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示波器的进化史

2017-11-20 21:59:43 freeTest 泰思科技 点击数:

了解示波器的发展过程对于正确选择示波器是非常有用的。

示波器的发展简史

示波器是电子行业最重要的工具之一

一、示波器的功能

示波器是一种图形显示设备,它描绘电信号的波形曲线。这一简单的波形能够说明信号的许多特性:信号的时间和电压值、振荡信号的频率、信号所代表电路中"变化部分"信号的特定部分相对于其它部分的发生频率、是否存在故障部件使信号产生失真、信号的DC成份和AC成份、信号的噪声值和噪声随时间变化的情况、比较多个波形信号等。

示波器的发展简史

示波器是一种悠久的电子工程工具

二、示波器的发展简史

1、初期主要为模拟示波器

二十世纪四十年代是电子示波器兴起的时代,雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具,泰克成功开发带宽10MHz的同步示波器,这是近代示波器的基础。五十年代半导体和电子计算机的问世,促进电子示波器的带宽达到100MHz。六十年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献,出现带宽6GHz的取样示波器、带宽4GHz的行波示波管、1GHz的存储示波管;便携式、插件式示波器成为系列产品。七十年代模拟式电子示波器达到高峰,行谱系列非常完整,带宽1GHz的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平,为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。模拟示波器从此没有更大的进展,开始让位于数字示波器,英国和法国甚至退出示波器市场,技术以美国领先,中低档产品由日本生产。

模拟示波器要提高带宽,需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能,对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理,以及多种触发和预前触发能力。二十世纪八十年代数字示波器异军突起,大有全面取代模拟示波器之势,模拟示波器逐渐从前台退到后台。

2、中期数字示波器独领风骚

八十年代的数字示波器处在转型阶段,还有不少地方要改进,美国的TEK公司和HP公司都对数字示波器的发展作出贡献。它们后来停产模拟示波器,并且只生产性能好的数字示波器。进入九十年代,数字示波器除了提高带宽到1GHz以上,更重要的是它的全面性能超越模拟示波器。出现所谓数字示波器模拟化的现象,换句话说,尽量吸收模拟示波器的优点,使数字示波器更好用。

数字示波器首先在取样率上提高,从最初取样率等于两倍带宽,提高至五倍甚至十倍,相应对正弦波取样引入的失真也从100%降低至3%甚至1%。带宽1GHz的取样率就是5GHz/s,甚至10GHz/s。

其次,提高数字示波器的更新率,达到模拟示波器相同水平,最高可达每秒40万个波形,使观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲的能力大为增强。

再次,采用多处理器加快信号处理能力,从多重菜单的烦琐测量参数调节,改进为简单的旋钮调节,甚至完全自动测量,使用上与模拟示波器同样方便。

最后,数字示波器与模拟示波器一样具有屏幕的余辉方式显示,赋于波形的三维状态,即显示出信号的幅值、时间以及幅值在时间上的分布。具有这种功能的数字示波器称为数字荧光示波器或数字余辉示波器即数模兼合。

3、数字示波器要有模拟功能

模拟示波器用阴极射线管显示波形,示波管的带宽与模拟示波器的相同,亦即示波管内电子运动速度与信号频率成正比,信号频率越高电子速度越快,示波管屏幕的亮度与电子束的速度成反比,低频波形的亮度高,高频波形的亮度低。利用荧光屏幕的亮度或灰度容易获得信号的第三维信息,如用屏幕垂直轴表示幅度,水平轴表示时间,则屏幕亮度可表示信号幅度随时间分布的变化。这种与时间有关的荧光余辉(灰度定标)效应对观察混合波形和偶发波形十分有效,模拟存储示波器就是这种专用示波器的代表产品,最高的性能达到800MHz带宽,可记录到1ns左右的快速瞬变偶发事件。

数字示波器缺少余辉显示功能,因为它是数字处理,只有两个状态,非高即低,原则上波形也是"有"和"无"两个显示。为达到模拟示波器那样的多层次亮度变化,必须采用专用图象处理芯片,例如TEK公司采用DPX型处理器芯片,具有数据采集、图象处理和存储等多项功能,DPX芯片由130万个晶体管组成,采用0.65μm的CMOS工艺,并行流水结构,取样率高。它既是数据采集芯片,同时也是光栅扫描器,模拟示波管屏幕荧光体的发光特性,用16级亮度分级,将波形存储在500×200像素的LCD单色或彩色显示屏上,每1/30秒更新一次。由于模拟存储示波器只能依靠照相底片记录波形,对数据保存并不方便,而数字荧光示波器是数字处理的显示,数据记录、处理、保存都十分方便。例如用红色表示出现几率最高的波形,兰色表示出现几率最低的波形,达到一目了然。由于数字示波器已经达到4GHz以上带宽的水平,配合荧光显示特性,总的性能优于模拟存储示波器。

