示波器的發展史與選擇示波器的要點

示波器的發展史與選擇示波器的要點

解示波器的發展過程對于正確選擇示波器是非常有用的。

一、示波器的功能

    示波器是一種圖形顯示設備，它描繪電信號的波形曲線。這一簡單的波形能夠說明信號的許多特性：信號的時間和電壓值、振蕩信號的頻率、信號所代表電路中“變化部分”信號的特定部分相對于其它部分的發生頻率、是否存在故障部件使信號產生失真、信號的DC成份和AC成份、信號的噪聲值和噪聲隨時間變化的情況、比較多個波形信號等。

二、示波器的發展簡史

１、初期主要為模擬示波器

    二十世紀四十年代是電子示波器興起的時代，雷達和電視的開發需要性能良好的波形觀察工具，泰克成功開發帶寬10MHz的同步示波器，這是近代示波器的基礎。五十年代半導體和電子計算機的問世，促進電子示波器的帶寬達到100MHz。六十年代美國、日本、英國、法國在電子示波器開發方面各有不同的貢獻，出現帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬4GHz的行波示波管、1GHz的存儲示波管；便攜式、插件式示波器成為系列產品。七十年代模擬式電子示波器達到高峰，行譜系列非常完整，帶寬1GHz的多功能插件式示波器標志著當時科學技術的高水平，為測試數字電路又增添邏輯示波器和數字波形記錄器。模擬示波器從此沒有更大的進展，開始讓位于數字示波器，英國和法國甚至退出示波器市場，技術以美國**，中低檔產品由日本生產。
   模擬示波器要提高帶寬，需要示波管、垂直放大和水平掃描**推進。數字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉換器的性能，對示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數字示波管能充分利用記憶、存儲和處理，以及多種觸發和預前觸發能力。二十世紀八十年代數字示波器異軍突起，大有**取代模擬示波器之勢，模擬示波器逐漸從前臺退到后臺。

2、中期數字示波器獨領風騷

　　八十年代的數字示波器處在轉型階段，還有不少地方要改進，美國的TEK公司和HP公司都對數字示波器的發展作出貢獻。它們后來停產模擬示波器，并且只生產性能好的數字示波器。進入九十年代，數字示波器除了提高帶寬到1GHz以上，更重要的是它的**性能超越模擬示波器。出現所謂數字示波器模擬化的現象，換句話說，盡量吸收模擬示波器的優點，使數字示波器更好用。
　　數字示波器首先在取樣率上提高，從*初取樣率等于兩倍帶寬，提高至五倍甚至十倍，相應對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/s，甚至10GHz/s。
　　其次，提高數字示波器的更新率，達到模擬示波器相同水平，*高可達每秒40萬個波形，使觀察偶發信號和捕捉毛刺脈沖的能力大為增強。
　　再次，采用多處理器加快信號處理能力，從多重菜單的煩瑣測量參數調節，改進為簡單的旋鈕調節，甚至完全自動測量，使用上與模擬示波器同樣方便。
　　*后，數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，即顯示出信號的幅值、時間以及幅值在時間上的分布。具有這種功能的數字示波器稱為數字熒光示波器或數字余輝示波器即數模兼合。

