详解示波器的原理作用和未来可能的技术变革研究（详解示波器的原理作用和未来可能的技术变革）

示波器是一种广泛使用的电子测量仪器。它能将看不见的电信号转化为看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。利用示波器的高速电子组成的窄电子束，打在涂有荧光物质的屏幕上，可以产生微小的光点(这是传统模拟示波器的工作原理)。在被测信号的作用下，电子束就像笔尖一样，可以在屏幕上描绘出被测信号瞬时值的变化曲线。示波器可以用来观察各种信号幅度随时间变化的波形曲线，也可以用来测试各种电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅等。

到目前为止，模拟示波器的基本结构没有多大变化。下图是基本结构框图：

实时模拟示波器机构简单，没有信号数字化和处理的过程。ART的所有信号调理、放大和显示都由模拟器件完成，所以从信号进入放大器(或探头)到最终在CRT上显示几乎是实时的(延迟时间几乎可以忽略不计)。

但是模拟示波器也有死区时间，死区时间出现的信号无法显示在屏幕上。这个停滞时间来自于推迟触发系统和等待触发的时间。所以模拟示波器并不能100%捕捉信号。不同型号的模拟实时示波器，最大波形捕获概率从30%到70%不等，最快扫描速度可达50万次/秒。这是一个非常好的指标。

让让我们来看看模拟示波器的显示方式——CRT阴极射线管。电子束被偏转板偏转，然后轰击显示屏上的荧光物质发光，形成波形轨迹。当电子束停止轰击时，亮点不会立即消失，而是会保持一段时间的余辉。余辉时间10 s-1ms为短余辉，1ms―0.1s为中余辉，0.1s-1s为长余辉，1s以上为极长余辉。一般示波器都配有中余辉示波管，高频示波器使用短余辉，低频示波器使用长余辉。在余辉效应的作用下，波形轨迹上各点的亮度与轰击次数(频率)成正比。因此，模拟实时示波器显示的波形不仅有时间和幅度的信息，还可以用亮度等级表示信号出现概率的信息，非常有利于观察。

但是，另一方面，荧光物质的这种特性也带来了一个问题：轰击次数太少的轨迹亮度会低到无法甚至根本不会被观察到。因此，模拟示波器更适合重复信号(如连续正弦波)或具有重复特性的信号(如模拟文章信号)。然而，观察单个信号(如单个脉冲或意外故障)的能力非常有限。

综上所述，模拟实时示波器主要有以下优点：实时性强，波形捕获概率高，直观的三维(时间、幅度、信号出现概率)显示方式。主要缺点是：无法存储数据，分析能力有限，对低概率事件的捕捉能力不足，触发简单，预触发延迟不足，带宽提升困难(从前端放大器到CRT必须同时提升)等。随着数字化运动的兴起和单信号测量需求的增加，模拟示波器的这些缺点逐渐使其无法满足测试需求。因此，自20世纪80年代以来，主流示波器制造商逐渐转向数字示波器的开发和生产。

泰克 511模拟实时示波器标志着商用示波器时代的到来。11之前，有一些示波器，而是因为他们没有没有触发系统和校准的时间基准和垂直刻度，他们不能提供稳定的显示波形，它们不能他们不进行定量测试，所以他们只是定性观察的工具。511第一次，示波器是一个

实时模拟示波器机构简单，没有信号数字化和处理的过程。ART的所有信号调理、放大和显示都由模拟器件完成，所以从信号进入放大器(或探头)到最终在CRT上显示几乎是实时的(延迟时间几乎可以忽略不计)。

但是模拟示波器也有死区时间，死区时间出现的信号无法显示在屏幕上。这个停滞时间来自于推迟触发系统和等待触发的时间。所以模拟示波器并不能100%捕捉信号。不同型号的模拟实时示波器，最大波形捕获概率从30%到70%不等，最快扫描速度可达50万次/秒。这是一个非常好的指标。

看模拟示波器的显示模式：——CRT阴极射线管。电子束被偏转板偏转，然后轰击显示屏上的荧光物质发光，形成波形轨迹。当电子束停止轰击时，亮点不会立即消失，而是会保持一段时间的余辉。余辉时间10 s-1ms为短余辉，1ms—0.1s为中余辉，0.1s-1s为长余辉，1s以上为极长余辉。一般示波器都配有中余辉示波管，高频示波器使用短余辉，低频示波器使用长余辉。在余辉效应的作用下，波形轨迹上各点的亮度与轰击次数(频率)成正比。因此，模拟实时示波器显示的波形不仅有时间和幅度的信息，还可以用亮度等级表示信号出现概率的信息，非常有利于观察。