示波器的发展简史

科技的发展离不开示波器

4、数字荧光示波器

数字荧光示波器(DPO)为示波器系列增加了一种新的类型,能实时显示、存贮和分析复杂信号的三维信号信息:幅度、时间和整个时间的幅度分布。DSO采用串行处理的体系结构捕获、显示和分析信号;相对而言,DPO为完成这些功能采用的是并行体系结构。并行结构和基于ASIC硬件的处理技术,使数字荧光示波器能够捕捉到当今复杂的动态信号中的全部细节和异常情况,并以人类的眼睛的接受速度显示出来。

普通数字示波器要观察偶发事件需要使用长时间记录,然后作信号处理,这种办法会漏掉非周期性出现的信号和不能显示出信号的动态特性。数字荧光示波器能够显示复杂波形中的微细差别,以及出现的频繁程度。例如观察电视信号,既有行扫描、帧扫描、视频信号和伴音信号,还要记录电视信号中的异常现象,对于专业人员和维修人员都是同样重要的。

5、手持示波表

由于其便携性,重量轻可由电池供电,特别适于现场使用 。

示波器的发展简史

Freetest便携式无线示波器

6、基于PC机的虚拟示波器

独立的传统仪器,性能强大,但是价格昂贵,且被厂家限定了功能,只能完成一件或几件具体的工作,因此,用户通常都不能够对其加以扩展或自定义其功能。仪器的旋钮和开关、内置电路及用户所能使用的功能对这台仪器来说都是固定的。另外,开发这些仪器还必须要用专门的技术和高成本的元部件,从而使它们身价颇高且很不容易更新。基于PC机的虚拟示波器诞生以来就充分利用了现成即用的PC机所带来的最新科技这些科技和性能上的优势迅速缩短了独立的传统仪器和PC机之间的距离,包括功能强大的处理器(如Pentium 4)、操作系统及微软Windows XP、NET技术和Apple Mac OS x。除了融合诸多功能强大的特性,这些平台还为用户提供了简单的联网工具。此外,传统仪器往往不便随身携带,而虚拟仪器可以在笔记本电脑上运行,充分体现了其便携特性。需要经常变换应用项目和系统要求的工程师和科学家们需要有非常灵活的开发平台以便创建适合自己的解决方案。可以使用虚拟仪器以满足特定的需要,因为有安装在PC机上的应用软件和一系列可选的插入式硬件,无需更换整套设备,即能完成新系统的开发。

示波器的发展简史

Freetest示波器界面,优秀的使用体验是分离式示波器的特点

三、数字示波器与模拟示波器的比较

在发展初期模拟示波器的某些特点,是数字示波器所不具备的:

  • 操作简单:全部操作都在面板上可以找到,波形反应及时,数字示波器往往要较长处理时间。

  • 垂直分辨率高:连续而且无限级,数字示波器分辨率一般只有8位至10位。

  • 数据更新快:每秒捕捉几十万个波形,数字示波器每秒捕捉几十个波形。

  • 实时带宽和实时显示:连续波形与单次波形的带宽相同,数字示波器的带宽与取样率密切相关,取样率不高时需借助内插计算,容易出现混淆波形。

简而言之,模拟示波器为工程技术人员提供眼见为实的波形,在规定的带宽内可非常放心进行测试。人类五官中眼睛视觉神经十分灵敏,屏幕波形瞬间反映至大脑作出判断,细微变化都可感知。因此,刚开始模拟示波器深受使用者的欢迎。随着数字示波器的出现经常有人问DSO能替代模拟示波器吗?问题的答案完全取决于要进行的测量工作和要测量的信号。有些情况下DSO的优点比较明显,而在另一些情况下模拟示波器要比现有的DSO都要好。