3、數字示波器要有模擬功能

　　模擬示波器用陰極射線管顯示波形，示波管的帶寬與模擬示波器的相同，亦即示波管內電子運動速度與信號頻率成正比，信號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，低頻波形的亮度高，高頻波形的亮度低。利用熒光屏幕的亮度或灰度容易獲得信號的第三維信息，如用屏幕垂直軸表示幅度，水平軸表示時間，則屏幕亮度可表示信號幅度隨時間分布的變化。這種與時間有關的熒光余輝（灰度定標）效應對觀察混合波形和偶發波形十分有效，模擬存儲示波器就是這種專用示波器的代表產品，*高的性能達到800MHz帶寬，可記錄到1ns左右的快速瞬變偶發事件.
　　數字示波器缺少余輝顯示功能,因為它是數字處理，只有兩個狀態，非高即低，原則上波形也是“有”和“無”兩個顯示。為達到模擬示波器那樣的多層次亮度變化，必須采用專用圖象處理芯片，例如TEK公司采用DPX型處理器芯片，具有數據采集、圖象處理和存儲等多項功能，DPX芯片由130萬個晶體管組成，采用0.65μm的CMOS工藝，并行流水結構，取樣率高。它既是數據采集芯片，同時也是光柵掃描器，模擬示波管屏幕熒光體的發光特性，用16級亮度分級，將波形存儲在500×200像素的LCD單色或彩色顯示屏上，每1/30秒更新一次。由于模擬存儲示波器只能依靠照相底片記錄波形，對數據保存并不方便，而數字熒光示波器是數字處理的顯示，數據記錄、處理、保存都十分方便。例如用紅色表示出現幾率*高的波形，蘭色表示出現幾率*低的波形，達到一目了然。由于數字示波器已經達到4GHz以上帶寬的水平，配合熒光顯示特性，總的性能優于模擬存儲示波器。

4、數字熒光示波器

　　數字熒光示波器（DPO）為示波器系列增加了一種新的類型，能實時顯示、存貯和分析復雜信號的三維信號信息：幅度、時間和整個時間的幅度分布。
DSO采用串行處理的體系結構捕獲、顯示和分析信號；相對而言，DPO為完成這些功能采用的是并行體系結構。并行結構和基于ASIC硬件的處理技術，使數字熒光示波器能夠捕捉到當今復雜的動態信號中的全部細節和異常情況，并以人類的眼睛的接受速度顯示出來。
　　普通數字示波器要觀察偶發事件需要使用長時間記錄，然后作信號處理，這種辦**漏掉非周期性出現的信號和不能顯示出信號的動態特性。數字熒光示波器能夠顯示復雜波形中的微細差別，以及出現的頻繁程度。例如觀察電視信號，既有行掃描、幀掃描、視頻信號和伴音信號，還要記錄電視信號中的異常現象，對于專業人員和維修人員都是同樣重要的。

5、手持示波表

由于其便攜性，重量輕可由電池供電，特別適于現場使用

6、基于PC機的虛擬示波器

    獨立的傳統儀器，性能強大，但是價格昂貴，且被廠家限定了功能，只能完成一件或幾件具體的工作，因此，用戶通常都不能夠對其加以擴展或自定義其功能。儀器的旋鈕和開關、內置電路及用戶所能使用的功能對這臺儀器來說都是固定的。另外，開發這些儀器還必須要用專門的技術和高成本的元部件，從而使它們身價頗高且很不容易更新。基于PC機的虛擬示波器誕生以來就充分利用了現成即用的PC機所帶來的*新科技這些科技和性能上的優勢迅速縮短了獨立的傳統儀器和PC機之間的距離，包括功能強大的處理器（如Pentium4)、操作系統及微軟Windows XP、NET技術和Apple Mac OS x。除了融合諸多功能強大的特性，這些平臺還為用戶提供了簡單的聯網工具。此外，傳統儀器往往不便隨身攜帶，而虛擬儀器可以在筆記本電腦上運行，充分體現了其便攜特性。需要經常變換應用項目和系統要求的工程師和科學家們需要有非常靈活的開發平臺以便創建適合自己的解決方案。可以使用虛擬儀器以滿足特定的需要，因為有安裝在PC機上的應用軟件和一系列可選的插入式硬件，無需更換整套設備，即能完成新系統的開發。

三、數字示波器與模擬示波器的比較

    在發展初期模擬示波器的某些特點，是數字示波器所不具備的：

• 操作簡單：全部操作都在面板上可以找到，波形反應及時，數字示波器往往要較長處理時間。
• 垂直分辨率高：連續而且無限級，數字示波器分辨率一般只有8位至10位。
• 數據更新快：每秒捕捉幾十萬個波形，數字示波器每秒捕捉幾十個波形。
• 實時帶寬和實時顯示：連續波形與單次波形的帶寬相同，數字示波器的帶寬與取樣率密切相關，取樣率不高時需借助內插計算，容易出現混淆波形。