但是，另一方面，荧光物质的这种特性也带来了一个问题：轰击次数太少的轨迹亮度会低到无法甚至根本不会被观察到。因此，模拟示波器更适合重复信号(如连续正弦波)或具有重复特性的信号(如模拟文章信号)。然而，观察单个信号(如单个脉冲或意外故障)的能力非常有限。

综上所述，模拟实时示波器主要有以下优点：实时性强，波形捕获概率高，直观的三维(时间、幅度、信号出现概率)显示方式。主要缺点是：无法存储数据，分析能力有限，对低概率事件的捕捉能力不足，触发简单，预触发延迟不足，带宽提升困难(从前端放大器到CRT必须同时提升)等。随着数字化运动的兴起和单信号测量需求的增加，模拟示波器的这些缺点逐渐使其无法满足测试需求。因此，自20世纪80年代以来，主流示波器制造商逐渐转向数字示波器的开发和生产。

第一代数字示波器现在称为数字存储示波器(DSO)，采用串行工作结构。原理框图如下：

数字存储示波器采用ADC采样方式，所以测得的模拟波形最终可以以数据格式存储。当然，数字化数据也可以方便地进行自动测量、频谱分析、数学计算或其他高级分析。所以数字示波器特别适合单信号采集和分析，这是一个很大的突破。

另一方面，数字存储示波器在ADC之后是全数字的，所以带宽的提升只受可变增益前置放大器带宽和ADC速率的限制。随着技术的发展，Tektronix TDS6154C现在是业界实模拟代宽度最高的数字存储示波器，达到12.5GHz(3dB)。由于宽带放大器是超高带宽示波器系统设计中的核心部分，目前的主流设计都采用各通道独立的硬件放大器的设计方法，以保证各通道的性能不受限制。当每个通道放大器的设计带宽不足时，一些示波器使用DBI技术来拼接不同频段示波器各通道的低带宽放大器，其中一个通道的带宽超过6GHZ。例如，三个频道的6GHZ频带拼接达到18GHZ带宽。DBI技术的优点和缺点可以从它的实现方法中清楚地看到。最明显的优势是将多个通道的低带宽组合成单个通道超过10GHZ的高带宽。在示波器设计中，成本最高的放大器和ADC都是低速设计，非常有利于控制成本。因为DBI技术本质上首先将信号频率分配到不同的通道，通过相对低速的ADC对它们进行采样，最后拼接这些频率数通过DSP技术用不同的部件实现，就会导致以下局限性。

1.通道数限制：使用不同通道时，带宽不同。当使用3通道或4通道时，仅提供6GHZ带宽，并且ADC采样速率也受到限制。

2.光谱拼接误差：从幅频特性图可以看出，每个频率拼接点具有明显的非线性。当被测信号的频谱成分在这个区域时，示波器在时域显示的波形会发生畸变。

3.低波形捕获率：因为DBI技术需要软件处理和拼接数字频域波形，数据量大时波形处理和显示的速度很低。

4.功能限制：DBI开启时，虽然单通道带宽和ADC增加，但触发系统的带宽可以由DBI技术提高，最高只有800MHZ。此外，示波器的外部参考输入、垂直灵敏度的微调等功能都会受到DBI的限制。

数字存储示波器在触发系统方面也取得了很大进展。从结构框图可以看出，数字示波器的触发系统是一个完全独立的电路，主要由模拟电路组成。高性能的触发系统就像照相机的快门，可以帮助测试人员准确定位信号行为。根据各种特殊信号的特点，数字存储示波器可以配备多种高级触发方式，如毛刺触发、欠幅脉冲触发、过渡时间、通信触发、串行触发、窗口触发、状态触发、模式启动、总线触发等。泰克的针尖？触发系统是目前全行业最先进的触发系统。边沿触发和高级触发采用全SiGe技术，因此触发灵敏度可以达到很高的水平。比如TDS6124C，边沿触发和高级触发的灵敏度可以同时达到3div@9GHz。这种双触发系统辅以触发延时设置和触发复位，几乎可以不受限制地设置触发模式。

有了这些特性，数字存储示波器的带宽性能可以远远高于模拟实时示波器。在触发和采样的配合下，数字存储示波器捕获单个信号(低重复概率信号)的能力有了很大的提高。对信号的测试和分析能力已经今非昔比了……然而，在增强了对单个信号的捕获和分析能力之后，

有了这些特性，数字存储示波器的带宽性能可以远远高于模拟实时示波器。在触发和采样的配合下，数字存储示波器捕获单个信号(低重复概率信号)的能力有了很大的提高。测试和分析信号的能力与以前不一样了.然而，在增强了捕获和分析单个信号的能力之后，它也引入了不可避免的w

