示波器的起源

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，德國物理學(xué)家 K.F.布勞恩（圖 1）在 1897 年出于對(duì)物理現(xiàn)象的好奇而發(fā)明了 CRT 示波器。他向熒光 CRT 上的水平偏轉(zhuǎn)片施加一個(gè)振蕩信號(hào)，然后向縱向偏轉(zhuǎn)片發(fā)送一個(gè)測(cè)試信號(hào)。這兩個(gè)偏轉(zhuǎn)片會(huì)在小熒光屏上產(chǎn)生瞬態(tài)的電波圖像。該發(fā)明逐步演變（圖 2）成一臺(tái)測(cè)量儀器，并且其性能在后續(xù)的 50 多年里不斷改善。工程師霍華德•衛(wèi)林在 1947 年所作的改進(jìn)讓示波器成為一臺(tái)非常實(shí)用的儀器，首次能夠通過觸發(fā)器來控制掃描功能。

圖 1：諾貝爾獎(jiǎng)獲得者,物理學(xué)家 K.F 布勞恩

圖 2：早期的示波器

早期的示波器由于缺少觸發(fā)器，所以只能在輸入電壓超過可調(diào)閾值時(shí)才能對(duì)輸入電壓的波形開始進(jìn)行水平追蹤。觸發(fā)功能可以在 CRT 上保持穩(wěn)定的重復(fù)波形，即多次重復(fù)畫出相同軌跡的波形。如果沒有觸發(fā)功能，示波器會(huì)將多個(gè)掃描波形顯示在不同的位置上，導(dǎo)致屏幕上出現(xiàn)不連貫的雜亂圖形或者移動(dòng)的圖像。示波器的性能和功能得以持續(xù)改進(jìn)的直接因素是高性能的模擬和數(shù)字半導(dǎo)體裝置，以及軟件的飛速發(fā)展。
數(shù)字化時(shí)代的呼喚

得益于較快的模-數(shù)轉(zhuǎn)換速度以及用于記錄并顯示波形的存儲(chǔ)器，數(shù)字示波器在 20 世紀(jì) 80 年代開始崛起并迅速獲得普遍應(yīng)用。

圖 3：模擬示波器發(fā)展為數(shù)字示波器的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力

即便是最早的數(shù)字示波器，也提供了模擬示波器所不具備的觸發(fā)、分析和顯示方面的靈活性。半導(dǎo)體和軟件的發(fā)展進(jìn)一步將儀器從模擬為主的構(gòu)造轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化為主的構(gòu)造。數(shù)字化領(lǐng)域的信號(hào)處理為商業(yè)和工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)造了有利條件，示波器卻從中獲益尤多。概括地講，數(shù)字示波器不僅能以前所未有的方式來處理信號(hào)，還可以更廣泛的對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)也能滿足更加復(fù)雜和更高速率的數(shù)據(jù)流的特殊測(cè)量要求，而這些也僅僅是數(shù)字示波器的眾多優(yōu)勢(shì)的一部分。數(shù)字示波器可以讓用戶根據(jù)信號(hào)某些特定參數(shù)捕捉特定事件，還可以看到事件發(fā)生前的情況。得益于局域網(wǎng)和因特網(wǎng)，用戶能夠在另一個(gè)房間、另一個(gè)城鎮(zhèn)甚至另一個(gè)國家對(duì)示波器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作并顯示結(jié)果，使其成為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成部分。數(shù)字示波器架構(gòu)的其中一個(gè)關(guān)鍵部分是羅德與施瓦茨公司于 2009 年引入了的數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)，它消除了模擬觸發(fā)系統(tǒng)的固有限制（比如觸發(fā)抖動(dòng)）。數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)會(huì)在下文中作詳細(xì)介紹。

數(shù)字示波器的類型

數(shù)字示波器具備兩項(xiàng)基本功能：信號(hào)采集與信號(hào)分析。在采集信號(hào)樣本過程中，采集到的信號(hào)會(huì)保存在存儲(chǔ)器中；而在信號(hào)分析時(shí)，示波器會(huì)分析采集到的波形并將其輸出到顯示器。目前市面上有各種各樣的數(shù)字示波器，而這里所介紹的都是當(dāng)今最常見的示波器類型。

數(shù)字采樣示波器

數(shù)字采樣示波器在對(duì)信號(hào)進(jìn)行垂直設(shè)置之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。它具備非常寬的帶寬，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍有限，一般測(cè)量信號(hào)的峰-峰值最大約 1 V。與其它某些類型的數(shù)字示波器不同，數(shù)字采樣示波器可以捕捉到信號(hào)中遠(yuǎn)高于儀器采樣率的頻率分量。相比于其他類型的示波器，它能夠測(cè)量速度更快的重復(fù)周期信號(hào)。因此，數(shù)字采樣示波器可勝任超高帶寬的應(yīng)用測(cè)量，比如光纖傳輸測(cè)量，此類示波器成本也較高。

