一文讀懂示波器的起源、類型

示波器的起源

諾貝爾獎獲得者，德國物理學(xué)家 K.F.布勞恩（圖 1）在 1897 年出于對物理現(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)片施加一個振蕩信號，然后向縱向偏轉(zhuǎn)片發(fā)送一個測試信號。這兩個偏轉(zhuǎn)片會在小熒光屏上產(chǎn)生瞬態(tài)的電波圖像。該發(fā)明逐步演變（圖 2）成一臺測量儀器，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)讓示波器成為一臺非常實用的儀器，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)閾值時才能對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，示波器會將多個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)字示波器的市場驅(qū)動力

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，還可以更廣泛的對信號進(jìn)行分析，同時也能滿足更加復(fù)雜和更高速率的數(shù)據(jù)流的特殊測量要求，而這些也僅僅是數(shù)字示波器的眾多優(yōu)勢的一部分。數(shù)字示波器可以讓用戶根據(jù)信號某些特定參數(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)，用戶能夠在另一個房間、另一個城鎮(zhèn)甚至另一個國家對示波器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作并顯示結(jié)果，使其成為自動檢測系統(tǒng)的組成部分。數(shù)字示波器架構(gòu)的其中一個關(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）。數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)會在下文中作詳細(xì)介紹。

數(shù)字示波器的類型

數(shù)字示波器具備兩項基本功能：信號采集與信號分析。在采集信號樣本過程中，采集到的信號會保存在存儲器中；而在信號分析時，示波器會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)字采樣示波器在對信號進(jìn)行垂直設(shè)置之前對信號進(jìn)行采樣。它具備非常寬的帶寬，缺點是動態(tài)范圍有限，一般測量信號的峰-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，它能夠測量速度更快的重復(fù)周期信號。因此，數(shù)字采樣示波器可勝任超高帶寬的應(yīng)用測量，比如光纖傳輸測量，此類示波器成本也較高。

實時采樣示波器

當(dāng)信號的頻率范圍小于示波器最大采樣頻率的一半時，實時采樣便具有明顯的優(yōu)勢。該技術(shù)讓儀器可以在單次掃描中獲取大量樣本點，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)信號的唯一方法。

嵌入式系統(tǒng)通常包含數(shù)字邏輯信號，以及受時鐘控制或者不受時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。

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

混合信號示波器

混合信號示波器擴(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，簡化了試驗平臺并能實現(xiàn)單一儀器的模擬波形、數(shù)字信號和協(xié)議分析的同步可視化。硬件開發(fā)者可以利用混合信號示波器來分析信號的完整性，而軟件開發(fā)者可以利用它們來分析信號內(nèi)容。

典型的混合信號示波器具有兩個或者四個模擬通道，以及更多的數(shù)字通道。模擬通道和數(shù)字通道要求實現(xiàn)同步，使得它們可以在時間上相關(guān)并在同一臺儀器上進(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，各個域均會以不同的方式顯示信號。這一點在許多測量應(yīng)用中是很有用的。比如，如果用戶在評估一個嵌入式（板級）信號處理系統(tǒng)的時候需要查看跨越子系統(tǒng)的模擬、數(shù)字和高頻信號，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

每一臺數(shù)字示波器都具備四個基本功能模塊 – 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，因為大部分必需的調(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)值來控制信號的衰減或放大，使信號能夠以適當(dāng)幅度進(jìn)行顯示。水平控件與儀器的時基有關(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間量。觸發(fā)系統(tǒng)會執(zhí)行信號穩(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 個或者 10 個垂直格，每格代表總電壓的一部分。也就是說，對于顯示柵格有 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，為簡單起見通常會選用 10格：10格比 8格更加容易劃分。探頭也會對顯示比例造成影響，有些探頭不會對信號造成衰減（1X 探頭），有些探頭會有 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被探頭捕捉，到經(jīng)過線纜傳入儀器的整個過程的信號傳輸。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直接發(fā)送至示波器的縱向增益放大器，由此可以實現(xiàn)最寬帶寬。選擇交流或者直流耦合模式（對應(yīng)的 1M 歐姆端子數(shù)值）會在縱向增益放大器前方放置一個放大器，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)會斷開連接，0-V 的點會顯示在屏幕上。

其它與垂直系統(tǒng)相關(guān)的電路還包括一個帶寬限制器，用于在對顯示波形進(jìn)行降噪時衰減高頻信號成分。許多示波器還利用一個 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最大基頻的兩倍。為了實現(xiàn)這一點，儀器通常會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)時間。

水平系統(tǒng)

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

采樣點之間的時間間隔稱為采樣間隔，樣點值代表保存在存儲器中用于產(chǎn)生波形的數(shù)值。波形點之間的時間間隔稱為波形間隔，由于一個波形點可能建立在多個采樣點的基礎(chǔ)上，因此兩者是相關(guān)的，有時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，因為一個通道只能產(chǎn)生一個波形，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通道上并行顯示三個波形，而且各個波形都可以對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：對于每個波形間隔，均由一個采樣點來產(chǎn)生一個波形點。
? 高分辨率模式：對于每個波形間隔，會顯示波形間隔的平均采樣點。
? 峰值檢測模式：對于每個波形間隔，會顯示波形內(nèi)的最小采樣點和最大采樣點。
? RMS：顯示波形間隔內(nèi)的采樣點 RMS 值。這與瞬時功率成比例。

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

? 平均模式：根據(jù)多次采樣獲得各個波形間隔樣本的平均值。

觸發(fā)系統(tǒng)

觸發(fā)器是每個數(shù)字示波器的基本單元之一，用于捕捉信號事件進(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量信號。如前所述，數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)在測量精度、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。