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现代电子仪器发展史

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摘要: 示波器是显示被测量的瞬时值轨迹变化情况的仪器，现在示波器已成为电子测量实验中不可缺少的仪器。本文通过回顾各个时期示波器的种类，详细介绍了不同种类示波器的工作原理及使用方法，图文并茂的剖析了示波器的发展史。

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等。
示波器种类包括模拟示波器，数字示波器，其中数字示波器又包括数字荧光示波器，数字存储示波器等。

一.模拟示波器

模拟示波器，采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打到屏幕上，屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就会发出光来。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。廿世纪八十年代数字示波器异军突起，成果累累，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。

但是在发展初期模拟示波器的某些特点，却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，容易出现混淆波形混合示波器。

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。

二.数字示波器

数字示波器是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。

目前高端数字示波器主要依靠美国技术，对于300MHz带宽之内的示波器，目前国内品牌的示波器在性能上已经可以和国外品牌抗衡，且具有明显的性价比优势。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，提高泰克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。

1. 数字示波器

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，数字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秒更新一次泰克数字示波器。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。

2.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。

3.数字储存示波器

普通模拟示波器CRT上的P31荧光物质的余辉时间小于1ms。在有些情况下，使用P7荧光物质的CRT能给出大约300ms的余辉时间。只要有信号照射荧光物质，CRT 就将不断显示信号波形。而当信号去掉以后使用P31材料的CRT上的扫迹迅速变暗，而使用P7材料的CRT上的扫迹停留时间稍长一些。

　　那么，如果信号在一秒钟内只有几次，或者信号的周期仅为数秒，甚至信号只猝发一次，那又将会怎么样呢？在这种情况下，使用我们上面介绍过的模拟示波器几乎乃至于完全不能观察到这些信号。

所谓数字存储就是在示波器中以数字编码的形式来贮存信号。当信号进入数字存储示波器，或称 DSO 以后，在信号到达CRT 的偏转电路之前，示波器将按一定的时间间隔对信号电压进行采样。然后用一个模/数变换器（ADC）对这些采样值进行变换从而生成代表每一个采样电压的二进制字。这个过程称为数字化。

　　获得的二进制数值贮存在存储器中。对输入信号进行采样的速率称为采样速率。采样速率由采样时钟控制。对于一般使用情况来说，采样速率的范围从每秒 20 兆次（20MS/s）到 200MS/s。存储器中贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形。所以，在DSO中的输入信号接头和示波器 CRT 之间的电路不只是仅有模拟电路。输入信号的波形在 CRT 上获得显示之前先要存贮到存储器中，我们在示波器屏幕上看到的波形总是由所采集到数据重建的波形，而不是输入连接端上所加信号的直接波形显示。