示波器技術的發(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)展到現在，基本結構并沒有多大變化，下圖是一個基本的結構框圖：

模擬實時示波器機構簡單，沒有信號的數字化、處理等過程。ART的所有信號調理、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)時間內出現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DDCRT陰極射線管。電子束經過偏轉板的偏轉，再轟擊顯示屏上的熒光物質發(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。在余輝效應的作用下，波形軌跡上每一點的亮度，和被轟擊的次數(頻度)成正比關系。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概率的信息，非常有利于觀測。

但是在另一方面，熒光物質發(fā)光的這一特性也帶來了一個問題：轟擊次數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、幅度和信號出現概率)顯示方式。缺點主要在于：無法存儲數據、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向數字示波器的研發(fā)和生產。

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)展到現在，基本結構并沒有多大變化，下圖是一個基本的結構框圖：

模擬實時示波器機構簡單，沒有信號的數字化、處理等過程。ART的所有信號調理、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)時間內出現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。電子束經過偏轉板的偏轉，再轟擊顯示屏上的熒光物質發(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(頻度)成正比關系。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概率的信息，非常有利于觀測。

但是在另一方面，熒光物質發(fā)光的這一特性也帶來了一個問題：轟擊次數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、幅度和信號出現概率)顯示方式。缺點主要在于：無法存儲數據、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向數字示波器的研發(fā)和生產。

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

數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據的格式存儲。當然，數字化的數據還可以方便地進行自動測量、頻譜分析、數學計算或者其它高級分析。所以數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，數字存儲示波器在ADC以后就是全數字化處理，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。隨著技術的進步，現在，泰克TDS6154C是業(yè)界真實模擬代寬最高的數字存儲示波器，達到12.5GHz(3dB)。由于超高高帶寬示波器系統(tǒng)設計中，寬帶放大器是其中的核心部分，目前的主流設計都采用每一個通道獨立的硬件放大器設計方法，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計帶寬不足時，有些示波器通過DBI技術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技術實現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，在示波器設計中成本最高的放大器和ADC均采用低速設計，非常有利于控制成本。由于DBI技術本質上首先經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技術將這些包含不同分量的頻率數字“拼接”，它會導致以下幾個限制。

1. 通道數限制：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波形失真。

3. 波形捕獲率低： 由于DBI技術需要軟件處理和“拼接”數字頻域的波形，數據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整等功能都會由于DBI打開而受限。

數字存儲示波器在觸發(fā)系統(tǒng)上也有很大的進步。從結構框圖上可以看到，數字示波器的觸發(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，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)延遲設置和觸發(fā)重置，幾乎可以不受限制地設置觸發(fā)模式。

數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，也引入了難以避免的弱點，這主要體現在波形捕獲率和單調的顯示能力上。以下我們來說明一下這些弱點：

數字存儲示波器的結構上已經決定，它必然工作在一種串行模式下——信號經過調理，進入ADC采樣;ADC的采樣數據在觸發(fā)系統(tǒng)的控制下送入采集內存;采集內存存滿以后，波形數據被送到計算機系統(tǒng);微處理器根據用戶需求，對這些數據進行處理、計算、分析;最后波形和分析結果被顯示在顯示器上(滾動模式下工作流程略有不同，這里不做詳細描述)。在這個過程中：從信號調理、觸發(fā)監(jiān)控到ADC采樣，幾乎是實時的，不會影響工作效率;而數據從采集內存?zhèn)鞯接嬎銠C系統(tǒng)、微處理器的處理、計算過程、最終的顯示，都會因為示波器的構架不同而影響其實時性。其中最關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十吉(GS/s)，沒有任何一個通用的微處理器可以實時處理這樣的數據流，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。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)時間內發(fā)生的事件，是不會顯示在屏幕上的。為了衡量數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)提供的每秒種內捕獲并顯示的波形個數。此處的“波形”指一次觸發(fā)采集的全部信息。試驗證明，業(yè)界波形捕獲率最高的高性能(帶寬1GHz以上)數字存儲示波器，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，那么數字存儲示波器1秒內發(fā)現這個故障的概率只有不到2%，15秒內發(fā)現的概率也只有大約26%。而事實上，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——結果，您只有不到1/4的幾率能夠捕獲這個故障并進行有效調試。

幾乎所有的示波器廠商都意識到數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，無論在數據從采集內存?zhèn)鞯轿⑻幚砥鲿r使用兩對1.25Gbps的千兆以太網鏈路的構架，還是在顯示上采用顯示局部和抽點顯示的加速技術，都未能從最根本的問題上解決吞吐率的問題——串行的構架中，微處理器是速度的瓶頸，只有完全改變串行結構、解放微處理器，才是解決問題的關鍵。

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架的改造。從上世紀90年代中期的InstaVu?到2006年初的實時DPO，基于并行構架的第三代示波器：數字熒光示波器，從出現逐漸走向成熟。下圖是DPO數字熒光示波器的結構圖：

從結構可以看出，DPO數字熒光示波器的并行處理核心是DPX并行成像處理芯片。DPX完成了采集數據的存儲、光柵化和統(tǒng)計處理以生成三維數據庫。并且能把光柵化的波形圖像信息直接導入顯存。在這種構架中，微處理器僅僅做顯示控制等工作，不再在數據處理過程中充當瓶頸。

DPO數字熒光示波器的并行結構從根本上解決了DSO數字存儲示波器波形捕獲率低、波形漏失嚴重的缺陷。DPO7000、DPO70000系列實時數字熒光示波器的波形捕獲率可以達到250000wfm/s，DPO71000、DPO72000系列超高性能數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60%(連續(xù)提供);而且新一代的DPX采集也沒有了上一代“準實時熒光示波器” 的最高1.25G實時采樣率的限制，而是可以工作在任何采樣率下，對信號的捕獲能力進一步增強，是現在業(yè)界發(fā)現問題的最佳工具。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。可以看到，在前面兩種示波器幾乎沒有發(fā)現任何問題的時候，泰克的數字熒光示波器(右圖)卻捕獲到了此間發(fā)生的多次故障，差別一目了然。

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

數字熒光示波器，擁有和模擬示波器相當的波形捕獲率和顯示方式，對重復信號和有重復特性的信號(如數字信號、串行通信信號)的捕獲和觀測能力大大超越傳統(tǒng)數字存儲示波器，能顯著提高調試和驗證的效率。同時，數字熒光示波器也具有數字存儲示波器對于單次捕獲信號的全部分析能力。而且，由于其構架的優(yōu)勢，數字熒光示波器在測試項目、測試速度以及測試精度上都全面領先于數字存儲示波器。