實(shí)時(shí)采樣示波器

當(dāng)信號(hào)的頻率范圍小于示波器最大采樣頻率的一半時(shí)，實(shí)時(shí)采樣便具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)讓儀器可以在單次掃描中獲取大量樣本點(diǎn)，提供高度精確的顯示。這是目前能夠捕捉最快速單次瞬態(tài)信號(hào)的唯一方法。

嵌入式系統(tǒng)通常包含數(shù)字邏輯信號(hào)，以及受時(shí)鐘控制或者不受時(shí)鐘控制的并行總線和串行總線，以及標(biāo)準(zhǔn)化或者專用的傳輸碼型。

所有這些信號(hào)都必須經(jīng)過分析，這往往要求使用復(fù)雜的測(cè)試裝置和多種儀器。并且通常還必須同時(shí)顯示模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。為此，現(xiàn)在的許多示波器都具備特定的選件，將數(shù)字示波器升級(jí)為具有邏輯分析功能的混合工具。這對(duì)于數(shù)字電路的快速調(diào)試來說非常重要，因?yàn)樗邆鋽?shù)字觸發(fā)功能、高分辨率、采集及分析功能。

混合信號(hào)示波器

混合信號(hào)示波器擴(kuò)展了數(shù)字示波器的功能，包含有邏輯和協(xié)議分析能力，簡化了試驗(yàn)平臺(tái)并能實(shí)現(xiàn)單一儀器的模擬波形、數(shù)字信號(hào)和協(xié)議分析的同步可視化。硬件開發(fā)者可以利用混合信號(hào)示波器來分析信號(hào)的完整性，而軟件開發(fā)者可以利用它們來分析信號(hào)內(nèi)容。

典型的混合信號(hào)示波器具有兩個(gè)或者四個(gè)模擬通道，以及更多的數(shù)字通道。模擬通道和數(shù)字通道要求實(shí)現(xiàn)同步，使得它們可以在時(shí)間上相關(guān)并在同一臺(tái)儀器上進(jìn)行分析。

混合域示波器

顧名思義，混合域示波器可以顯示數(shù)字域、模擬域和射頻域的波形數(shù)據(jù)，并建立它們之間的相關(guān)性，各個(gè)域均會(huì)以不同的方式顯示信號(hào)。這一點(diǎn)在許多測(cè)量應(yīng)用中是很有用的。比如，如果用戶在評(píng)估一個(gè)嵌入式（板級(jí)）信號(hào)處理系統(tǒng)的時(shí)候需要查看跨越子系統(tǒng)的模擬、數(shù)字和高頻信號(hào)，那么混合域示波器便可以滿足要求。數(shù)字示波器的基本元素

每一臺(tái)數(shù)字示波器都具備四個(gè)基本功能模塊 – 垂直系統(tǒng)、水平系統(tǒng)、觸發(fā)系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)。為了理解數(shù)字示波器的整體功能，理解各個(gè)模塊的功能至關(guān)重要。

數(shù)字示波器前面板的大部分區(qū)域均用于控制垂直、水平和觸發(fā)功能，因?yàn)榇蟛糠直匦璧恼{(diào)節(jié)工作都是由這些功能來完成。垂直功能部分通過控件改變“volts per division”（每格電壓值）數(shù)值來控制信號(hào)的衰減或放大，使信號(hào)能夠以適當(dāng)幅度進(jìn)行顯示。水平控件與儀器的時(shí)基有關(guān)，其“每格秒數(shù)”控件用于確定顯示屏上水平每格所代表的時(shí)間量。觸發(fā)系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行信號(hào)穩(wěn)定化處理以及示波器初始化等基本功能以進(jìn)行信號(hào)采集，用戶可以選擇并修改具體觸發(fā)類型。而最后的顯示系統(tǒng)則包括顯示器本身和顯示驅(qū)動(dòng)器，以及用于執(zhí)行顯示功能的軟件。

垂直系統(tǒng)

該系統(tǒng)（圖 4）讓用戶能夠垂直定位和縮放波形，選擇輸入耦合方式，以及修改信號(hào)特征使其以特定方式顯示在屏幕上。用戶可以將波形垂直放置在顯示屏上的精確位置，并增加或者縮小其大小尺寸。所有示波器的顯示屏幕上均設(shè)有柵格，用于將屏幕上的可視區(qū)域劃分為 8 個(gè)或者 10 個(gè)垂直格，每格代表總電壓的一部分。也就是說，對(duì)于顯示柵格有 10格的示波器來說，如果總體可顯示的電壓為 50 V，那么每格代表 5 V。

圖 4：垂直系統(tǒng)

