淺談模擬示波器與數(shù)字示波器的異同

　　廿世紀(jì)四十年代是電子示波器興起的時(shí)代，雷達(dá)和電視的開發(fā)需要性能良好的波形觀察工具，帶寬100MHz的同步示波器開發(fā)成功，這是近代示波器的基礎(chǔ)。五十年代半導(dǎo)體和電子計(jì)算機(jī)的問世，促進(jìn)電子示波器的帶寬達(dá)到100MHz。六十年代美國、日本、英國、法國在電子示波器開發(fā)方面各有不同的貢獻(xiàn)，出現(xiàn)帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬6GHz的多功能插件式示波器標(biāo)志著當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的高水平，為測試數(shù)字電路又增添邏輯示波器和數(shù)字波形記錄器。模擬示波器從此沒有更大的進(jìn)展，開始讓位于數(shù)字示波器，英國和法國甚至退出示波器市場，技術(shù)以美國領(lǐng)先，中低檔產(chǎn)品由日本生產(chǎn)。

　　模擬示波器要提高帶寬，需要示波管、垂直放大和水平掃描全面推進(jìn)。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能，對(duì)示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲(chǔ)和處理，以及多種觸發(fā)和超前觸發(fā)能力。廿世紀(jì)八十年代數(shù)字示波器異軍突起，成果累累，大有全面取代模擬示波器之勢，模擬示波器的確從前臺(tái)退到后臺(tái)。

　　但是模擬示波器的某些特點(diǎn)，卻是數(shù)字示波器所不具備的：

　　操作簡單——全部操作都在面板上，波形反應(yīng)及時(shí)，數(shù)字示波器往往要較長處理時(shí)間。

　　垂直分辨率高——連續(xù)而且無限級(jí)，數(shù)字示波器分辨率一般只有8位至10位。

　　數(shù)據(jù)更新快——每秒捕捉幾十萬波形，數(shù)字示波器每秒捕捉幾十個(gè)波形。

　　實(shí)時(shí)帶寬和實(shí)時(shí)顯示——連續(xù)波形與單次波形的帶寬相同，數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān)，取樣率不高時(shí)需借助內(nèi)插計(jì)算，容易出現(xiàn)混淆波形。

　　簡而言之，模擬示波器為工程技術(shù)人員提供眼見為實(shí)的波形，在規(guī)定的帶寬內(nèi)可非常放心進(jìn)行測試。人類五官中眼睛視覺十分靈敏，屏幕波形瞬間反映至大腦作出判斷，微細(xì)變化都可感知。因此，模擬示波器深受使用者的歡迎。

　　二、數(shù)字示波器獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷

　　八十年代的數(shù)字示波器處在轉(zhuǎn)型階段，還有不少地方要改進(jìn)，美國的TEK公司和HP公司都對(duì)數(shù)字示波器的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。它們后來甚至停產(chǎn)模擬示波器，并且只生產(chǎn)性能好的數(shù)字示波器。進(jìn)入九十年代，數(shù)字示波器除了提高帶寬到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模擬示波器。出現(xiàn)所謂數(shù)字示波器模擬化的現(xiàn)象，換句話說，盡量吸收模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)字示波器更好用。

　　數(shù)字示波器首先在取樣率上提高，從最初取樣率等于兩倍帶寬，提高至五倍甚至十倍，相應(yīng)對(duì)正弦波取樣引入的失真也從100%降低至3%甚至1%。帶寬1GHz的取樣率就是5GHz，甚至10GHz。

　　其次，提高數(shù)字示波器的更新率，達(dá)到模擬示波器相同的水平，最高可達(dá)每秒40萬個(gè)波形，對(duì)觀察偶發(fā)信號(hào)和捕捉毛刺脈沖就方便多了。

再次，采用多處理器加快信號(hào)處理能力，從多重菜單的煩瑣測量參數(shù)調(diào)節(jié)，改進(jìn)為簡單的旋鈕調(diào)節(jié)，甚至完全自動(dòng)測量，使用上與模擬示波器同樣方便。

　　最后，數(shù)字示波器與模擬示波器一樣具有屏幕的余輝方式顯示，賦于波形的三維狀態(tài)，即顯示出信號(hào)的幅值、時(shí)間以及幅值在時(shí)間上的分布。具有這種功能的數(shù)字示波器稱為數(shù)字熒光示波器或數(shù)字余輝示波器。

　　三、數(shù)字示波器要有模擬功能

　　模擬示波器用陰極射線示波管顯示波形，示波管的帶寬與模擬示波器的相同，亦即示波管內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)速度與信號(hào)頻率成正比，信號(hào)頻率越高電子速度越快，示波管屏幕的亮度與電子束的速度成反比，低頻波形的高度高，高頻波形的高度低。利用熒光屏的亮度或灰度容易獲得信號(hào)的第三維信息，如用屏幕垂直軸表示幅度，水平軸表示時(shí)間，則屏幕亮度可表示信號(hào)幅度隨時(shí)間分布的變化。這種與時(shí)間有關(guān)的熒光余輝（灰度定標(biāo)）效應(yīng)對(duì)觀察混合波形和偶發(fā)波形十分有效。模擬存儲(chǔ)示波器就是這種專用示波器的代表產(chǎn)品，最高的性能達(dá)到800MHz帶寬，可記錄到1ns左右的快速瞬變偶發(fā)事件。

