了解示波器的發(fā)展過程對(duì)于正確選擇示波器是非常有用的。示波器是電子行業(yè)最重要的工具之一。

一、示波器的功能

示波器是一種圖形顯示設(shè)備，它描繪電信號(hào)的波形曲線。這一簡(jiǎn)單的波形能夠說明信號(hào)的許多特性：信號(hào)的時(shí)間和電壓值、振蕩信號(hào)的頻率、信號(hào)所代表電路中'變化部分'信號(hào)的特定部分相對(duì)于其它部分的發(fā)生頻率、是否存在故障部件使信號(hào)產(chǎn)生失真、信號(hào)的DC成份和AC成份、信號(hào)的噪聲值和噪聲隨時(shí)間變化的情況、比較多個(gè)波形信號(hào)等。

示波器是一種悠久的電子工程工具

二、示波器的發(fā)展簡(jiǎn)史

１、初期主要為模擬示波器

二十世紀(jì)四十年代是電子示波器興起的時(shí)代，雷達(dá)和電視的開發(fā)需要性能良好的波形觀察工具，泰克成功開發(fā)帶寬10MHz的同步示波器，這是近代示波器的基礎(chǔ)。五十年代半導(dǎo)體和電子計(jì)算機(jī)的問世，促進(jìn)電子示波器的帶寬達(dá)到100MHz。六十年代美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)在電子示波器開發(fā)方面各有不同的貢獻(xiàn)，出現(xiàn)帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬4GHz的行波示波管、1GHz的存儲(chǔ)示波管；便攜式、插件式示波器成為系列產(chǎn)品。七十年代模擬式電子示波器達(dá)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(biāo)志著當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的高水平，為測(cè)試數(shù)字電路又增添邏輯示波器和數(shù)字波形記錄器。模擬示波器從此沒有更大的進(jìn)展，開始讓位于數(shù)字示波器，英國(guó)和法國(guó)甚至退出示波器市場(chǎng)，技術(shù)以美國(guó)領(lǐng)先，中低檔產(chǎn)品由日本生產(chǎn)。
模擬示波器要提高帶寬，需要示波管、垂直放大和水平掃描全面推進(jìn)。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能，對(duì)示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲(chǔ)和處理，以及多種觸發(fā)和預(yù)前觸發(fā)能力。二十世紀(jì)八十年代數(shù)字示波器異軍突起，大有全面取代模擬示波器之勢(shì)，模擬示波器逐漸從前臺(tái)退到后臺(tái)。

2、中期數(shù)字示波器獨(dú)占鰲頭

八十年代的數(shù)字示波器處在轉(zhuǎn)型階段，還有不少地方要改進(jìn)，美國(guó)的TEK公司和HP公司都對(duì)數(shù)字示波器的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。它們后來停產(chǎn)模擬示波器，并且只生產(chǎn)性能好的數(shù)字示波器。進(jìn)入九十年代，數(shù)字示波器除了提高帶寬到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模擬示波器。出現(xiàn)所謂數(shù)字示波器模擬化的現(xiàn)象，換句話說，盡量吸收模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)字示波器更好用。

數(shù)字示波器首先在取樣率上提高，從最初取樣率等于兩倍帶寬，提高至五倍甚至十倍，相應(yīng)對(duì)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(shù)字示波器的更新率，達(dá)到模擬示波器相同水平，最高可達(dá)每秒40萬個(gè)波形，使觀察偶發(fā)信號(hào)和捕捉毛刺脈沖的能力大為增強(qiáng)。

再次，采用多處理器加快信號(hào)處理能力，從多重菜單的煩瑣測(cè)量參數(shù)調(diào)節(jié)，改進(jìn)為簡(jiǎn)單的旋鈕調(diào)節(jié)，甚至完全自動(dòng)測(cè)量，使用上與模擬示波器同樣方便。

最后，數(shù)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(tài)，即顯示出信號(hào)的幅值、時(shí)間以及幅值在時(shí)間上的分布。具有這種功能的數(shù)字示波器稱為數(shù)字熒光示波器或數(shù)字余輝示波器即數(shù)模兼合。

