示波器技術(shù)的發(fā)展和演變

泰克的511模擬實時示波器，標志著商用示波器時代的到來。511之前也有一些“示波器”產(chǎn)品，但是由于其沒有觸發(fā)系統(tǒng)和校準的時基、垂直刻度，不能提供穩(wěn)定的顯示波形，也不能進行定量測試，所以只是一種定性觀測的工具。511首次在“示波器”這種測試設(shè)備中加入了邊沿觸發(fā)以顯示穩(wěn)定波形、使用校準的時基和垂直放大器以提供定量測試能力，大大增加了適用性。這樣，商用示波器誕生了。

模擬實時示波器發(fā)展到現(xiàn)在，基本結(jié)構(gòu)并沒有多大變化，下圖是一個基本的結(jié)構(gòu)框圖：

模擬實時示波器機構(gòu)簡單，沒有信號的數(shù)字化、處理等過程。ART的所有信號調(diào)理、放大和顯示都由模擬器件完成，所以從信號進入放大器(或探頭)到最后在CRT上顯示，幾乎是實時(延遲時間幾乎可以忽略)的。

但是，模擬示波器也有死區(qū)時間，在死區(qū)時間內(nèi)出現(xiàn)的信號是不能顯示在屏幕上的。這個死區(qū)時間來自于觸發(fā)系統(tǒng)的“觸發(fā)抑止(hold off)”和等待觸發(fā)的時間。所以，模擬示波器也不是能100%地捕獲信號。不同型號的模擬實時示波器，最大波形捕獲概率大約從30%～70%不等，掃描速度最快可達50萬次/秒。這是一個非常好的指標。

再來看模擬示波器顯示的方式――CRT陰極射線管。電子束經(jīng)過偏轉(zhuǎn)板的偏轉(zhuǎn)，再轟擊顯示屏上的熒光物質(zhì)發(fā)光形成波形軌跡。當電子束停止轟擊后，亮點不會立即消失而要保留一段余輝時間。余輝時間10μs―1ms為短余輝，1ms―0.1s為中余輝，0.1s-1s為長余輝，大于1s為極長余輝。一般的示波器配備中余輝示波管，高頻示波器選用短余輝，低頻示波器選用長余輝。在余輝效應的作用下，波形軌跡上每一點的亮度，和被轟擊的次數(shù)(頻度)成正比關(guān)系。因此，模擬實時示波器顯示的波形，不僅有時間和幅度的信息，還能以亮度等級表示信號出現(xiàn)概率的信息，非常有利于觀測。

但是在另一方面，熒光物質(zhì)發(fā)光的這一特性也帶來了一個問題：轟擊次數(shù)過少的軌跡的亮度會很低，甚至根本無法觀測到。所以模擬示波器比較適合于重復信號(如連續(xù)正弦波)或者有重復特性的信號(如模擬視頻信號)。而對單次信號(如單個脈沖或偶發(fā)故障)的觀測能力非常有限。

總結(jié)起來，模擬實時示波器有以下幾點主要優(yōu)點：實時性強、波形捕獲概率高、直觀的三維(時間、幅度和信號出現(xiàn)概率)顯示方式。缺點主要在于：無法存儲數(shù)據(jù)、分析能力有限、對低概率事件捕獲能力不足、觸發(fā)簡單、預觸發(fā)延時不足和帶寬提升困難(從前端放大器到CRT必須同時提升)等。隨著數(shù)字化運動的興起和越來越多的單次信號測量需求，模擬示波器這些缺點使其漸漸不再能滿足測試需求，所以從上世紀80年代開始，主流的示波器廠家均漸漸轉(zhuǎn)向數(shù)字示波器的研發(fā)和生產(chǎn)。

泰克的511模擬實時示波器，標志著商用示波器時代的到來。511之前也有一些“示波器”產(chǎn)品，但是由于其沒有觸發(fā)系統(tǒng)和校準的時基、垂直刻度，不能提供穩(wěn)定的顯示波形，也不能進行定量測試，所以只是一種定性觀測的工具。511首次在“示波器”這種測試設(shè)備中加入了邊沿觸發(fā)以顯示穩(wěn)定波形、使用校準的時基和垂直放大器以提供定量測試能力，大大增加了適用性。這樣，商用示波器誕生了。