    簡而言之，模擬示波器為工程技術人員提供眼見為實的波形，在規定的帶寬內可非常放心進行測試。人類五官中眼睛視覺神經十分靈敏，屏幕波形瞬間反映至大腦作出判斷，細微變化都可感知。因此，剛開始模擬示波器深受使用者的歡迎。
隨著數字示波器的出現經常有人問DSO能替代模擬示波器嗎？問題的答案完全取決于要進行的測量工作和要測量的信號。有些情況下DSO的優點比較明顯，而在另一些情況下模擬示波器要比現有的DSO都要好。

1、簡單重復性信號

    使用模擬示波器DSO示波器通常都能很好的觀察簡單重復性信號。但是兩者都有其優點和局限性。對于模擬示波器來說，由于CRT的余輝時間很短，因而很難顯示頻率很低的信號。由于示波管上的掃跡亮度和掃描速度成反比，所以具有快速上升、下降時間的低重復速率信號就很難看到。而DSO的掃跡亮度和掃描速度與信號重復速率無關。隨著被測信號情況的不同，這個可能是優點也可能是缺點。對于顯示具有足夠重復速率的重復性信號的快速沿來說，DSO和模擬示波器的性能幾乎沒有什么區別。用兩種示波器都能很好的觀察信號波形。

    當要進行信號參量的測量時，DSO的優點在于具有自動測量的能力。而使用模擬示波器時，用戶必須自己設置光標，分析理解顯示的波形才能得到測量的結果。如果要進行調整工作，那么一般*好使用模擬示波器。這是因為模擬示波器的實時顯示能力使它在每一時刻都能顯示出輸入的電壓。其波形更新速率（每秒鐘在屏幕上描畫掃跡的次數）很高。在高掃描速度時可以遠超過100000次掃描/秒。所以信號的任何變化都會立即顯示出來。而且有些信號的變化會在顯示屏幕上以波形亮度變化的形式表現出來。與模擬示波器相反，DSO所顯示的是用采集的波形數據重建的波形。每秒鐘采集波形的次數遠低于100次。在有些示波器上，甚至不超過5次。結果在信號發生變化和變化了的信號在屏幕上顯示出來之間就有了明顯的時間延遲。當對系統進行調整工作時，這是使用DSO的重大缺點。

2、比較復雜的重復性信號

    上述的簡單重復性信號可以在很多電子學領域中見到，這些信號常用來作為信息的載體。為此目的可以有多種形式，例如正弦波、脈沖、斜波或階梯波等。而且多種調制信號和多種調制方式常常可能同時使用。一個常見的復雜模擬信號的事例就是全電視信號。此信號由多種不同頻率不同幅度的的分量構成。既包括脈沖也包括方波，再加上為表示彩色信息而進行了相移的另外的正弦波。對于這樣的情況，模擬示波器和DSO都有其自己特別的優點，各自都能對信號的不同部分進行*佳的觀察。

    例如模擬示波器具有無限的分辨率和每秒鐘很高的掃描次數，它能顯示出波形在時間上的分布。波形掃描上的亮度變化正比于信號在某一特定電平持續的時間。這就很好的顯示出了彩色調制的情況。由于示波器具有很高的波形更新速率，所以能立即顯示出對系統進行調整的效果。使用DSO時，由于其采樣點數有限以及沒有亮度的變化，使得很多波形細節信息無法顯示出來。雖然有些DSO可能具有兩個或多個亮度層次，但這只是相對意義上的區別，再加上示波器有限的顯示分辨率，使它仍然不能重現模擬顯示的效果。

