。
图1给出了DSO一个通道信号处理过程的模块化示意图，其中虚线框内的组件是一个信号通道特有的组件，本实验中所用的双通道DSO就有两路这样的组件；虚框外的的组件1是系统组件，为所有信号通道所共用。这里还需注意：图中的每个组件既表示完成实际功能的功能单元，还可能关联一个用于让用户输入所需参数、状态的控制按钮或命令菜单。
其中虚线框内的组件是一个信号通道专用的（多通道示波器就有多套这样的组件）；框外组件表示所有信号通道共用的系统组件。CPU和DSP分别是Central Processing Unit（中央处理器）和Digital Signal Processor（数字信号处理器）的简称。（本示意图是在网络图片的基础上修改而成。）
与我们熟悉的电脑相似，DSO也有中央处理器（Central Processing Unit，以下简称CPU），它负责读取示波器面板上各个控制旋钮、命令菜单的参数设定、状态选择，控制内部各组件按要求工作，并完成必要的运算、测量等功能，最后将结果输出到显示屏上。这个过程中，信号接入到输入端口之后，先经过衰减、DC偏移、放大等处理得到合适幅度的信号，一路输入到ADC，进行模数转换并存储在存储器中以备后续调用，另一路耦合到触发逻辑，以实现所需的触发控制。
① 衰减器： 本实验中的数字示波器所用的ADC能够处理的电压幅度范围是±512mV，而示波器屏幕能够显示的电压范围是±20V或0~40V注3）。因此，我们需要根据输入信号的幅度（常用峰峰值Vpp表示）设定合理的测量档位，在大量程档时，示波器会依据我们的档位选择，通过衰减器中的电阻分压网提取一个与输入信号成正比的小信号输入到下一组件；在小量程档时，则是直接将信号无衰减地输入到下一组件。
注3： 示波器输入端口附近标有电压测量范围，本实验中所用的DSO所标的测量范围是0-400V，远超过Vpp=40V的实际可测范围。对于Vpp超过40V的信号，我们必须开启输入导线上的X10倍衰减开关（如图2所示），否则会导致仪器过载损坏。
② 直流偏移： 在直流（Direct Current，以下简称DC）耦合状态下，若输入信号含有DC偏移量（即信号最大值与最小值的平均与实际零电位有偏差），需要提供极性相反的DC电压进行补偿，使信号正负两极的幅度相等，以便充分利用ADC的电压工作范围。若选择交流（Alternative Current，简称AC）耦合，则隔直电容将滤掉输入信号的DC偏移分量（注4)。
注4： 当输入信号的频率在1kHz以上时，在DC和AC之间切换信号输入的耦合方式，信号形状的变化可以忽略；但若输入信号的频率小于1kHz，AC耦合时，隔直电容的存在对信号的形状有明显的影响。（欢迎有兴趣的同学自主探索。）
③ 放大器： 为了充分利用下一组件ADC的测量精度，示波器会根据用户的输入档位选择，将小信号放大，以使信号变化的幅度范围Vpp占据尽量大比例的ADC工作电压范围。
④ 模数转换器： 本实验所用DSO中的模数转换器（以下简称ADC）是一个电压工作范围为±512mV的8位转换器。也就是说，该ADC将任一电压在±512mV范围内变化的输入信号转化为一系列的8位的二进制数，代表不同时刻的输入电压值。由于8位二进制数的取值在0-255之间，测量精度是2-8≈0.4%，ADC输出值之间的最小差别是1024mV/256=4mV。因此，用示波器测量小信号（如100mV量级）时，必须选择合适的输入档位，为放大器设定合适的放大倍数，尽量使信号占据满屏，否则测量相对不确定度可能会大到无法接受的地步（注5)。
注5： 对于一个变化范围只占据示波器屏幕一大格的输入信号，ADC转换的最小相对不确定度是多大？
⑤ 触发(Trigger)： 为了及时显示输入信号随时间变化的特性，示波器不停地采集信号并更新屏幕显示。对于周期不变的信号，我们希望屏幕上前后两次显示的信号轨迹能互相重叠；对于非周期性信号，我们希望特定的信号能显示在相同的位置，这些都会方便用户对图像和数据进行下一步的分析和处理。示波器中实现上述功能的组件称作触发逻辑；它在用户选择的信号（如CH1的输入信号）满足一定条件（如大于用户设定的触发电平，Trigger Level）时给出触发信号，这实际上是根据用户的设定来确定每次信号更新显示的时间零点。
在模拟示波器中，在屏幕上“画出”波形的电子束是在触发信号满足条件后才开始扫描，因此，用户无法得知满足触发条件之前的信号是怎样的。与此不同，数字示波器的数据采集一直在进行，不仅保存触发之后的信号，也保存触发前的信号，这有利于了解信号变化的整个过程。
本实验中，我们希望学生学会选用输入信号做触发，明白触发电平设置的重要性，了解边沿触发模式时，上升沿和下降沿触发的区别。
⑥ 显示： 数字示波器一般用液晶屏（Liquid Crystal Display，以下简称LCD）作显示。与CRT显示不同（注6)，LCD是利用点阵中每个像素的亮暗状态来显示文字和图形，文字和图形在屏幕上保持的时间可以根据需要来设定。另外，在LCD像素数已知的情况下，选定档位后，每个像素点在Y，t两个方向上所表示的值也是可以得到的，这直接决定了从屏幕上进行光标读数的精度。
注6： 借助荧光屏的余辉，CRT靠电子束在屏幕上快速扫描留下的轨迹显示信号的连续变化过程。
⑦ 信号发生器原理 在研究、调试电子线路、电学设备的性能时，需要输入已知特性的电学信号，以检测研究对象的输出结果与预期是否一致。信号发生器就是用于产生所需信号的仪器。本实验中所用的信号发生器的输出功率较小（4W），也被称作函数信号发生器，或波形发生器。
信号发生器一般由三个模块组成（注7）：（一）基于LC电路或晶体振荡器等元件构成的振荡电路，用于产生周期信号（一般为正弦或方波），并提供频率调节；（二）基于非线性元件（如电容的充、放电曲线有非线性）或差分放大电路等构建的波形变换电路，根据用户的选择将振荡器产生的信号变换为所需的信号形式，包括正弦、方波、三角波、锯齿波等（注8）；（三）输出电路，根据用户设定的幅度、直流偏移等参数输出信号，并显示输出信号的参数。
本实验所用的信号发生器能调节的参数包括（注9）：
注7：随着集成电路技术的发展，现在已有各种专门用于信号发生器开发的芯片，如LM324等，这大大简化了自制信号发生器的过程，欢迎有兴趣的同学进一步探索、实践。
注8：有些厂家提供的信号发生器还能产生阶梯信号、类噪声信号等，甚至提供频率调制、幅度调制等功能，以满足不同的需求。
注9：除了这里列出来的参数，欢迎同学参考仪器说明书等资料自己探索更多可调参数。
欢迎有兴趣的同学自己查阅资料了解以下术语的含义： 带宽、幅频曲线、采样、等效采样、实时采样、存储深度、边沿触发、上升沿、下降沿、采样示波器、功率信号发生器。了解这些术语的含义有益于各位同学加深对数字示波器及其性能指标、工作原理等的了解。