数字存储示波器的结构决定了它必须工作在串行模式下。ADC对——信号进行调理和采样。ADC的采样数据在触发系统的控制下送入采集存储器；采集内存满后，将波形数据发送到计算机系统；微处理器根据用户的要求处理、计算和分析这些数据；最后在显示器上显示波形和分析结果(滚动模式下的工作流程略有不同，此处不再赘述)。在这个过程中：从信号调理、触发监测到ADC采样，几乎是实时的，不会影响工作效率；但是，从采集存储器到计算机系统、微处理器的数据处理、计算过程和最终显示，都会因为体系结构的不同而影响示波器的实时性能。最关键的部分是微处理器的处理。众所周知，现在流行的示波器的采样率都会是每秒几十千兆比特(GS/s)。一般的微处理器都无法实时处理这样的数据流，所以示波器微处理器的处理模式只能是抓住一个片段，慢慢处理，控制显示，然后重复。这样，在其缓慢处理时间，示波器将无法监测波形，这就是我们所说的停滞时间。死时间内发生的事件不会显示在屏幕上。为了测量数字存储示波器的死时间占总观察时间的比例，我们引入了波形捕获率，即示波器每秒钟能连续提供的捕获和显示的波形数。波形这里指的是在一个触发器中收集的所有信息。实验表明，业界波形捕获率最高的高性能(带宽1GHz以上)数字存储示波器，其波形捕获率约为8000次，其波形捕获总时间约占总观察时间的1 ~ 2%。也就是说，由于示波器的死区时间，所有信号98%以上的细节都丢失了。

每个工程师都认为仪器提供了正确的信息，但很少有工程师会考虑到他们正在使用的示波器只能提供这么少的波形细节。——举个例子，如果你观测到的信号中有一个平均每秒发生一次的故障，数字存储示波器在一秒内发现这个故障的概率不到2%，在15秒内发现的概率只有26%左右。事实上，由于开发时间紧张，一般工程师不会用——的结果观察一个信号超过10秒，你只有不到1/4的机会抓到故障并有效调试。

几乎所有的示波器厂商都意识到了数字存储示波器的波形捕获率低的问题，并开发了许多方法来提高示波器的速度。但是，无论是采集存储器向微处理器传输数据时采用两对1.25Gbps千兆以太网链路的架构，还是在显示中采用本地显示和快照显示的加速技术，都无法从最根本的问题上解决吞吐量问题。在3354串行的架构中，微处理器是速度的瓶颈，只有彻底改变串行结构，解放微处理器才是解决问题的关键。

在这方面，泰克是走在行业前列的，从一开始就以改造串行架构开始。从90年代中期的InstaVu？到2006年初，实时DPO，基于并行架构的第三代示波器：数字荧光示波器逐渐成熟。下图是DPO数字荧光示波器的结构图：

从结构上可以看出，DPO数字荧光示波器的并行处理核心是DPX并行成像处理芯片。DPX完成采集数据的存储、栅格化和统计处理，生成三维数据库。并且可以将光栅化的波形图像信息直接导入文章存储器。在这种架构中，微处理器只做显示控制，不再充当数据处理的瓶颈。

of DSO数字荧光示波器的并行结构从根本上解决了DSO数字存储示波器波形捕获率低、波形泄漏严重的缺陷。DPO7000和DPO70000系列实时数字荧光示波器的波形捕获速率可达250000 wfm/s，DPO71000和DPO72000系列的超高性能数字荧光示波器可超过300000 wfm/s，捕获的波形最多占总信号的60%(连续提供)。而且，新一代DPX采集不受上一代准实时荧光示波器，但可以工作在任何采样率，其捕获信号的能力进一步增强。现在是行业发现问题的最佳工具。下图是三个不同厂家的同等级示波器同时观测到一个时钟出现意外故障(大概每秒一次)15秒后的情况。可以看到，前两个示波器几乎没发现什么问题的时候，泰克的数字荧光示波器(右图)在这里捕捉到了很多故障，区别一目了然。

DPX生成一个三位数据库，在显示方面也有很大优势。这种硬件缓冲记录的数据库，可以保存振幅、时间、振幅随时间变化的信息(即各点信号的频率)，远远优于其他厂商生成的数据库累积速度和缓冲深度方面的软件(每点26位)。三位数据库产生的显示波形可以以色温、频谱、亮度等级的形式告知用户信号出现的幅度、时间和概率信息，效果与模拟示波器非常相似。

数字示波器具有与模拟示波器相同的波形捕获速率和显示方式，对重复信号和具有重复特性的信号(如数字信号和串行通信信号)的捕获和观察能力大大超过传统的数字存储示波器，可以显著提高调试和验证的效率。同时，数字荧光示波器还具有数字存储示波器对单个捕获信号的所有分析能力。而且由于其架构的优势，数字荧光示波器在测试项目、测试速度、测试精度等方面都领先于数字存储示波器。