    如果只要顯示一行視頻信號的小部分，例如某一特定行中的TV發送測試信號、圖文電視數據或者某一特定行上彩色脈沖群，那么*好使用DSO。如果使用模擬示波器，則由于相對比較低的信號重復速率，再加上要觀察的信號部分本身時間很短，很容易導致顯示的畫面太暗而難以看見。而DSO則不論信號的重復速率高低，都具有一致的亮度，因而能以很高的亮度顯示此信號。

    如果重復性的波形中還包含著寬度很窄的尖峰或毛刺，那么使用模擬示波器觀察整個波形是不可能看到這些尖峰或毛刺的。而當使用DSO時，使用峰值檢測就可以把這些尖峰顯示出來。

3、非重復性信號和瞬變

    模擬示波器和DSO的主要區別在于DSO能夠存儲波形信息。這使得DSO在研究非重復性信號和瞬變的工作中具有特別寶貴的價值。非重復性信號和瞬變是很多系統中都可以看見到。例如測量一個電系統的沖擊電流、破壞性實驗中的參數測量。在破壞性實驗中只能進行一次測量。雖然很多模擬示波器也常常有單次測量能力，即可以產生單次的時基掃描。

    在DSO出現以前，非重復性信號和瞬變由于觀察極為困難而且代價過高，所以此類工作很多情況下都只能選擇放棄。因為那時，觀察這類信號需要使用昂貴的模擬存儲示波器、照相機和長余輝示波管等等。

    如果某一事件只發生一次，那么模擬示波器通常是不能應付的。而這正是DSO展示其強大能力的時機，DSO能捕捉這種罕見的一次性事件，并能按照所希望的長時間的將它顯示出來。這種罕見的事件甚至可能是干擾的結果。通過用干擾本身來觸發，DSO具有顯示預觸發的能力，包括顯示干擾的原因。

四、如何選擇示波器

    自從示波器問世以來，它一直是*重要、*常用的電子測試工具之一 ；由于電子技術的發展，示波器的能力也在不斷提升，其性能與價格也五花八門，市場參差不齊，那么如何選擇示波器呢？
1首先要了解所要測試的信號

• 要知道用示波器觀察什么？要捕捉并觀察的信號其典型性能是什么？信號是否有復雜的特性？信號是重復信號還是單次信號？打算同時顯示多少信號？
• 要測量的信號過渡過程帶寬，或者上升時間是多大？打算用何種信號特性來觸發短脈沖、脈沖寬度、窄脈沖等？

2　模擬示波器還是數字示波器？

    傳統的觀點認為模擬示波器具有熟悉的面板控制，價格低廉，因而總覺得模擬示波器“使用方便”。但是隨著A/D轉換器速度逐年提高和價格不斷降低，以及數字示波器不斷增加的測量能力和實際上不受限制的各種功能，數字示波器已獨領風騷。

3、帶寬如何？

    帶寬一般定義為正弦輸入信號幅度衰減到-3dB時的頻率，即70.7%，帶寬決定示波器對信號的基本測量能力。隨著信號頻率的增加，示波器對信號的準確顯示能力將下降，如果沒有足夠的帶寬，示波器將無法分辨高頻變化。幅度將出現失真，邊緣將會消失，細節數據將被丟失。如果沒有足夠的帶寬，得到的關于信號的所有特性，響鈴和振鳴等都毫無意義。

　　 一個決定所需要的示波器帶寬有效的經驗法則是“5倍準則”；即將要測量的信號*高頻率分量乘以5。這將會使在測量中獲得高于2%的精度。在某些應用場合，若不知道感興趣的信號帶寬，但是知道它的*快上升時間，大多數字示波器的頻率響應用下面的公式來計算關聯帶寬和儀器的上升時間：Bw=0.35/信號的*快上升時間。