模擬實時示波器發(fā)展到現(xiàn)在，基本結(jié)構(gòu)并沒有多大變化，下圖是一個基本的結(jié)構(gòu)框圖：

模擬實時示波器機構(gòu)簡單，沒有信號的數(shù)字化、處理等過程。ART的所有信號調(diào)理、放大和顯示都由模擬器件完成，所以從信號進入放大器(或探頭)到最后在CRT上顯示，幾乎是實時(延遲時間幾乎可以忽略)的。

但是，模擬示波器也有死區(qū)時間，在死區(qū)時間內(nèi)出現(xiàn)的信號是不能顯示在屏幕上的。這個死區(qū)時間來自于觸發(fā)系統(tǒng)的“觸發(fā)抑止(hold off)”和等待觸發(fā)的時間。所以，模擬示波器也不是能100%地捕獲信號。不同型號的模擬實時示波器，最大波形捕獲概率大約從30%～70%不等，掃描速度最快可達50萬次/秒。這是一個非常好的指標。

再來看模擬示波器顯示的方式——CRT陰極射線管。電子束經(jīng)過偏轉(zhuǎn)板的偏轉(zhuǎn)，再轟擊顯示屏上的熒光物質(zhì)發(fā)光形成波形軌跡。當電子束停止轟擊后，亮點不會立即消失而要保留一段余輝時間。余輝時間10μs—1ms為短余輝，1ms—0.1s為中余輝，0.1s-1s為長余輝，大于1s為極長余輝。一般的示波器配備中余輝示波管，高頻示波器選用短余輝，低頻示波器選用長余輝。在余輝效應的作用下，波形軌跡上每一點的亮度，和被轟擊的次數(shù)(頻度)成正比關(guān)系。因此，模擬實時示波器顯示的波形，不僅有時間和幅度的信息，還能以亮度等級表示信號出現(xiàn)概率的信息，非常有利于觀測。

但是在另一方面，熒光物質(zhì)發(fā)光的這一特性也帶來了一個問題：轟擊次數(shù)過少的軌跡的亮度會很低，甚至根本無法觀測到。所以模擬示波器比較適合于重復信號(如連續(xù)正弦波)或者有重復特性的信號(如模擬視頻信號)。而對單次信號(如單個脈沖或偶發(fā)故障)的觀測能力非常有限。

總結(jié)起來，模擬實時示波器有以下幾點主要優(yōu)點：實時性強、波形捕獲概率高、直觀的三維(時間、幅度和信號出現(xiàn)概率)顯示方式。缺點主要在于：無法存儲數(shù)據(jù)、分析能力有限、對低概率事件捕獲能力不足、觸發(fā)簡單、預觸發(fā)延時不足和帶寬提升困難(從前端放大器到CRT必須同時提升)等。隨著數(shù)字化運動的興起和越來越多的單次信號測量需求，模擬示波器這些缺點使其漸漸不再能滿足測試需求，所以從上世紀80年代開始，主流的示波器廠家均漸漸轉(zhuǎn)向數(shù)字示波器的研發(fā)和生產(chǎn)。

第一代數(shù)字示波器現(xiàn)在被稱為數(shù)字存儲示波器(DSO)，使用串行的工作結(jié)構(gòu)。原理框圖如下：

數(shù)字存儲示波器使用了ADC采樣的方式，所以被測的模擬波形最終可以以數(shù)據(jù)的格式存儲。當然，數(shù)字化的數(shù)據(jù)還可以方便地進行自動測量、頻譜分析、數(shù)學計算或者其它高級分析。所以數(shù)字示波器特別適于單次信號的采集和分析，這是一個很大的突破。

