详解示波器的原理作用和未来可能的技术变革

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点（这是传统的模拟示波器的工作原理）。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

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，

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，也引入了难以避免的弱点，这主要体现在波形捕获率和单调的显示能力上。以下我们来说明一下这些弱点：

数字存储示波器的结构上已经决定，它必然工作在一种串行模式下——信号经过调理，进入ADC采样;ADC的采样数据在触发系统的控制下送入采集内存;采集内存存满以后，波形数据被送到计算机系统;微处理器根据用户需求，对这些数据进行处理、计算、分析;最后波形和分析结果被显示在显示器上(滚动模式下工作流程略有不同，这里不做详细描述)。在这个过程中：从信号调理、触发监控到ADC采样，几乎是实时的，不会影响工作效率;而数据从采集内存传到计算机系统、微处理器的处理、计算过程、最终的显示，都会因为示波器的构架不同而影响其实时性。其中最关键的部分是微处理器的处理过程。我们都知道，流行的示波器采样率都会在每秒数十吉(GS/s)，没有任何一个通用的微处理器可以实时处理这样的数据流，所以示波器微处理器的处理方式只能是“抓取一段、慢慢处理、控制显示”，然后重复。这样，在其“慢慢处理”的时间中，示波器将不能监视波形，这也就是我们所说的“死区时间”，在死区时间内发生的事件，是不会显示在屏幕上的。为了衡量数字存储示波器的死区时间占到总观测工作时间的比例，我们引入“波形捕获率”的概念，也就是示波器可以连续提供的每秒种内捕获并显示的波形个数。此处的“波形”指一次触发采集的全部信息。试验证明，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，大概波形捕获率在8000次左右，其捕获波形的总体时间大约占到总观测时间的1～2%，也就是说：全部信号的98%以上的细节，因示波器的死区时间而漏失掉了。

每个工程师都相信仪器提供了正确的信息，但很少有工程师会考虑到自己正在使用的示波器只能提供如此之少的波形细节——举个例子，如果您观测的信号里存在一种平均1秒发生一次的故障，那么数字存储示波器1秒内发现这个故障的概率只有不到2%，15秒内发现的概率也只有大约26%。而事实上，由于开发时间紧迫，一般工程师观测一个信号的时间都不会超过10秒——结果，您只有不到1/4的几率能够捕获这个故障并进行有效调试。

几乎所有的示波器厂商都意识到数字存储示波器波形捕获率低这种缺陷，并且开发出了很多提高示波器速度的方法。但是，无论在数据从采集内存传到微处理器时使用两对1.25Gbps的千兆以太网链路的构架，还是在显示上采用显示局部和抽点显示的加速技术，都未能从最根本的问题上解决吞吐率的问题——串行的构架中，微处理器是速度的瓶颈，只有完全改变串行结构、解放微处理器，才是解决问题的关键。

在这个方面，泰克公司走在了行业的最前面，从一开始就着手于串行构架的改造。从上世纪90年代中期的InstaVu?到2006年初的实时DPO，基于并行构架的第三代示波器：数字荧光示波器，从出现逐渐走向成熟。下图是DPO数字荧光示波器的结构图：

从结构可以看出，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完成了采集数据的存储、光栅化和统计处理以生成三维数据库。并且能把光栅化的波形图像信息直接导入显存。在这种构架中，微处理器仅仅做显示控制等工作，不再在数据处理过程中充当瓶颈。

DPO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、波形漏失严重的缺陷。DPO7000、DPO70000系列实时数字荧光示波器的波形捕获率可以达到250000wfm/s，DPO71000、DPO72000系列超高性能数字荧光示波器更可超过300000wfm/s，捕获波形占总体信号的比例也最高可达60%(连续提供);而且新一代的DPX采集也没有了上一代“准实时荧光示波器” 的最高1.25G实时采样率的限制，而是可以工作在任何采样率下，对信号的捕获能力进一步增强，是现在业界发现问题的最佳工具。下图是三家不同厂商的同等级示波器同时观测一个带有偶发故障(约一秒钟发生一次)的时钟，15秒以后的情况。可以看到，在前面两种示波器几乎没有发现任何问题的时候，泰克的数字荧光示波器(右图)却捕获到了此间发生的多次故障，差别一目了然。

DPX生成三位数据库在显示上也有巨大优势。这种由硬件缓冲器记录的数据库可以保存波形的幅度、时间和随时间变化的幅度(即各点信号出现的频度)信息，无论在累计速度还是缓冲器深度(每点26bit)上都远远超过其它厂商的软件生成的数据库。由此三位数据库生成的显示波形，可以以色温、光谱、亮度等级等方式，同时告知用户幅度、时间和信号出现的概率信息，效果非常类似模拟示波器。

数字荧光示波器，拥有和模拟示波器相当的波形捕获率和显示方式，对重复信号和有重复特性的信号(如数字信号、串行通信信号)的捕获和观测能力大大超越传统数字存储示波器，能显著提高调试和验证的效率。同时，数字荧光示波器也具有数字存储示波器对于单次捕获信号的全部分析能力。而且，由于其构架的优势，数字荧光示波器在测试项目、测试速度以及测试精度上都全面领先于数字存储示波器。