示波器发展过程

示波器是一种图形显示设备，它描绘电信号的波形曲线。这一简单的波形能够说明信号的许多特性：信号的时间和电压值、振荡信号的频率、信号所代表电路中“变化部分”信号的特定部分相对于其它部分的发生频率、是否存在故障部件使信号产生失真、信号的直流成份(DC)和交流成份(AC)、信号的噪声值和噪声随时间变化的情况、比较多个波形信号等。

初期主要为模拟示波器

廿世纪四十年代是电子示波器兴起的时代，雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具，泰克成功开发带宽10MHz的同步示波器，这是近代示波器的基础。五十年代半导体和电子计算机的问世，促进电子示波器的带宽达到100MHz。六十年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献，出现带宽6GHz的取样示波器、带宽4GHz的行波示波管、1GHz的存储示波管；便携式、插件式示波器成为系列产品。七十年代模拟式电子示波器达到高峰，行谱系列非常完整，带宽1GHz的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器，英国和法国甚至退出示波器市场，技术以美国领先，中低档产品由日本生产。

模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和预前触发能力。廿世纪八十年代数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器逐渐从前台退到后台。

但是在发展初期模拟示波器的某些特点，却是数字示波器当时所不具备的：

○操作简单：全部操作都在面板上可以找到，波形反应及时，数字示波器往往要较长处理时间。

○垂直分辨率高：连续而且无限级，数字示波器分辨率一般只有8位至10位。

○数据更新快：每秒捕捉几十万个波形，数字示波器每秒捕捉几十个波形。

○实时带宽和实时显示：连续波形与单次波形的带宽相同，数字示波器的带宽与取样率密切相关，取样率不高时需借助内插计算，容易出现混淆波形。

简而言之，模拟示波器为工程技术人员提供眼见为实的波形，在规定的带宽内可非常放心进行测试。人类五官中眼睛视觉神经十分灵敏，屏幕波形瞬间反映至大脑作出判断，细微变化都可感知。因此，刚开始模拟示波器深受使用者的欢迎。

模数组合示波器(MCO)：模拟示波器要有数字示波器的功能

模拟示波器发展到一定阶段，人们发现他有很多缺陷，而且已经到了发展的瓶颈，这些缺陷都很难得到改善，例如，模拟示波器不能存储，带宽受硬件限制不能达到更高，观察低频、慢速信号存在缺陷，单次、瞬变等信号根本无法观测等等。这时数字示波器正在兴起，数字示波器可以弥补模拟示波器的很多缺陷，数字示波器可以存储波形和数据，而且测量方便，并且大大增加了可测量信号的范围，对于探测未知信号非常有用，基于以上情况，人们想要模拟示波器有数字示波器的功能，便产生了模数组合示波器。

模数组合示波器是模拟示波器与数字示波器的完美组合，它为更好地观察各种信号提供了更好的诊断工具，只要按一下按钮，便可以在模拟示波器和数字示波器之间自由转换。模拟示波器的无限分辨率和瞬间更新速率，数字示波器强大的分析和测试功能现在在一台模数组合示波器中就可以获得。

例如，德国惠美公司生产的HM2008、HM1008，200MHz、100MHz的模数组合示波器，这款模数组合示波器的功能比较强大，1GS/s的采样率，每通道1Mbytes的存储深度，多种采样模式，丰富的接口，如RS232、USB、LAN、GPIB等，另外还具有元件测试功能，可以进行ASA测试。这种仪器是继承了模拟示波器的CRT示波管显示，加入丰富的数字示波器的功能，即为模数混合。

中期数字示波器独领风骚

八十年代的数字示波器处在转型阶段，还有不少地方要改进，美国的TEK公司和HP公司都对数字示波器的发展作出贡献。它们后来停产模拟示波器，并且只生产性能好的数字示波器。进入九十年代，数字示波器除了提高带宽到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器，尤其在新世纪，数字示波器功能大大加强，带宽已经上升到20GHz。出现所谓数字示波器模拟化的现象，换句话说，尽量吸收模拟示波器的优点，使数字示波器更好用。

