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技術文章 |
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模擬示波器與數字示波器 |
發布日期：[2016-11-17] 共閱[1874]次 |
一、模擬和數字，各有千秋
廿世紀四十年代是電子示波器興起的時代，雷達和電視的開發需要性能良好的波形觀察工具，帶寬100MHz的同步示波器開發成功，這是近代示波器的基礎。五十年代半導體和電子計算機的問世，促進電子示波器的帶寬達到100MHz。六十年代美國、日本、英國、法國在電子示波器開發方面各有不同的貢獻，出現帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬6GHz的多功能插件式示波器標志著當時科學技術的高水平，為測試數字電路又增添邏輯示波器和數字波形記錄器。模擬示波器從此沒有更大的進展，開始讓位于數字示波器，英國和法國甚至退出示波器市場，技術以美國，中低檔產品由日本生產。
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。數字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉換器的性能，對示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數字示波管能充分利用記憶、存儲和處理，以及多種觸發和超前觸發能力。廿世紀八十年代數字示波器異軍突起，成果累累，大有全面取代模擬示波器之勢，模擬示波器的確從前臺退到后臺。
但是模擬示波器的某些特點，卻是數字示波器所不具備的：
操作簡單——全部操作都在面板上，波形反應及時，數字示波器往往要較長處理時間。
垂直分辨率高——連續而且無限級，數字示波器分辨率一般只有8位至10位。
數據更新快——每秒捕捉幾十萬波形，數字示波器每秒捕捉幾十個波形。
實時帶寬和實時顯示——連續波形與單次波形的帶寬相同，數字示波器的帶寬與取樣率密切相關，取樣率不高時需借助內插計算，容易出現混淆波形。
簡而言之，模擬示波器為工程技術人員提供眼見為實的波形，在規定的帶寬內可非常放心進行測試。人類五官中眼睛視覺十分靈敏，屏幕波形瞬間反映至大腦作出判斷，微細變化都可感知。因此，模擬示波器深受使用者的歡迎。
二、數字示波器
八十年代的數字示波器處在轉型階段，還有不少地方要改進，美國的TEK公司和HP公司都對數字示波器的發展作出貢獻。它們后來甚至停產模擬示波器，并且只生產性能好的數字示波器。進入九十年代，數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。出現所謂數字示波器模擬化的現象，換句話說，盡量吸收模擬示波器的優點，使數字示波器更好用。
數字示波器首先在取樣率上提高，從zui初取樣率等于兩倍帶寬，提高至五倍甚至十倍，相應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，甚至10GHz。
其次，提高數字示波器的更新率，達到模擬示波器相同的水平，zui高可達每秒40萬個波形，對觀察偶發信號和捕捉毛刺脈沖就方便多了。
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調節，改進為簡單的旋鈕調節，甚至*自動測量，使用上與模擬示波器同樣方便。
zui后，數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，即顯示出信號的幅值、時間以及幅值在時間上的分布。具有這種功能的數字示波器稱為數字熒光示波器或數字余輝示波器。
三、數字示波器要有模擬功能
模擬示波器用陰極射線示波管顯示波形，示波管的帶寬與模擬示波器的相同，亦即示波管內的電子運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，低頻波形的高度高，高頻波形的高度低。利用熒光屏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。這種與時間有關的熒光余輝（灰度定標）效應對觀察混合波形和偶發波形十分有效。模擬存儲示波器就是這種示波器的代表產品，zui高的性能達到800MHz帶寬，可記錄到1ns左右的快速瞬變偶發事件。
數字示波器缺少余輝顯示功能，因為它是數字處理，只有兩個狀態，非高即低，原則上波形也是“有”和“無”兩個顯示。為達到模擬示波器那樣的多層次亮度變化，必需采用圖像處理芯片，例如TEK公司采用DPX型處理器芯片，具有數據采集、圖像處理和存儲等多項功能，DPX芯片由130萬個晶體管組成，采用0.65um的CMOS工藝，并行流水結構，取樣率2GS/s。它既是數據采集芯片，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0.33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，對數據保存并不十分方便。例如用紅色表示出現機率zui高的波形，蘭色表示出現機率zui低的波形，達到一目了然。由于數字示波器已經達到1GHz帶寬的水平，配合熒光顯示特性，總的性能優于模擬存儲示波器。
四、數字熒光示器
去年電子示波器制造商TEK公司首先推出數字熒光示波器兩種系列TDS500（單色）和TDS700（彩色），具有500MHz-2GHz帶寬，取樣率zui高2GHz，zui多4通道輸入，屬于中數字示波器，價位在10,000美元以上。今年生產一種TDS3000系列數字熒光示波器，起價只3,000美元，帶寬500MHz ,取樣率zui高5GS/s，受到用戶的歡迎。另一家專門生產數字示波器的LeCroy公司，今年也推出一種數字余輝示波器，名稱雖有別于數字熒光示波器，它們的功能實際上是相同的。Waverunner系列的帶寬500MHz，取樣率500MS/s，zui多4通道輸入，起價5,999美元。
以下較詳細介紹這兩種系列數字示波器的特點:
普通數字示波器要觀察偶發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的信號和不能顯示信號的動態特性。數字熒光示波器能夠顯示復雜波形中的微細差別，以及出現的頻繁程度。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象，對于專業人員和維修人員都是同樣重要的。
TEK公司的TDS3000數字熒光示波器提供多種測試模塊，可以從前面板右上角插入四種模塊。例如觸發模塊可作邏輯狀態、邏輯圖形觸發，以及脈沖參數（上升、下降邊，寬度、周期等）；電視模塊于多種制式的（NTCS、PAL和SECAM）波形記錄；快速傅里葉變換（FFT）模塊可快速顯示信號的頻率成分和頻譜分布，既可分析脈沖響應，亦可分析諧波分布，并且識別和定位噪聲和干擾來源。 TDS3000系列示波器是便攜式的，重量不到7磅，可由電池供電，特別適于現場使用。
LeCroy公司的Waverunner系列數字余輝示波器的余輝時間常數是可以改變的，因此在使用上與模擬存儲示波器非常相似。它的抖動和定時分析（JTA）軟件包可對屏幕顯示的信號作定量分析，例如，經過數字處理后可在脈沖抖動的波形下面劃出亮線，亮線長度表示抖動范圍，zui亮部分表示zui常出現的抖動區。積累波形數目達10萬個，結果可繪制成直方圖。
Waverunner示波器還有兩種測試用軟件包：數字和測量軟件包，波形分析軟件包。前者可自動測量和分析40種常用參數（如脈沖上升、下降時間，zui大、zui小值，偏差值等），預測某種參數的趨勢（如測量IC的傳輸延時的變動范圍）。后者包括FFT分析，zui多可達10(6)點的記錄長度；高分辨率方式；包絡方式；模板測試；合格/不合格測試等。各種測試結果均利用彩色顯示器的不同顏色不同亮度表示結果，真正讓使用者的視覺獲得迅速的反應，充分發揮余輝灰度的三維效應。 |
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