3、數(shù)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(nèi)電子運(yùn)動(dòng)速度與信號(hào)頻率成正比，信號(hào)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(hào)的第三維信息，如用屏幕垂直軸表示幅度，水平軸表示時(shí)間，則屏幕亮度可表示信號(hào)幅度隨時(shí)間分布的變化。這種與時(shí)間有關(guān)的熒光余輝（灰度定標(biāo)）效應(yīng)對(duì)觀察混合波形和偶發(fā)波形十分有效，模擬存儲(chǔ)示波器就是這種專用示波器的代表產(chǎn)品，最高的性能達(dá)到800MHz帶寬，可記錄到1ns左右的快速瞬變偶發(fā)事件。

數(shù)字示波器缺少余輝顯示功能,因?yàn)樗菙?shù)字處理，只有兩個(gè)狀態(tài)，非高即低，原則上波形是'有'和'無'兩個(gè)顯示。為達(dá)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(shù)據(jù)采集、圖象處理和存儲(chǔ)等多項(xiàng)功能，DPX芯片由130萬個(gè)晶體管組成，采用0.65μm的CMOS工藝，并行流水結(jié)構(gòu)，取樣率高。它既是數(shù)據(jù)采集芯片，同時(shí)也是光柵掃描器，模擬示波管屏幕熒光體的發(fā)光特性，用16級(jí)亮度分級(jí)，將波形存儲(chǔ)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(chǔ)示波器只能依靠照相底片記錄波形，對(duì)數(shù)據(jù)保存并不方便，而數(shù)字熒光示波器是數(shù)字處理的顯示，數(shù)據(jù)記錄、處理、保存都十分方便。例如用紅色表示出現(xiàn)幾率最高的波形，蘭色表示出現(xiàn)幾率最低的波形，達(dá)到一目了然。由于數(shù)字示波器已經(jīng)達(dá)到4GHz以上帶寬的水平，配合熒光顯示特性，總的性能優(yōu)于模擬存儲(chǔ)示波器。

科技的發(fā)展離不開示波器

4、數(shù)字熒光示波器

數(shù)字熒光示波器（DPO）為示波器系列增加了一種新的類型，能實(shí)時(shí)顯示、存貯和分析復(fù)雜信號(hào)的三維信號(hào)信息：幅度、時(shí)間和整個(gè)時(shí)間的幅度分布。DSO采用串行處理的體系結(jié)構(gòu)捕獲、顯示和分析信號(hào)；相對(duì)而言，DPO為完成這些功能采用的是并行體系結(jié)構(gòu)。并行結(jié)構(gòu)和基于ASIC硬件的處理技術(shù)，使數(shù)字熒光示波器能夠捕捉到當(dāng)今復(fù)雜的動(dòng)態(tài)信號(hào)中的全部細(xì)節(jié)和異常情況，并以人類的眼睛的接受速度顯示出來。

普通數(shù)字示波器要觀察偶發(fā)事件需要使用長(zhǎng)時(shí)間記錄，然后作信號(hào)處理，這種辦法會(huì)漏掉非周期性出現(xiàn)的信號(hào)和不能顯示出信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性。數(shù)字熒光示波器能夠顯示復(fù)雜波形中的微細(xì)差別，以及出現(xiàn)的頻繁程度。例如觀察電視信號(hào)，既有行掃描、幀掃描、視頻信號(hào)和伴音信號(hào)，還要記錄電視信號(hào)中的異常現(xiàn)象，對(duì)于專業(yè)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(xiàn)場(chǎng)使用 。