数字示波器首先在取样率上提高，从最初取样率等于两倍带宽，提高至五倍甚至十倍，相应对正弦波取样引入的失真也从100%降低至3%甚至1%。带宽1GHz的取样率就是5GS/s，甚至10GS/s。

其次，提高数字示波器的更新率，达到模拟示波器相同水平，最高可达每秒40万个波形，使观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲的能力大为增强。

再次，采用多处理器加快信号处理能力，从多重菜单的烦琐测量参数调节，改进为简单的旋钮调节，甚至完全自动测量，使用上与模拟示波器同样方便。

最后，数字示波器与模拟示波器一样具有屏幕的余辉方式显示，赋于波形的三维状态，即显示出信号的幅值、时间以及幅值在时间上的分布。具有这种功能的数字示波器称为数字荧光示波器或数字余辉示波器即数模兼合。

数字示波器要有模拟功能

模拟示波器用阴极射线管显示波形，示波管的带宽与模拟示波器的相同，亦即示波管内电子运动速度与信号频率成正比，信号频率越高电子速度越快，示波管屏幕的亮度与电子束的速度成反比，低频波形的亮度高，高频波形的亮度低。利用荧光屏幕的亮度或灰度容易获得信号的第三维信息，如用屏幕垂直轴表示幅度，水平轴表示时间，则屏幕亮度可表示信号幅度随时间分布的变化。这种与时间有关的荧光余辉（灰度定标）效应对观察混合波形和偶发波形十分有效，模数组合示波器（又称模拟存储示波器）就是这种专用示波器的代表产品，最高的性能达1GHz带宽，可记录到1ns左右的快速瞬变偶发事件。

数字示波器缺少余辉显示功能,因为它是数字处理，只有两个状态，非高即低，原则上波形也是“有”和“无”两个显示。为达到模拟示波器那样的多层次亮度变化，必须采用专用图象处理芯片，例如TEK公司采用DPX型处理器芯片，具有数据采集、图象处理和存储等多项功能，DPX芯片由130万个晶体管组成，采用0.65μm的CMOS工艺，并行流水结构，取样率高。它既是数据采集芯片，同时也是光栅扫描器，模拟示波管屏幕荧光体的发光特性，用16级亮度分级，将波形存储在500×200像素的LCD单色或彩色显示屏上，每1/30秒更新一次。由于模拟存储示波器只能依靠照相底片记录波形，对数据保存并不方便，而数字荧光示波器是数字处理的显示，数据记录、处理、保存都十分方便。例如用红色表示出现几率最高的波形，兰色表示出现几率最低的波形，达到一目了然。由于数字示波器已经达到10GHz以上带宽的水平，配合荧光显示特性，总的性能优于模拟存储示波器。

数字荧光示波器：数模兼合

数字荧光示波器（DPO）为示波器系列增加了一种新的类型，能实时显示、存贮和分析复杂信号的三维信号信息：幅度、时间和整个时间的幅度分布。

DSO采用串行处理的体系结构捕获、显示和分析信号；相对而言，DPO为完成这些功能采用的是并行体系结构，如图一、二所示。并行结构和基于ASIC硬件的处理技术，使数字荧光示波器能够捕捉到当今复杂的动态信号中的全部细节和异常情况，并以人类的眼睛的接受速度显示出来。前面我们介绍过模数组合示波器，可以说他是用数字示波器来弥补模拟示波器的不足，在模拟示波器中附加了数字示波器的功能。而数字荧光示波器是用数字示波器来实现模拟示波器中比较好的方面，比如达到模拟示波器的显示效果，弥补数字示波器的不足，这就需要提高数字示波器的处理速度，提高波形捕获率，达到模拟示波器的显示效果，所以数字荧光示波器拥有更高的技术含量。

普通数字示波器要观察偶发事件需要使用长时间记录，然后作信号处理，这种办法会漏掉非周期性出现的信号和不能显示出信号的动态特性。数字荧光示波器能够显示复杂波形中的微细差别，以及出现的频繁程度。例如观察电视信号，既有行扫描、帧扫描、视频信号和伴音信号，还要记录电视信号中的异常现象，对于专业人员和维修人员都是同样重要的。