　　數(shù)字示波器缺少余輝顯示功能，因?yàn)樗菙?shù)字處理，只有兩個(gè)狀態(tài)，非高即低，原則上波形也是“有”和“無”兩個(gè)顯示。為達(dá)到模擬示波器那樣的多層次亮度變化，必需采用專用圖像處理芯片，例如TEK公司采用DPX型處理器芯片，具有數(shù)據(jù)采集、圖像處理和存儲(chǔ)等多項(xiàng)功能，DPX芯片由130萬個(gè)晶體管組成，采用0.65um的CMOS工藝，并行流水結(jié)構(gòu)，取樣率2GS/s。它既是數(shù)據(jù)采集芯片，同時(shí)也是光柵掃描器，模擬示波管屏幕熒光體的發(fā)光特性，用16級(jí)亮度分級(jí)，將波形存儲(chǔ)在500*200像素的LCD單色或彩色顯示屏上，每0.33秒更新一次。由于模擬存儲(chǔ)示波器只能依靠照相底片記錄波形，對(duì)數(shù)據(jù)保存并不十分方便。例如用紅色表示出現(xiàn)機(jī)率最高的波形，蘭色表示出現(xiàn)機(jī)率最低的波形，達(dá)到一目了然。由于數(shù)字示波器已經(jīng)達(dá)到1GHz帶寬的水平，配合熒光顯示特性，總的性能優(yōu)于模擬存儲(chǔ)示波器。

　　四、數(shù)字熒光示器

　　去年著名電子示波器制造商TEK公司首先推出數(shù)字熒光示波器兩種系列TDS500（單色）和TDS700（彩色），具有500MHz-2GHz帶寬，取樣率最高2GHz，最多4通道輸入，屬于中高檔數(shù)字示波器，價(jià)位在10，000美元以上。今年生產(chǎn)一種TDS3000系列數(shù)字熒光示波器，起價(jià)只3，000美元，帶寬500MHz，取樣率最高5GS/s，受到用戶的歡迎。另一家專門生產(chǎn)數(shù)字示波器的LeCroy公司，今年也推出一種數(shù)字余輝示波器，名稱雖有別于數(shù)字熒光示波器，它們的功能實(shí)際上是相同的。Waverunner系列的帶寬500MHz，取樣率500MS/s，最多4通道輸入，起價(jià)5，999美元。

　　以下較詳細(xì)介紹這兩種系列數(shù)字示波器的特點(diǎn)：

　　普通數(shù)字示波器要觀察偶發(fā)事件需要使用長時(shí)間記錄，然后作信號(hào)處理，這種辦法會(huì)漏掉非周期性出現(xiàn)的信號(hào)和不能顯示信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性。數(shù)字熒光示波器能夠顯示復(fù)雜波形中的微細(xì)差別，以及出現(xiàn)的頻繁程度。例如觀察電視信號(hào)，既有行掃描、幀掃描、視頻信號(hào)和伴音信號(hào)，還要記錄電視信號(hào)中的異?，F(xiàn)象，對(duì)于專業(yè)人員和維修人員都是同樣重要的。

　　TEK公司的TDS3000數(shù)字熒光示波器提供多種測試模塊，可以從前面板右上角插入四種模塊。例如觸發(fā)模塊可作邏輯狀態(tài)、邏輯圖形觸發(fā)，以及脈沖參數(shù)（上升、下降邊，寬度、周期等）；電視模塊專用于多種制式的（NTCS、PAL和SECAM）波形記錄；快速傅里葉變換（FFT）模塊可快速顯示信號(hào)的頻率成分和頻譜分布，既可分析脈沖響應(yīng)，亦可分析諧波分布，并且識(shí)別和定位噪聲和干擾來源。TDS3000系列示波器是便攜式的，重量不到7磅，可由電池供電，特別適于現(xiàn)場使用。

　　LeCroy公司的Waverunner系列數(shù)字余輝示波器的余輝時(shí)間常數(shù)是可以改變的，因此在使用上與模擬存儲(chǔ)示波器非常相似。它的抖動(dòng)和定時(shí)分析（JTA）軟件包可對(duì)屏幕顯示的信號(hào)作定量分析，例如，經(jīng)過數(shù)字處理后可在脈沖抖動(dòng)的波形下面劃出亮線，亮線長度表示抖動(dòng)范圍，最亮部分表示最常出現(xiàn)的抖動(dòng)區(qū)。積累波形數(shù)目達(dá)10萬個(gè)，結(jié)果可繪制成直方圖。

　　Waverunner示波器還有兩種測試用軟件包：數(shù)字和測量軟件包，波形分析軟件包。前者可自動(dòng)測量和分析40種常用參數(shù)（如脈沖上升、下降時(shí)間，最大、最小值，偏差值等），預(yù)測某種參數(shù)的趨勢（如測量IC的傳輸延時(shí)的變動(dòng)范圍）。后者包括FFT分析，最多可達(dá)10（6）點(diǎn)的記錄長度；高分辨率方式；包絡(luò)方式；模板測試；合格/不合格測試等。各種測試結(jié)果均利用彩色顯示器的不同顏色不同亮度表示結(jié)果，真正讓使用者的視覺獲得迅速的反應(yīng)，充分發(fā)揮余輝灰度的三維效應(yīng)。