Freetest便攜式無線示波器

6、基于PC機(jī)的虛擬示波器

獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器，性能強(qiáng)大，但是價(jià)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?qū)ζ浼右詳U(kuò)展或自定義其功能。儀器的旋鈕和開關(guān)、內(nèi)置電路及用戶所能使用的功能對(duì)這臺(tái)儀器來說都是固定的。另外，開發(fā)這些儀器還必須要用專門的技術(shù)和高成本的元部件，從而使它們身價(jià)頗高且很不容易更新。基于PC機(jī)的虛擬示波器誕生以來就充分利用了現(xiàn)成即用的PC機(jī)所帶來的最新科技這些科技和性能上的優(yōu)勢(shì)迅速縮短了獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器和PC機(jī)之間的距離，包括功能強(qiáng)大的處理器（如Pentium 4)、操作系統(tǒng)及微軟Windows XP、NET技術(shù)和Apple Mac OS x。除了融合諸多功能強(qiáng)大的特性，這些平臺(tái)還為用戶提供了簡(jiǎn)單的聯(lián)網(wǎng)工具。此外，傳統(tǒng)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(yùn)行，充分體現(xiàn)了其便攜特性。需要經(jīng)常變換應(yīng)用項(xiàng)目和系統(tǒng)要求的工程師和科學(xué)家們需要有非常靈活的開發(fā)平臺(tái)以便創(chuàng)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?yàn)橛邪惭b在PC機(jī)上的應(yīng)用軟件和一系列可選的插入式硬件，無需更換整套設(shè)備，即能完成新系統(tǒng)的開發(fā)。

Freetest示波器界面，優(yōu)秀的使用體驗(yàn)是分離式示波器的特點(diǎn)

三、數(shù)字示波器與模擬示波器的比較

在發(fā)展初期模擬示波器的某些特點(diǎn)，是數(shù)字示波器所不具備的：

操作簡(jiǎn)單：全部操作都在面板上可以找到，波形反應(yīng)及時(shí)，數(shù)字示波器往往要較長(zhǎng)處理時(shí)間。

垂直分辨率高：連續(xù)而且無限級(jí)，數(shù)字示波器分辨率一般只有8位至10位。

數(shù)據(jù)更新快：每秒捕捉幾十萬個(gè)波形，數(shù)字示波器每秒捕捉幾十個(gè)波形。

實(shí)時(shí)帶寬和實(shí)時(shí)顯示：連續(xù)波形與單次波形的帶寬相同，數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān)，取樣率不高時(shí)需借助內(nèi)插計(jì)算，容易出現(xiàn)混淆波形。

簡(jiǎn)而言之，模擬示波器為工程技術(shù)人員提供眼見為實(shí)的波形，在規(guī)定的帶寬內(nèi)可非常放心進(jìn)行測(cè)試。人類五官中眼睛視覺神經(jīng)十分靈敏，屏幕波形瞬間反映至大腦作出判斷，細(xì)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(shù)字示波器的出現(xiàn)經(jīng)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(jìn)行的測(cè)量工作和要測(cè)量的信號(hào)。有些情況下DSO的優(yōu)點(diǎn)比較明顯，而在另一些情況下模擬示波器要比現(xiàn)有的DSO都要好。

簡(jiǎn)單重復(fù)性信號(hào)：使用模擬示波器DSO示波器通常都能很好的觀察簡(jiǎn)單重復(fù)性信號(hào)。但是兩者都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。對(duì)于模擬示波器來說，由于CRT的余輝時(shí)間很短，因而很難顯示頻率很低的信號(hào)。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(shí)間的低重復(fù)速率信號(hào)就很難看到。而DSO的掃跡亮度和掃描速度與信號(hào)重復(fù)速率無關(guān)。隨著被測(cè)信號(hào)情況的不同，這個(gè)可能是優(yōu)點(diǎn)也可能是缺點(diǎn)。對(duì)于顯示具有足夠重復(fù)速率的重復(fù)性信號(hào)的快速沿來說，DSO和模擬示波器的性能幾乎沒有什么區(qū)別。用兩種示波器都能很好的觀察信號(hào)波形。 當(dāng)要進(jìn)行信號(hào)參量的測(cè)量時(shí)，DSO的優(yōu)點(diǎn)在于具有自動(dòng)測(cè)量的能力。而使用模擬示波器時(shí)，用戶必須自己設(shè)置光標(biāo)，分析理解顯示的波形才能得到測(cè)量的結(jié)果。如果要進(jìn)行調(diào)整工作，那么一般最好使用模擬示波器。這是因?yàn)槟M示波器的實(shí)時(shí)顯示能力使它在每一時(shí)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(shù)）很高。在高掃描速度時(shí)可以遠(yuǎn)超過100000次掃描/秒。所以信號(hào)的任何變化都會(huì)立即顯示出來。而且有些信號(hào)的變化會(huì)在顯示屏幕上以波形亮度變化的形式表現(xiàn)出來。與模擬示波器相反，DSO所顯示的是用采集的波形數(shù)據(jù)重建的波形。每秒鐘采集波形的次數(shù)遠(yuǎn)低于100次。在有些示波器上，甚至不超過5次。結(jié)果在信號(hào)發(fā)生變化和變化了的信號(hào)在屏幕上顯示出來之間就有了明顯的時(shí)間延遲。當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整工作時(shí)，這是使用DSO的重大缺點(diǎn)。