  • 简单重复性信号

使用模拟示波器DSO示波器通常都能很好的观察简单重复性信号。但是两者都有其优点和局限性。对于模拟示波器来说,由于CRT的余辉时间很短,因而很难显示频率很低的信号。由于示波管上的扫迹亮度和扫描速度成反比,所以具有快速上升、下降时间的低重复速率信号就很难看到。而DSO的扫迹亮度和扫描速度与信号重复速率无关。随着被测信号情况的不同,这个可能是优点也可能是缺点。对于显示具有足够重复速率的重复性信号的快速沿来说,DSO和模拟示波器的性能几乎没有什么区别。用两种示波器都能很好的观察信号波形。 当要进行信号参量的测量时,DSO的优点在于具有自动测量的能力。而使用模拟示波器时,用户必须自己设置光标,分析理解显示的波形才能得到测量的结果。如果要进行调整工作,那么一般最好使用模拟示波器。这是因为模拟示波器的实时显示能力使它在每一时刻都能显示出输入的电压。其波形更新速率(每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数)很高。在高扫描速度时可以远超过100000次扫描/秒。所以信号的任何变化都会立即显示出来。而且有些信号的变化会在显示屏幕上以波形亮度变化的形式表现出来。与模拟示波器相反,DSO所显示的是用采集的波形数据重建的波形。每秒钟采集波形的次数远低于100次。在有些示波器上,甚至不超过5次。结果在信号发生变化和变化了的信号在屏幕上显示出来之间就有了明显的时间延迟。当对系统进行调整工作时,这是使用DSO的重大缺点。

  • 比较复杂的重复性信号

上述的简单重复性信号可以在很多电子学领域中见到,这些信号常用来作为信息的载体。为此目的可以有多种形式,例如正弦波、脉冲、斜波或阶梯波等。而且多种调制信号和多种调制方式常常可能同时使用。一个常见的复杂模拟信号的事例就是全电视信号。此信号由多种不同频率不同幅度的的分量构成。既包括脉冲也包括方波,再加上为表示彩色信息而进行了相移的另外的正弦波。对于这样的情况,模拟示波器和DSO都有其自己特别的优点,各自都能对信号的不同部分进行最佳的观察。

例如模拟示波器具有无限的分辨率和每秒钟很高的扫描次数,它能显示出波形在时间上的分布。波形扫描上的亮度变化正比于信号在某一特定电平持续的时间。这就很好的显示出了彩色调制的情况。由于示波器具有很高的波形更新速率,所以能立即显示出对系统进行调整的效果。使用DSO时,由于其采样点数有限以及没有亮度的变化,使得很多波形细节信息无法显示出来。虽然有些DSO可能具有两个或多个亮度层次,但这只是相对意义上的区别,再加上示波器有限的显示分辨率,使它仍然不能重现模拟显示的效果。

如果只要显示一行视频信号的小部分,例如某一特定行中的TV发送测试信号、图文电视数据或者某一特定行上彩色脉冲群,那么最好使用DSO。如果使用模拟示波器,则由于相对比较低的信号重复速率,再加上要观察的信号部分本身时间很短,很容易导致显示的画面太暗而难以看见。而DSO则不论信号的重复速率高低,都具有一致的亮度,因而能以很高的亮度显示此信号。

如果重复性的波形中还包含着宽度很窄的尖峰或毛刺,那么使用模拟示波器观察整个波形是不可能看到这些尖峰或毛刺的。而当使用DSO时,使用峰值检测就可以把这些尖峰显示出来。

  • 非重复性信号和瞬变

模拟示波器和DSO的主要区别在于DSO能够存储波形信息。这使得DSO在研究非重复性信号和瞬变的工作中具有特别宝贵的价值。非重复性信号和瞬变是很多系统中都可以看见到。例如测量一个电系统的冲击电流、破坏性实验中的参数测量。在破坏性实验中只能进行一次测量。虽然很多模拟示波器也常常有单次测量能力,即可以产生单次的时基扫描。

在DSO出现以前,非重复性信号和瞬变由于观察极为困难而且代价过高,所以此类工作很多情况下都只能选择放弃。因为那时,观察这类信号需要使用昂贵的模拟存储示波器、照相机和长余辉示波管等等。

如果某一事件只发生一次,那么模拟示波器通常是不能应付的。而这正是DSO展示其强大能力的时机,DSO能捕捉这种罕见的一次性事件,并能按照所希望的长时间的将它显示出来。这种罕见的事件甚至可能是干扰的结果。通过用干扰本身来触发,DSO具有显示预触发的能力,包括显示干扰的原因。

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