示波器技術(shù)的發(fā)展和演變

泰克的511模擬實(shí)時(shí)示波器，標(biāo)志著商用示波器時(shí)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(shí)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(cè)試，所以只是一種定性觀測(cè)的工具。511首次在“示波器”這種測(cè)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(shí)基和垂直放大器以提供定量測(cè)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(shí)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(gè)基本的結(jié)構(gòu)框圖：

模擬實(shí)時(shí)示波器機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有信號(hào)的數(shù)字化、處理等過程。ART的所有信號(hào)調(diào)理、放大和顯示都由模擬器件完成，所以從信號(hào)進(jìn)入放大器(或探頭)到最后在CRT上顯示，幾乎是實(shí)時(shí)(延遲時(shí)間幾乎可以忽略)的。

但是，模擬示波器也有死區(qū)時(shí)間，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的信號(hào)是不能顯示在屏幕上的。這個(gè)死區(qū)時(shí)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(shí)間。所以，模擬示波器也不是能100%地捕獲信號(hào)。不同型號(hào)的模擬實(shí)時(shí)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(gè)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(huì)立即消失而要保留一段余輝時(shí)間。余輝時(shí)間10μsD1ms為短余輝，1msD0.1s為中余輝，0.1s-1s為長(zhǎng)余輝，大于1s為極長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)示波器顯示的波形，不僅有時(shí)間和幅度的信息，還能以亮度等級(jí)表示信號(hào)出現(xiàn)概率的信息，非常有利于觀測(cè)。

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(gè)問題：轟擊次數(shù)過少的軌跡的亮度會(huì)很低，甚至根本無法觀測(cè)到。所以模擬示波器比較適合于重復(fù)信號(hào)(如連續(xù)正弦波)或者有重復(fù)特性的信號(hào)(如模擬視頻信號(hào))。而對(duì)單次信號(hào)(如單個(gè)脈沖或偶發(fā)故障)的觀測(cè)能力非常有限。

總結(jié)起來，模擬實(shí)時(shí)示波器有以下幾點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性強(qiáng)、波形捕獲概率高、直觀的三維(時(shí)間、幅度和信號(hào)出現(xiàn)概率)顯示方式。缺點(diǎn)主要在于：無法存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、分析能力有限、對(duì)低概率事件捕獲能力不足、觸發(fā)簡(jiǎn)單、預(yù)觸發(fā)延時(shí)不足和帶寬提升困難(從前端放大器到CRT必須同時(shí)提升)等。隨著數(shù)字化運(yùn)動(dòng)的興起和越來越多的單次信號(hào)測(cè)量需求，模擬示波器這些缺點(diǎn)使其漸漸不再能滿足測(cè)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(shí)示波器，標(biāo)志著商用示波器時(shí)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(shí)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(cè)試，所以只是一種定性觀測(cè)的工具。511首次在“示波器”這種測(cè)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(shí)基和垂直放大器以提供定量測(cè)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(shí)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(gè)基本的結(jié)構(gòu)框圖：

模擬實(shí)時(shí)示波器機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有信號(hào)的數(shù)字化、處理等過程。ART的所有信號(hào)調(diào)理、放大和顯示都由模擬器件完成，所以從信號(hào)進(jìn)入放大器(或探頭)到最后在CRT上顯示，幾乎是實(shí)時(shí)(延遲時(shí)間幾乎可以忽略)的。

但是，模擬示波器也有死區(qū)時(shí)間，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的信號(hào)是不能顯示在屏幕上的。這個(gè)死區(qū)時(shí)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(shí)間。所以，模擬示波器也不是能100%地捕獲信號(hào)。不同型號(hào)的模擬實(shí)時(shí)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(gè)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(huì)立即消失而要保留一段余輝時(shí)間。余輝時(shí)間10μs—1ms為短余輝，1ms—0.1s為中余輝，0.1s-1s為長(zhǎng)余輝，大于1s為極長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)示波器顯示的波形，不僅有時(shí)間和幅度的信息，還能以亮度等級(jí)表示信號(hào)出現(xiàn)概率的信息，非常有利于觀測(cè)。

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(gè)問題：轟擊次數(shù)過少的軌跡的亮度會(huì)很低，甚至根本無法觀測(cè)到。所以模擬示波器比較適合于重復(fù)信號(hào)(如連續(xù)正弦波)或者有重復(fù)特性的信號(hào)(如模擬視頻信號(hào))。而對(duì)單次信號(hào)(如單個(gè)脈沖或偶發(fā)故障)的觀測(cè)能力非常有限。

總結(jié)起來，模擬實(shí)時(shí)示波器有以下幾點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性強(qiáng)、波形捕獲概率高、直觀的三維(時(shí)間、幅度和信號(hào)出現(xiàn)概率)顯示方式。缺點(diǎn)主要在于：無法存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、分析能力有限、對(duì)低概率事件捕獲能力不足、觸發(fā)簡(jiǎn)單、預(yù)觸發(fā)延時(shí)不足和帶寬提升困難(從前端放大器到CRT必須同時(shí)提升)等。隨著數(shù)字化運(yùn)動(dòng)的興起和越來越多的單次信號(hào)測(cè)量需求，模擬示波器這些缺點(diǎn)使其漸漸不再能滿足測(cè)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(chǔ)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(chǔ)示波器使用了ADC采樣的方式，所以被測(cè)的模擬波形最終可以以數(shù)據(jù)的格式存儲(chǔ)。當(dāng)然，數(shù)字化的數(shù)據(jù)還可以方便地進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量、頻譜分析、數(shù)學(xué)計(jì)算或者其它高級(jí)分析。所以數(shù)字示波器特別適于單次信號(hào)的采集和分析，這是一個(gè)很大的突破。

