示波器技術(shù)的發(fā)展和演變

泰克的511模擬實(shí)時示波器，標(biāo)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(zhǔn)的時基、垂直刻度，不能提供穩(wěn)定的顯示波形，也不能進(jìn)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(zhǔn)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(shí)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(shí)時示波器機(jī)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(jìn)入放大器(或探頭)到最后在CRT上顯示，幾乎是實(shí)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(shí)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(dá)50萬次/秒。這是一個非常好的指標(biāo)。

再來看模擬示波器顯示的方式DDCRT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(dāng)電子束停止轟擊后，亮點(diǎn)不會立即消失而要保留一段余輝時間。余輝時間10μsD1ms為短余輝，1msD0.1s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(yīng)的作用下，波形軌跡上每一點(diǎn)的亮度，和被轟擊的次數(shù)(頻度)成正比關(guān)系。因此，模擬實(shí)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(fù)信號(如連續(xù)正弦波)或者有重復(fù)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(shí)時示波器有以下幾點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時性強(qiáng)、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(diǎn)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(yù)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(yùn)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(diǎn)使其漸漸不再能滿足測試需求，所以從上世紀(jì)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(shí)時示波器，標(biāo)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(zhǔn)的時基、垂直刻度，不能提供穩(wěn)定的顯示波形，也不能進(jìn)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(zhǔn)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(shí)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(shí)時示波器機(jī)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(jìn)入放大器(或探頭)到最后在CRT上顯示，幾乎是實(shí)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(shí)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(dá)50萬次/秒。這是一個非常好的指標(biāo)。

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(dāng)電子束停止轟擊后，亮點(diǎn)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(yīng)的作用下，波形軌跡上每一點(diǎn)的亮度，和被轟擊的次數(shù)(頻度)成正比關(guān)系。因此，模擬實(shí)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(fù)信號(如連續(xù)正弦波)或者有重復(fù)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(shí)時示波器有以下幾點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時性強(qiáng)、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(diǎn)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(yù)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(yùn)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(diǎn)使其漸漸不再能滿足測試需求，所以從上世紀(jì)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(dāng)然，數(shù)字化的數(shù)據(jù)還可以方便地進(jìn)行自動測量、頻譜分析、數(shù)學(xué)計(jì)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(jìn)步，現(xiàn)在，泰克TDS6154C是業(yè)界真實(shí)模擬代寬最高的數(shù)字存儲示波器，達(dá)到12.5GHz(3dB)。由于超高高帶寬示波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，寬帶放大器是其中的核心部分，目前的主流設(shè)計(jì)都采用每一個通道獨(dú)立的硬件放大器設(shè)計(jì)方法，這樣保證每一個通道的性能沒有限制。當(dāng)每一個通道放大器的設(shè)計(jì)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(dá)到超過6GHZ的帶寬，例如3個通道的6GHZ頻段“拼接”后達(dá)到18GHZ帶寬。從DBI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方法可以明顯看出它的優(yōu)點(diǎn)和相應(yīng)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(jì)中成本最高的放大器和ADC均采用低速設(shè)計(jì)，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(jìn)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(dǎo)致以下幾個限制。

1. 通道數(shù)限制：當(dāng)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(diǎn)都有明顯的非線性，當(dāng)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(dāng)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(xì)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(jìn)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(dú)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(jī)的快門，可以幫助測試人員準(zhǔn)確定位信號行為。針對各種特殊信號的特點(diǎn)，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(dāng)前全業(yè)界最先進(jìn)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(dá)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(dá)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(yuǎn)高于較模擬實(shí)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(fù)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(qiáng)了對單次信號的捕獲、分析能力以后，也引入了難以避免的弱點(diǎn)，這主要體現(xiàn)在波形捕獲率和單調(diào)的顯示能力上。以下我們來說明一下這些弱點(diǎn)：

數(shù)字存儲示波器的結(jié)構(gòu)上已經(jīng)決定，它必然工作在一種串行模式下——信號經(jīng)過調(diào)理，進(jìn)入ADC采樣;ADC的采樣數(shù)據(jù)在觸發(fā)系統(tǒng)的控制下送入采集內(nèi)存;采集內(nèi)存存滿以后，波形數(shù)據(jù)被送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng);微處理器根據(jù)用戶需求，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算、分析;最后波形和分析結(jié)果被顯示在顯示器上(滾動模式下工作流程略有不同，這里不做詳細(xì)描述)。在這個過程中：從信號調(diào)理、觸發(fā)監(jiān)控到ADC采樣，幾乎是實(shí)時的，不會影響工作效率;而數(shù)據(jù)從采集內(nèi)存?zhèn)鞯接?jì)算機(jī)系統(tǒng)、微處理器的處理、計(jì)算過程、最終的顯示，都會因?yàn)槭静ㄆ鞯臉?gòu)架不同而影響其實(shí)時性。其中最關(guān)鍵的部分是微處理器的處理過程。我們都知道，流行的示波器采樣率都會在每秒數(shù)十吉(GS/s)，沒有任何一個通用的微處理器可以實(shí)時處理這樣的數(shù)據(jù)流，所以示波器微處理器的處理方式只能是“抓取一段、慢慢處理、控制顯示”，然后重復(fù)。這樣，在其“慢慢處理”的時間中，示波器將不能監(jiān)視波形，這也就是我們所說的“死區(qū)時間”，在死區(qū)時間內(nèi)發(fā)生的事件，是不會顯示在屏幕上的。為了衡量數(shù)字存儲示波器的死區(qū)時間占到總觀測工作時間的比例，我們引入“波形捕獲率”的概念，也就是示波器可以連續(xù)提供的每秒種內(nèi)捕獲并顯示的波形個數(shù)。此處的“波形”指一次觸發(fā)采集的全部信息。試驗(yàn)證明，業(yè)界波形捕獲率最高的高性能(帶寬1GHz以上)數(shù)字存儲示波器，大概波形捕獲率在8000次左右，其捕獲波形的總體時間大約占到總觀測時間的1～2%，也就是說：全部信號的98%以上的細(xì)節(jié)，因示波器的死區(qū)時間而漏失掉了。