比較復(fù)雜的重復(fù)性信號(hào)：上述的簡(jiǎn)單重復(fù)性信號(hào)可以在很多電子學(xué)領(lǐng)域中見到，這些信號(hào)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(diào)制信號(hào)和多種調(diào)制方式常常可能同時(shí)使用。一個(gè)常見的復(fù)雜模擬信號(hào)的事例就是全電視信號(hào)。此信號(hào)由多種不同頻率不同幅度的的分量構(gòu)成。既包括脈沖也包括方波，再加上為表示彩色信息而進(jìn)行了相移的另外的正弦波。對(duì)于這樣的情況，模擬示波器和DSO都有其自己特別的優(yōu)點(diǎn)，各自都能對(duì)信號(hào)的不同部分進(jìn)行最佳的觀察。

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(shù)，它能顯示出波形在時(shí)間上的分布。波形掃描上的亮度變化正比于信號(hào)在某一特定電平持續(xù)的時(shí)間。這就很好的顯示出了彩色調(diào)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整的效果。使用DSO時(shí)，由于其采樣點(diǎn)數(shù)有限以及沒有亮度的變化，使得很多波形細(xì)節(jié)信息無法顯示出來。雖然有些DSO可能具有兩個(gè)或多個(gè)亮度層次，但這只是相對(duì)意義上的區(qū)別，再加上示波器有限的顯示分辨率，使它仍然不能重現(xiàn)模擬顯示的效果。

如果只要顯示一行視頻信號(hào)的小部分，例如某一特定行中的TV發(fā)送測(cè)試信號(hào)、圖文電視數(shù)據(jù)或者某一特定行上彩色脈沖群，那么最好使用DSO。如果使用模擬示波器，則由于相對(duì)比較低的信號(hào)重復(fù)速率，再加上要觀察的信號(hào)部分本身時(shí)間很短，很容易導(dǎo)致顯示的畫面太暗而難以看見。而DSO則不論信號(hào)的重復(fù)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(hào)。

如果重復(fù)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(gè)波形是不可能看到這些尖峰或毛刺的。而當(dāng)使用DSO時(shí)，使用峰值檢測(cè)就可以把這些尖峰顯示出來。

非重復(fù)性信號(hào)和瞬變：模擬示波器和DSO的主要區(qū)別在于DSO能夠存儲(chǔ)波形信息。這使得DSO在研究非重復(fù)性信號(hào)和瞬變的工作中具有特別寶貴的價(jià)值。非重復(fù)性信號(hào)和瞬變是很多系統(tǒng)中都可以看見到。例如測(cè)量一個(gè)電系統(tǒng)的沖擊電流、破壞性實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)測(cè)量。在破壞性實(shí)驗(yàn)中只能進(jìn)行一次測(cè)量。雖然很多模擬示波器也常常有單次測(cè)量能力，即可以產(chǎn)生單次的時(shí)基掃描。

在DSO出現(xiàn)以前，非重復(fù)性信號(hào)和瞬變由于觀察極為困難而且代價(jià)過高，所以此類工作很多情況下都只能選擇放棄。因?yàn)槟菚r(shí)，觀察這類信號(hào)需要使用昂貴的模擬存儲(chǔ)示波器、照相機(jī)和長(zhǎng)余輝示波管等等。

如果某一事件只發(fā)生一次，那么模擬示波器通常是不能應(yīng)付的。而這正是DSO展示其強(qiáng)大能力的時(shí)機(jī)，DSO能捕捉這種罕見的一次性事件，并能按照所希望的長(zhǎng)時(shí)間的將它顯示出來。這種罕見的事件甚至可能是干擾的結(jié)果。通過用干擾本身來觸發(fā)，DSO具有顯示預(yù)觸發(fā)的能力，包括顯示干擾的原因。