了解示波器的發(fā)展過程對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，它描繪電信號的波形曲線。這一簡單的波形能夠說明信號的許多特性：信號的時間和電壓值、振蕩信號的頻率、信號所代表電路中'變化部分'信號的特定部分相對于其它部分的發(fā)生頻率、是否存在故障部件使信號產(chǎn)生失真、信號的DC成份和AC成份、信號的噪聲值和噪聲隨時間變化的情況、比較多個波形信號等。

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、日本、英國、法國在電子示波器開發(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)時科學(xué)技術(shù)的高水平，為測試數(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，英國和法國甚至退出示波器市場，技術(shù)以美國領(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，模擬示波器逐漸從前臺退到后臺。

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)，美國的TEK公司和HP公司都對數(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40萬個波形，使觀察偶發(fā)信號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處理能力，從多重菜單的煩瑣測量參數(shù)調(diào)節(jié)，改進(jìn)為簡單的旋鈕調(diào)節(jié)，甚至完全自動測量，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)，即顯示出信號的幅值、時間以及幅值在時間上的分布。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)動速度與信號頻率成正比，信號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的第三維信息，如用屏幕垂直軸表示幅度，水平軸表示時間，則屏幕亮度可表示信號幅度隨時間分布的變化。這種與時間有關(guān)的熒光余輝（灰度定標(biāo)）效應(yīng)對觀察混合波形和偶發(fā)波形十分有效，模擬存儲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，只有兩個狀態(tài)，非高即低，原則上波形是'有'和'無'兩個顯示。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、圖象處理和存儲等多項功能，DPX芯片由130萬個晶體管組成，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級亮度分級，將波形存儲在500×200像素的LCD單色或彩色顯示屏上，每1/30秒更新一次。由于模擬存儲示波器只能依靠照相底片記錄波形，對數(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)時顯示、存貯和分析復(fù)雜信號的三維信號信息：幅度、時間和整個時間的幅度分布。DSO采用串行處理的體系結(jié)構(gòu)捕獲、顯示和分析信號；相對而言，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)雜的動態(tài)信號中的全部細(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)事件需要使用長時間記錄，然后作信號處理，這種辦法會漏掉非周期性出現(xiàn)的信號和不能顯示出信號的動態(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，既有行掃描、幀掃描、視頻信號和伴音信號，還要記錄電視信號中的異常現(xiàn)象，對于專業(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這臺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，從而使它們身價頗高且很不容易更新?；赑C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，這些平臺還為用戶提供了簡單的聯(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)平臺以便創(chuàng)建適合自己的解決方案?？梢允褂锰摂M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：

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

垂直分辨率高：連續(xù)而且無限級，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：每秒捕捉幾十萬個波形，數(shù)字示波器每秒捕捉幾十個波形。

實(shí)時帶寬和實(shí)時顯示：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)，取樣率不高時需借助內(nèi)插計算，容易出現(xiàn)混淆波形。

簡而言之，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)行的測量工作和要測量的信號。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。

簡單重復(fù)性信號：使用模擬示波器DSO示波器通常都能很好的觀察簡單重復(fù)性信號。但是兩者都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。對于模擬示波器來說，由于CRT的余輝時間很短，因而很難顯示頻率很低的信號。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、下降時間的低重復(fù)速率信號就很難看到。而DSO的掃跡亮度和掃描速度與信號重復(fù)速率無關(guān)。隨著被測信號情況的不同，這個可能是優(yōu)點(diǎn)也可能是缺點(diǎn)。對于顯示具有足夠重復(fù)速率的重復(fù)性信號的快速沿來說，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波形。 當(dāng)要進(jìn)行信號參量的測量時，DSO的優(yōu)點(diǎn)在于具有自動測量的能力。而使用模擬示波器時，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)時顯示能力使它在每一時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。在高掃描速度時可以遠(yuǎn)超過100000次掃描/秒。所以信號的任何變化都會立即顯示出來。而且有些信號的變化會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)果在信號發(fā)生變化和變化了的信號在屏幕上顯示出來之間就有了明顯的時間延遲。當(dāng)對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整工作時，這是使用DSO的重大缺點(diǎn)。

比較復(fù)雜的重復(fù)性信號：上述的簡單重復(fù)性信號可以在很多電子學(xué)領(lǐng)域中見到，這些信號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)制信號和多種調(diào)制方式常常可能同時使用。一個常見的復(fù)雜模擬信號的事例就是全電視信號。此信號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)，各自都能對信號的不同部分進(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間上的分布。波形掃描上的亮度變化正比于信號在某一特定電平持續(xù)的時間。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系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整的效果。使用DSO時，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可能具有兩個或多個亮度層次，但這只是相對意義上的區(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的小部分，例如某一特定行中的TV發(fā)送測試信號、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，則由于相對比較低的信號重復(fù)速率，再加上要觀察的信號部分本身時間很短，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。

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

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

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

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時間的將它顯示出來。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。