每個工程師都相信儀器提供了正確的信息，但很少有工程師會考慮到自己正在使用的示波器只能提供如此之少的波形細(xì)節(jié)——舉個例子，如果您觀測的信號里存在一種平均1秒發(fā)生一次的故障，那么數(shù)字存儲示波器1秒內(nèi)發(fā)現(xiàn)這個故障的概率只有不到2%，15秒內(nèi)發(fā)現(xiàn)的概率也只有大約26%。而事實(shí)上，由于開發(fā)時間緊迫，一般工程師觀測一個信號的時間都不會超過10秒——結(jié)果，您只有不到1/4的幾率能夠捕獲這個故障并進(jìn)行有效調(diào)試。

幾乎所有的示波器廠商都意識到數(shù)字存儲示波器波形捕獲率低這種缺陷，并且開發(fā)出了很多提高示波器速度的方法。但是，無論在數(shù)據(jù)從采集內(nèi)存?zhèn)鞯轿⑻幚砥鲿r使用兩對1.25Gbps的千兆以太網(wǎng)鏈路的構(gòu)架，還是在顯示上采用顯示局部和抽點(diǎn)顯示的加速技術(shù)，都未能從最根本的問題上解決吞吐率的問題——串行的構(gòu)架中，微處理器是速度的瓶頸，只有完全改變串行結(jié)構(gòu)、解放微處理器，才是解決問題的關(guān)鍵。

在這個方面，泰克公司走在了行業(yè)的最前面，從一開始就著手于串行構(gòu)架的改造。從上世紀(jì)90年代中期的InstaVu?到2006年初的實(shí)時DPO，基于并行構(gòu)架的第三代示波器：數(shù)字熒光示波器，從出現(xiàn)逐漸走向成熟。下圖是DPO數(shù)字熒光示波器的結(jié)構(gòu)圖：

從結(jié)構(gòu)可以看出，DPO數(shù)字熒光示波器的并行處理核心是DPX并行成像處理芯片。DPX完成了采集數(shù)據(jù)的存儲、光柵化和統(tǒng)計(jì)處理以生成三維數(shù)據(jù)庫。并且能把光柵化的波形圖像信息直接導(dǎo)入顯存。在這種構(gòu)架中，微處理器僅僅做顯示控制等工作，不再在數(shù)據(jù)處理過程中充當(dāng)瓶頸。

DPO數(shù)字熒光示波器的并行結(jié)構(gòu)從根本上解決了DSO數(shù)字存儲示波器波形捕獲率低、波形漏失嚴(yán)重的缺陷。DPO7000、DPO70000系列實(shí)時數(shù)字熒光示波器的波形捕獲率可以達(dá)到250000wfm/s，DPO71000、DPO72000系列超高性能數(shù)字熒光示波器更可超過300000wfm/s，捕獲波形占總體信號的比例也最高可達(dá)60%(連續(xù)提供);而且新一代的DPX采集也沒有了上一代“準(zhǔn)實(shí)時熒光示波器” 的最高1.25G實(shí)時采樣率的限制，而是可以工作在任何采樣率下，對信號的捕獲能力進(jìn)一步增強(qiáng)，是現(xiàn)在業(yè)界發(fā)現(xiàn)問題的最佳工具。下圖是三家不同廠商的同等級示波器同時觀測一個帶有偶發(fā)故障(約一秒鐘發(fā)生一次)的時鐘，15秒以后的情況?？梢钥吹?，在前面兩種示波器幾乎沒有發(fā)現(xiàn)任何問題的時候，泰克的數(shù)字熒光示波器(右圖)卻捕獲到了此間發(fā)生的多次故障，差別一目了然。

DPX生成三位數(shù)據(jù)庫在顯示上也有巨大優(yōu)勢。這種由硬件緩沖器記錄的數(shù)據(jù)庫可以保存波形的幅度、時間和隨時間變化的幅度(即各點(diǎn)信號出現(xiàn)的頻度)信息，無論在累計(jì)速度還是緩沖器深度(每點(diǎn)26bit)上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它廠商的軟件生成的數(shù)據(jù)庫。由此三位數(shù)據(jù)庫生成的顯示波形，可以以色溫、光譜、亮度等級等方式，同時告知用戶幅度、時間和信號出現(xiàn)的概率信息，效果非常類似模擬示波器。

數(shù)字熒光示波器，擁有和模擬示波器相當(dāng)?shù)牟ㄐ尾东@率和顯示方式，對重復(fù)信號和有重復(fù)特性的信號(如數(shù)字信號、串行通信信號)的捕獲和觀測能力大大超越傳統(tǒng)數(shù)字存儲示波器，能顯著提高調(diào)試和驗(yàn)證的效率。同時，數(shù)字熒光示波器也具有數(shù)字存儲示波器對于單次捕獲信號的全部分析能力。而且，由于其構(gòu)架的優(yōu)勢，數(shù)字熒光示波器在測試項(xiàng)目、測試速度以及測試精度上都全面領(lǐng)先于數(shù)字存儲示波器。