示波器技术的发展和演变

泰克的511模拟实时示波器，标志着商用示波器时代的到来。511之前也有一些“示波器”产品，但是由于其没有触发系统和校准的时基、垂直刻度，不能提供稳定的显示波形，也不能进行定量测试，所以只是一种定性观测的工具。511首次在“示波器”这种测试设备中加入了边沿触发以显示稳定波形、使用校准的时基和垂直放大器以提供定量测试能力，大大增加了适用性。这样，商用示波器诞生了。

模拟实时示波器发展到现在，基本结构并没有多大变化，下图是一个基本的结构框图：

模拟实时示波器机构简单，没有信号的数字化、处理等过程。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)到最后在CRT上显示，几乎是实时(延迟时间几乎可以忽略)的。

但是，模拟示波器也有死区时间，在死区时间内出现的信号是不能显示在屏幕上的。这个死区时间来自于触发系统的“触发抑止(hold off)”和等待触发的时间。所以，模拟示波器也不是能100%地捕获信号。不同型号的模拟实时示波器，最大波形捕获概率大约从30%～70%不等，扫描速度最快可达50万次/秒。这是一个非常好的指标。

再来看模拟示波器显示的方式――CRT阴极射线管。电子束经过偏转板的偏转，再轰击显示屏上的荧光物质发光形成波形轨迹。当电子束停止轰击后，亮点不会立即消失而要保留一段余辉时间。余辉时间10μs―1ms为短余辉，1ms―0.1s为中余辉，0.1s-1s为长余辉，大于1s为极长余辉。一般的示波器配备中余辉示波管，高频示波器选用短余辉，低频示波器选用长余辉。在余辉效应的作用下，波形轨迹上每一点的亮度，和被轰击的次数(频度)成正比关系。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，还能以亮度等级表示信号出现概率的信息，非常有利于观测。

但是在另一方面，荧光物质发光的这一特性也带来了一个问题：轰击次数过少的轨迹的亮度会很低，甚至根本无法观测到。所以模拟示波器比较适合于重复信号(如连续正弦波)或者有重复特性的信号(如模拟视频信号)。而对单次信号(如单个脉冲或偶发故障)的观测能力非常有限。

总结起来，模拟实时示波器有以下几点主要优点：实时性强、波形捕获概率高、直观的三维(时间、幅度和信号出现概率)显示方式。缺点主要在于：无法存储数据、分析能力有限、对低概率事件捕获能力不足、触发简单、预触发延时不足和带宽提升困难(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越来越多的单次信号测量需求，模拟示波器这些缺点使其渐渐不再能满足测试需求，所以从上世纪80年代开始，主流的示波器厂家均渐渐转向数字示波器的研发和生产。

泰克的511模拟实时示波器，标志着商用示波器时代的到来。511之前也有一些“示波器”产品，但是由于其没有触发系统和校准的时基、垂直刻度，不能提供稳定的显示波形，也不能进行定量测试，所以只是一种定性观测的工具。511首次在“示波器”这种测试设备中加入了边沿触发以显示稳定波形、使用校准的时基和垂直放大器以提供定量测试能力，大大增加了适用性。这样，商用示波器诞生了。

模拟实时示波器发展到现在，基本结构并没有多大变化，下图是一个基本的结构框图：

模拟实时示波器机构简单，没有信号的数字化、处理等过程。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)到最后在CRT上显示，几乎是实时(延迟时间几乎可以忽略)的。

但是，模拟示波器也有死区时间，在死区时间内出现的信号是不能显示在屏幕上的。这个死区时间来自于触发系统的“触发抑止(hold off)”和等待触发的时间。所以，模拟示波器也不是能100%地捕获信号。不同型号的模拟实时示波器，最大波形捕获概率大约从30%～70%不等，扫描速度最快可达50万次/秒。这是一个非常好的指标。

再来看模拟示波器显示的方式——CRT阴极射线管。电子束经过偏转板的偏转，再轰击显示屏上的荧光物质发光形成波形轨迹。当电子束停止轰击后，亮点不会立即消失而要保留一段余辉时间。余辉时间10μs—1ms为短余辉，1ms—0.1s为中余辉，0.1s-1s为长余辉，大于1s为极长余辉。一般的示波器配备中余辉示波管，高频示波器选用短余辉，低频示波器选用长余辉。在余辉效应的作用下，波形轨迹上每一点的亮度，和被轰击的次数(频度)成正比关系。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，还能以亮度等级表示信号出现概率的信息，非常有利于观测。