　　帶寬有兩種類型：重復（或等效時間）帶寬和實時（或單次）帶寬。重復帶寬只適用于重復的信號，顯示來自于多次信號采集期間的采樣。實時帶寬是示波器的單次采樣中所能捕捉的*高頻率，且當捕捉的事件不是經常出現時要求相當苛刻。實時帶寬與采樣速率聯系在一起。

　 由于更寬的帶寬往往意味著更高的價格，因此應對照你的預算來評定通常要觀察信號的頻率成分。

4、采樣速率怎樣？

    采樣速率定義為每秒采樣次數（S/s），指數字示波器對信號采樣的頻率。示波器的采樣速率越快，所顯示的波形的分辨率和清晰度就高，重要信息和事件丟失的概率就越小。如果需要觀測較長時間范圍內的慢變信號，則*小采樣速率就變得較為重要。為了在顯示的波形記錄中　保持固定的波形數，需要調整水平控制按鈕，而所顯示的采樣速率也將隨著水平調節按鈕的調節而變化。
計算的采樣速率方法取決于所測量的波形的類型，以及示波器所采用的信號重建方式。
為了準確地再現信號并避免混淆，奈奎斯定理規定：信號的采樣速率必須不小于其*高頻率成分的兩倍。然而，這個定理的前提是基于無限長時間和連續的信號。由于沒有示波器可以提供無限時間的記錄長度，而且，從定義上看，低頻干擾是不連續的，所以采用兩倍于*高頻率成分的采樣速率通常是不夠的。實際上，信號的準確再現取決于其采樣速率和信號采樣點間隙所采用的插值法。一些示波器會為操作者提供以下選擇：測量正弦信號的正弦插值法，以及測量矩形波、脈沖和其他信號類型的線性插值法。

 　有一個在比較取樣速率和信號帶寬時很有用的經驗法則：如果您正在觀察的示波器有內插（通過篩選以便在取樣點間重新生成），則（取樣速率/信號帶寬）的比值至少應為4∶1。無正弦內插時，則應采取10∶1的比值。

5、屏幕刷新率多快？

 　所有的示波器都會閃爍。也就是說，示波器每秒鐘以特定的次數捕獲信號，在這些測量點之間將不再進行測量。這就是波形捕獲速率，也稱屏幕刷新率，表示為波形數每秒（wfms/s）。采樣速率表示的是示波器在一個波形或周期內，采樣輸入信號的頻率; 波形捕獲速率則是指示波器采集波形的速度。波形捕獲速率取決于示波器的類型和性能級別，且有著很大的變化范圍。高波形捕獲速率的示波器將會提供更多的重要信號特性，并能極大地增加示波器快速捕獲瞬時的異常情況，如抖動、矮脈沖、低頻干擾和瞬時誤差的概率。

　 數字存儲示波器（DSO）使用串行處理結構每秒鐘可以捕獲10到5000個波形。DPO數字熒光示波器采用并行處理結構，可以提供更高的波形捕獲速率，有的高達每秒數百萬個波形，大大提高了捕獲間歇和難以捕捉事件的可能性，并能更快地發現信號存在的問題。

6、存儲深度是多少？

   存儲深度是示波器所能存儲的采樣點多少的量度。如果需要不間斷的捕捉一個脈沖串，則要求示波器有足夠的存儲器以便捕捉整個事件。將所要捕捉的時間長度除以**重現信號所須的取樣速度，可以計算出所要求的存儲深度，也稱記錄長度。
　　在正確位置上捕捉信號的有效觸發，通常可以減小示波器實際需要的存儲量。存儲深度與取樣速度密切相關。所需要的存儲深度取決于要測量的總時間跨度和所要求的時間分辨率。現代的示波器允許用戶選擇記錄長度，以便對一些操作中的細節進行優化。分析一個十分穩定的正弦信號，只需要500點的記錄長度；但如果要解析一個復雜的數字數據流，則需要有一百萬個點或更多點的記錄長度。