另外一方面，數(shù)字存儲(chǔ)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?cè)鲆娴那爸梅糯笃鲙捄虯DC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(chǔ)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(gè)通道獨(dú)立的硬件放大器設(shè)計(jì)方法，這樣保證每一個(gè)通道的性能沒有限制。當(dāng)每一個(gè)通道放大器的設(shè)計(jì)帶寬不足時(shí)，有些示波器通過DBI技術(shù)利用示波器每一個(gè)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(gè)通道上達(dá)到超過6GHZ的帶寬，例如3個(gè)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(shì)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(hào)頻率分配到不同的通道，通過相對(duì)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(huì)導(dǎo)致以下幾個(gè)限制。

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

2. 頻譜“拼接”錯(cuò)誤：從幅頻特性圖可以看出，每一個(gè)頻率“拼接”點(diǎn)都有明顯的非線性，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻譜分量在該區(qū)域時(shí)，示波器時(shí)域顯示的波形會(huì)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(shí)波形處理和顯示速度非常低。

4. 功能限制：當(dāng)DBI打開時(shí)，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(huì)由于DBI打開而受限。

數(shù)字存儲(chǔ)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(gè)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(cè)試人員準(zhǔn)確定位信號(hào)行為。針對(duì)各種特殊信號(hào)的特點(diǎn)，數(shù)字存儲(chǔ)示波器可配備毛刺觸發(fā)、欠幅脈沖觸發(fā)、過渡時(shí)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(jí)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(jí)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(jí)觸發(fā)的靈敏度都可以同時(shí)達(dá)到3div@9GHz。這個(gè)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(chǔ)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(shí)示波器;在觸發(fā)和采樣的配合下，數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)單次信號(hào)(低重復(fù)概率信號(hào))的捕獲能力有巨大提升;對(duì)于信號(hào)的測(cè)試和分析能力也今非昔比……但是，在增強(qiáng)了對(duì)單次信號(hào)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(chǔ)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(hào)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(duì)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(dòng)模式下工作流程略有不同，這里不做詳細(xì)描述)。在這個(gè)過程中：從信號(hào)調(diào)理、觸發(fā)監(jiān)控到ADC采樣，幾乎是實(shí)時(shí)的，不會(huì)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(huì)因?yàn)槭静ㄆ鞯臉?gòu)架不同而影響其實(shí)時(shí)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(huì)在每秒數(shù)十吉(GS/s)，沒有任何一個(gè)通用的微處理器可以實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)間”，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)發(fā)生的事件，是不會(huì)顯示在屏幕上的。為了衡量數(shù)字存儲(chǔ)示波器的死區(qū)時(shí)間占到總觀測(cè)工作時(shí)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(gè)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(chǔ)示波器，大概波形捕獲率在8000次左右，其捕獲波形的總體時(shí)間大約占到總觀測(cè)時(shí)間的1～2%，也就是說：全部信號(hào)的98%以上的細(xì)節(jié)，因示波器的死區(qū)時(shí)間而漏失掉了。

每個(gè)工程師都相信儀器提供了正確的信息，但很少有工程師會(huì)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(gè)例子，如果您觀測(cè)的信號(hào)里存在一種平均1秒發(fā)生一次的故障，那么數(shù)字存儲(chǔ)示波器1秒內(nèi)發(fā)現(xiàn)這個(gè)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(shí)間緊迫，一般工程師觀測(cè)一個(gè)信號(hào)的時(shí)間都不會(huì)超過10秒——結(jié)果，您只有不到1/4的幾率能夠捕獲這個(gè)故障并進(jìn)行有效調(diào)試。

幾乎所有的示波器廠商都意識(shí)到數(shù)字存儲(chǔ)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(shí)使用兩對(duì)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(gè)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(shí)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(chǔ)、光柵化和統(tǒng)計(jì)處理以生成三維數(shù)據(jù)庫(kù)。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(chǔ)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(shí)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(hào)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(shí)熒光示波器” 的最高1.25G實(shí)時(shí)采樣率的限制，而是可以工作在任何采樣率下，對(duì)信號(hào)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(jí)示波器同時(shí)觀測(cè)一個(gè)帶有偶發(fā)故障(約一秒鐘發(fā)生一次)的時(shí)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(shí)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(kù)在顯示上也有巨大優(yōu)勢(shì)。這種由硬件緩沖器記錄的數(shù)據(jù)庫(kù)可以保存波形的幅度、時(shí)間和隨時(shí)間變化的幅度(即各點(diǎn)信號(hào)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(kù)。由此三位數(shù)據(jù)庫(kù)生成的顯示波形，可以以色溫、光譜、亮度等級(jí)等方式，同時(shí)告知用戶幅度、時(shí)間和信號(hào)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(duì)重復(fù)信號(hào)和有重復(fù)特性的信號(hào)(如數(shù)字信號(hào)、串行通信信號(hào))的捕獲和觀測(cè)能力大大超越傳統(tǒng)數(shù)字存儲(chǔ)示波器，能顯著提高調(diào)試和驗(yàn)證的效率。同時(shí)，數(shù)字熒光示波器也具有數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)于單次捕獲信號(hào)的全部分析能力。而且，由于其構(gòu)架的優(yōu)勢(shì)，數(shù)字熒光示波器在測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試速度以及測(cè)試精度上都全面領(lǐng)先于數(shù)字存儲(chǔ)示波器。