但是在另一方面，荧光物质发光的这一特性也带来了一个问题：轰击次数过少的轨迹的亮度会很低，甚至根本无法观测到。所以模拟示波器比较适合于重复信号(如连续正弦波)或者有重复特性的信号(如模拟视频信号)。而对单次信号(如单个脉冲或偶发故障)的观测能力非常有限。

总结起来，模拟实时示波器有以下几点主要优点：实时性强、波形捕获概率高、直观的三维(时间、幅度和信号出现概率)显示方式。缺点主要在于：无法存储数据、分析能力有限、对低概率事件捕获能力不足、触发简单、预触发延时不足和带宽提升困难(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越来越多的单次信号测量需求，模拟示波器这些缺点使其渐渐不再能满足测试需求，所以从上世纪80年代开始，主流的示波器厂家均渐渐转向数字示波器的研发和生产。

第一代数字示波器现在被称为数字存储示波器(DSO)，使用串行的工作结构。原理框图如下：

数字存储示波器使用了ADC采样的方式，所以被测的模拟波形最终可以以数据的格式存储。当然，数字化的数据还可以方便地进行自动测量、频谱分析、数学计算或者其它高级分析。所以数字示波器特别适于单次信号的采集和分析，这是一个很大的突破。

另外一方面，数字存储示波器在ADC以后就是全数字化处理，所以带宽的提升仅受限于可变增益的前置放大器带宽和ADC的速率。随着技术的进步，现在，泰克TDS6154C是业界真实模拟代宽最高的数字存储示波器，达到12.5GHz(3dB)。由于超高高带宽示波器系统设计中，宽带放大器是其中的核心部分，目前的主流设计都采用每一个通道独立的硬件放大器设计方法，这样保证每一个通道的性能没有限制。当每一个通道放大器的设计带宽不足时，有些示波器通过DBI技术利用示波器每一个通道6GHZ的低带宽放大器在不同的频段“拼接”在一起，在某一个通道上达到超过6GHZ的带宽，例如3个通道的6GHZ频段“拼接”后达到18GHZ带宽。从DBI技术实现的方法可以明显看出它的优点和相应的缺陷，最明显的优势是利用多通道的低带宽合并为单通道超过10GHZ的高带宽，在示波器设计中成本最高的放大器和ADC均采用低速设计，非常有利于控制成本。由于DBI技术本质上首先经过将信号频率分配到不同的通道，通过相对低速的ADC进行采样，最后通过DSP技术将这些包含不同分量的频率数字“拼接”，它会导致以下几个限制。

1. 通道数限制：当使用不同通道时带宽不同，3通道或4通道使用时仅仅提供6GHZ带宽，ADC采样率也有限制。

2. 频谱“拼接”错误：从幅频特性图可以看出，每一个频率“拼接”点都有明显的非线性，当被测信号的频谱分量在该区域时，示波器时域显示的波形会出现波形失真。

3. 波形捕获率低： 由于DBI技术需要软件处理和“拼接”数字频域的波形，数据量比较大时波形处理和显示速度非常低。

4. 功能限制：当DBI打开时，虽然单通道带宽和ADC提升，但是触发系统的带宽无法通过DBI技术提升，最大仅为800MHZ，另外示波器的外参考输入，垂直灵敏度的精细调整等功能都会由于DBI打开而受限。

数字存储示波器在触发系统上也有很大的进步。从结构框图上可以看到，数字示波器的触发系统是完全独立的一个以模拟电路为主的电路。高性能的触发系统好比是照相机的快门，可以帮助测试人员准确定位信号行为。针对各种特殊信号的特点，数字存储示波器可配备毛刺触发、欠幅脉冲触发、过渡时间、通讯触发、串行触发、窗口触发、状态触发、码型出发和总线触发等多种高级触发模式。泰克的Pinpoint?触发系统是当前全业界最先进的触发系统，在边沿触发和高级触发中使用完全的SiGe技术，所以触发灵敏度都可到达到很高的水平，例如TDS6124C这款仪器，边沿触发和高级触发的灵敏度都可以同时达到3div@9GHz。这个双触发系统辅以触发延迟设置和触发重置，几乎可以不受限制地设置触发模式。

数字存储示波器有了这些特性，在带宽性能可以远高于较模拟实时示波器;在触发和采样的配合下，数字存储示波器对单次信号(低重复概率信号)的捕获能力有巨大提升;对于信号的测试和分析能力也今非昔比……但是，在增强了对单次信号的捕获、分析能力以后，