另外一方面，數(shù)字存儲示波器在ADC以后就是全數(shù)字化處理，所以帶寬的提升僅受限于可變增益的前置放大器帶寬和ADC的速率。隨著技術(shù)的進步，現(xiàn)在，泰克TDS6154C是業(yè)界真實模擬代寬最高的數(shù)字存儲示波器，達到12.5GHz(3dB)。由于超高高帶寬示波器系統(tǒng)設(shè)計中，寬帶放大器是其中的核心部分，目前的主流設(shè)計都采用每一個通道獨立的硬件放大器設(shè)計方法，這樣保證每一個通道的性能沒有限制。當每一個通道放大器的設(shè)計帶寬不足時，有些示波器通過DBI技術(shù)利用示波器每一個通道6GHZ的低帶寬放大器在不同的頻段“拼接”在一起，在某一個通道上達到超過6GHZ的帶寬，例如3個通道的6GHZ頻段“拼接”后達到18GHZ帶寬。從DBI技術(shù)實現(xiàn)的方法可以明顯看出它的優(yōu)點和相應的缺陷，最明顯的優(yōu)勢是利用多通道的低帶寬合并為單通道超過10GHZ的高帶寬，在示波器設(shè)計中成本最高的放大器和ADC均采用低速設(shè)計，非常有利于控制成本。由于DBI技術(shù)本質(zhì)上首先經(jīng)過將信號頻率分配到不同的通道，通過相對低速的ADC進行采樣，最后通過DSP技術(shù)將這些包含不同分量的頻率數(shù)字“拼接”，它會導致以下幾個限制。

1. 通道數(shù)限制：當使用不同通道時帶寬不同，3通道或4通道使用時僅僅提供6GHZ帶寬，ADC采樣率也有限制。

2. 頻譜“拼接”錯誤：從幅頻特性圖可以看出，每一個頻率“拼接”點都有明顯的非線性，當被測信號的頻譜分量在該區(qū)域時，示波器時域顯示的波形會出現(xiàn)波形失真。

3. 波形捕獲率低： 由于DBI技術(shù)需要軟件處理和“拼接”數(shù)字頻域的波形，數(shù)據(jù)量比較大時波形處理和顯示速度非常低。

4. 功能限制：當DBI打開時，雖然單通道帶寬和ADC提升，但是觸發(fā)系統(tǒng)的帶寬無法通過DBI技術(shù)提升，最大僅為800MHZ，另外示波器的外參考輸入，垂直靈敏度的精細調(diào)整等功能都會由于DBI打開而受限。

數(shù)字存儲示波器在觸發(fā)系統(tǒng)上也有很大的進步。從結(jié)構(gòu)框圖上可以看到，數(shù)字示波器的觸發(fā)系統(tǒng)是完全獨立的一個以模擬電路為主的電路。高性能的觸發(fā)系統(tǒng)好比是照相機的快門，可以幫助測試人員準確定位信號行為。針對各種特殊信號的特點，數(shù)字存儲示波器可配備毛刺觸發(fā)、欠幅脈沖觸發(fā)、過渡時間、通訊觸發(fā)、串行觸發(fā)、窗口觸發(fā)、狀態(tài)觸發(fā)、碼型出發(fā)和總線觸發(fā)等多種高級觸發(fā)模式。泰克的Pinpoint?觸發(fā)系統(tǒng)是當前全業(yè)界最先進的觸發(fā)系統(tǒng)，在邊沿觸發(fā)和高級觸發(fā)中使用完全的SiGe技術(shù)，所以觸發(fā)靈敏度都可到達到很高的水平，例如TDS6124C這款儀器，邊沿觸發(fā)和高級觸發(fā)的靈敏度都可以同時達到3div@9GHz。這個雙觸發(fā)系統(tǒng)輔以觸發(fā)延遲設(shè)置和觸發(fā)重置，幾乎可以不受限制地設(shè)置觸發(fā)模式。

數(shù)字存儲示波器有了這些特性，在帶寬性能可以遠高于較模擬實時示波器;在觸發(fā)和采樣的配合下，數(shù)字存儲示波器對單次信號(低重復概率信號)的捕獲能力有巨大提升;對于信號的測試和分析能力也今非昔比……但是，在增強了對單次信號的捕獲、分析能力以后，