7、要求何種觸發？

    示波器的觸發能使信號在正確的位置點同步水平掃描，決定著信號特性是否清晰。觸發控制按鈕可以穩定重復的波形并捕獲單次波形。大多數通用示波器的用戶只采用邊沿觸發方式，但是其它觸發方式在某些應用場合，例如對新設計產品的故障查尋是非常有用的。先進的觸發方式可將所關心的事件分離出來，從而*有效地利用取樣速度和存儲深度。
　　現今有很多示波器，具有先進的觸發能力：能根據由幅度定義的脈沖（如短脈沖），由時間限定的脈沖（脈沖寬度、窄脈沖、轉換率、建立/保持時間）和由邏輯狀態或圖形描述的脈沖（邏輯觸發）進行觸發。擴展和常規的觸發功能組合也幫助顯示視頻和其它難以捕捉的信號，如此先進的觸發能力，在設置測試過程時提供了很大程度的靈活性，而且能大大地簡化工作。

8、有多少通道？

 　 對于通常的經濟型故障查尋應用來說，需要的是雙通道示波器。然而，如果要求觀察若干個模擬信號的相互關系，將需要一臺4通道示波器。許多工作于模擬與數字兩種信號的系統的工程師也考慮采用4通道示波器。還有一種較新的選擇，即所謂混合信號示波器，它將邏輯分析儀的通道計數及觸發能力與示波器的較高分辨率綜合到具有時間相關顯示的單一儀器之中。

9、必須發現這些難以捉摸的異常現象嗎？

 　屏幕更新速率、波形捕獲方式、和觸發能力三個主要因素影響著示波器顯示日常測試與調試中所遇到的未知和復雜信號的能力。波形捕獲模式有以下幾種：采樣模式、峰值檢測模式、高分辨率模式、包絡模式、平均值模式等。屏幕更新速率給出的是關于示波器對信號和控制的變化反應有多快的概念，而峰值檢測有助于在較慢的信號中捕捉快速信號的峰值。*好的辦法是看看示波器對信號處理情況，觀察一下更新速率和峰值檢測的反應，以確信這些功能并未因其它方面缺乏靈活性而受到損害。

10、示波器的指標精度如何？

　 示波器的指標有很多：如垂直靈敏度、掃描速度、增益精度、時間基準、垂直分辨率、保修期等。

11、確定所需要的分析功能？

　　數字示波器的*大優點是它們能得到的數據進行測量，且按一下按鈕即可實現各種分析功能。雖然可利用的功能因廠家和型號而異，但它們一般包括諸如頻率、上升時間、脈沖寬度等等的測量。某些數字示波器還提供快速傅里葉變換（FFT）功能。

12、探頭和附件如何？

 　容易忘記的一點是，當安上探頭時，它就成為電路的一部分了。結果它將造成電阻性、電容性和電感性負載，使示波器呈現出與被測對象不同的測量結果。因此，針對不同應用應備有適當的探針，然后選擇其中一種，使負載效應*小，使信號得到***的復現。由于SMT元件的發展，連接更因難。

13、能否不費力地使用這臺示波器嗎？

　　很顯然，如果不能訪問各種功能，或者要花很多時間去學習它們，那么這樣的示波器將價值不大。
14、示波器的數據管理和連接性怎樣？

 　 對測量結果的分析是非常重要的。將信息和測量結果在高速通信網絡中便捷地保存和共享也變得日益重要。
　　示波器的互聯性提供對結果的**分析能力并簡化結果的存檔和共享。一些示波器通過標準的接口（GPIB、RS-232、USB、以太網）和網絡通信模式提供一系列的功能和控制方式。

15、示波器是否可具有擴展性？

示波器應該能夠不斷地適應需求的變化。一些示波器可以隨機擴展：

• 增加通道的內存以分析更長的記錄長度
• 增加面對具體應用的測量功能
• 有一整套兼容的探頭和模塊，加強示波器的能力
• 同通用第三方的Windows兼容的分析軟件協同工作
• 增加附件，如電池組和機架固定件等。

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