例如泰克公司的TDS3000B系列数字荧光示波器提供多种测试模块，可以从前面板右上角插入六种模块。例如触发模块可作逻辑状态、逻辑图形触发，以及脉冲参数（上升、下降沿、宽度、周期等）；电视模块专用于多种制式的（NTSC、PAL和SECAM）波形记录；快速傅里叶变换（FFT）模块可快速显示信号的频率成分和频谱分布，既可分析脉冲响应，亦可分析谐波分布，并且识别和定位噪声和干扰来源。还有高级分析模块和极限测试模块。同时国内一些增值供应商根据用户的使用环境，开发出符合中国人习惯的应用软件平台。例如海洋的OIscope系列。

TDS3000系列示波器是便携式的，重量不到7磅，可由电池供电，特别适于现场使用。

图一：数字存储示波器（ DSO ）串行结构

图二：数字荧光示波器（ DPO ）并行结构

混合信号示波器（MSO）：示波器带有逻辑分析仪的功能

如今，随着工程师的研发方向已经从纯模拟电路转向数字/模拟混合电路，如嵌入式系统等等，所以工程师们不得不寻找数字电路的调试工具。逻辑分析仪是一种非常好的数字电路调试工具，但是大多数逻辑分析仪操作比较麻烦，价格比较昂贵，而且只能观察纯数字信号，所以许多示波器厂商纷纷推出了混合信号示波器（MSO）。所谓混合信号示波器是示波器与逻辑分析仪的混合，可以像操作示波器一样操作逻辑分析仪，在示波器原有的两个或四个模拟通道上，附加了16个逻辑通道，这种混合是被测信号中模拟信号和数字信号的混合，这样就可以在同一台设备上观察模拟信号和数字信号的相关性，而且弥补多通道示波器的空白。

例如，泰克公司推出了MSO4000系列混合信号示波器，这台示波器集众家之所长，继承原有DPO4000的数字荧光示波器的高采样率，10M存储深度，串行总线分析等功能，另外，附加了并行总线分析，观察时钟数据/非时钟数据等功能，可以同时观察4条总线信号，可以是串行总线也可以是并行总线，每通道独立的域值设定，多通道的建立/保持违规触发等等，是一种非常方便的嵌入式系统的调试工具。

虽然混合信号示波器（MSO）有逻辑分析仪的功能，但是他还是一种示波器，从界面到操作使用都与一般数字示波器一致，这样不会给使用者的使用带来负担，另外，可以在一台仪器上同时观察四种总线，包括串行总线和并行总线，这样对于多总线的系统的调试是非常有用的。

多通道隔离示波器：超乎寻常?

2004年6月，美国泰克公司在原用通道隔离技术的基础上，创纪录的推出四通道隔离示波器。传统的悬浮隔离测试对用户提出很多挑战，以前在面对浮地测试时，使用者一般只从安全角度出发，采用隔离变压器从仪器后端解决测试问题；更有甚者认为“人为”剪断变压器地线或把示波器悬在高空进行测试，真正的“悬浮”测试。后来由于示波器探头技术的发展，出现光电转换隔离差分探头，从前端上解决悬浮问题，方便了使用者使用并且保证了共模差分精度。但是差分探头在多通道的使用上成本变高，并且不同探头之间出现“时滞”，差分探头的频率不能上升，现在最高只到100MHz，在测量悬浮电压与电流关系时更为困难。这样的通道隔离示波器解决了以上问题。并且泰克2004年8月推出TPS2000B系列隔离式示波器，隔离通道高达4个通道，开创了悬浮测试的先河。采用创新的IsolatedChannelTM技术和高速DRT取样，使测量既安全又快速。同时使用TDS2PWR1功率测量应用软件，针对电力电子、电源测试行业又有了一种全新的武器：瞬时功率波形分析、谐波分析、开关损耗、相角等。

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