8格、10格或者其它一些柵格在選擇上是隨意的，為簡單起見通常會(huì)選用 10格：10格比 8格更加容易劃分。探頭也會(huì)對(duì)顯示比例造成影響，有些探頭不會(huì)對(duì)信號(hào)造成衰減（1X 探頭），有些探頭會(huì)有 10 倍衰減功能 (10X 探頭)，有些甚至可以達(dá)到 1000 倍衰減。探頭的問題會(huì)在下文再進(jìn)行討論。

前面提到的輸入耦合基本上確定了從信號(hào)被探頭捕捉，到經(jīng)過線纜傳入儀器的整個(gè)過程的信號(hào)傳輸。直流耦合提供 1 M歐姆或者 50 歐姆的輸入耦合阻抗。

選擇 50 歐姆的輸入耦合可以將輸入信號(hào)直接發(fā)送至示波器的縱向增益放大器，由此可以實(shí)現(xiàn)最寬帶寬。選擇交流或者直流耦合模式（對(duì)應(yīng)的 1M 歐姆端子數(shù)值）會(huì)在縱向增益放大器前方放置一個(gè)放大器，通常在所有情況下均將帶寬限制為 500 MHz。如此高阻抗的好處在于提供了內(nèi)在的高電壓保護(hù)。在前面板上選擇“接地”之后，縱向系統(tǒng)會(huì)斷開連接，0-V 的點(diǎn)會(huì)顯示在屏幕上。

其它與垂直系統(tǒng)相關(guān)的電路還包括一個(gè)帶寬限制器，用于在對(duì)顯示波形進(jìn)行降噪時(shí)衰減高頻信號(hào)成分。許多示波器還利用一個(gè) DSP 任意均衡濾波器（抗混疊濾波器）來擴(kuò)展儀器帶寬，通過調(diào)整示波器通道的相位和幅值響應(yīng)使儀器帶寬超出前端的原始響應(yīng)。然而，這些電路要求采樣率滿足奈奎斯特定理 —— 采樣率必須大于信號(hào)最大基頻的兩倍。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，儀器通常會(huì)被鎖定在其最大采樣率，在未禁用濾波器的情況下無法降低采樣率以察看更長的持續(xù)時(shí)間。

水平系統(tǒng)

相對(duì)于垂直系統(tǒng)，水平系統(tǒng)與信號(hào)采集更相關(guān)，強(qiáng)調(diào)采樣率、存儲(chǔ)深度以及其它與數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換直接相關(guān)的性能指標(biāo)。

采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔稱為采樣間隔，樣點(diǎn)值代表保存在存儲(chǔ)器中用于產(chǎn)生波形的數(shù)值。波形點(diǎn)之間的時(shí)間間隔稱為波形間隔，由于一個(gè)波形點(diǎn)可能建立在多個(gè)采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上，因此兩者是相關(guān)的，有時(shí)也可能具有相同的數(shù)值。

一般示波器的采集模式菜單非常有限，因?yàn)橐粋€(gè)通道只能產(chǎn)生一個(gè)波形，用戶只能選擇一種采樣類型或者一種波形算法類型。但是，某些示波器可以在一個(gè)通道上并行顯示三個(gè)波形，而且各個(gè)波形都可以對(duì)采樣類型和波形算法類型進(jìn)行組合。典型的模式包括：

• 采樣模式：對(duì)于每個(gè)波形間隔，均由一個(gè)采樣點(diǎn)來產(chǎn)生一個(gè)波形點(diǎn)。
• 高分辨率模式：對(duì)于每個(gè)波形間隔，會(huì)顯示波形間隔的平均采樣點(diǎn)。
• 峰值檢測(cè)模式：對(duì)于每個(gè)波形間隔，會(huì)顯示波形內(nèi)的最小采樣點(diǎn)和最大采樣點(diǎn)。
• RMS：顯示波形間隔內(nèi)的采樣點(diǎn) RMS 值。這與瞬時(shí)功率成比例。

典型的波形算法模式包括：
• 包絡(luò)模式：基于由至少兩個(gè)觸發(fā)事件所捕捉的波形，示波器會(huì)生成一個(gè)邊界（包絡(luò)線）來表示波形的最大值和最小值。

• 平均模式：根據(jù)多次采樣獲得各個(gè)波形間隔樣本的平均值。

觸發(fā)系統(tǒng)

觸發(fā)器是每個(gè)數(shù)字示波器的基本單元之一，用于捕捉信號(hào)事件進(jìn)行詳細(xì)分析以及提供穩(wěn)定的重復(fù)波形視圖。觸發(fā)系統(tǒng)的精度及其靈活性決定了如何顯示以及分析測(cè)量信號(hào)。如前所述，數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)在測(cè)量精度、采集密度以及功能性方面為示波器用戶帶來顯著的優(yōu)勢(shì)。