淺談模擬示波器與數(shù)字示波器的差異

點擊次數(shù)：1664 更新時間：2021-05-26

廿世紀(jì)四十年代是電子示波器興起的時代，雷達和電視的開發(fā)需要性能良好的波形觀察工具，帶寬100MHz的同步示波器開發(fā)成功，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(fā)方面各有不同的貢獻，出現(xiàn)帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬6GHz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，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。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)和超前觸發(fā)能力。廿世紀(jì)八十年代數(shù)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(shù)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(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——每秒捕捉幾十萬波形，數(shù)字示波器每秒捕捉幾十個波形。實時帶寬和實時顯示——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)人員提供眼見為實的波形，在規(guī)定的帶寬內(nèi)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(xì)變化都可感知。因此，模擬示波器深受使用者的歡迎。

　　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，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。它們后來甚至停產(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，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，甚至10GHz。其次，提高數(shù)字示波器的更新率，達到模擬示波器相同的水平，最高可達每秒40萬個波形，對觀察偶發(fā)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(shù)調(diào)節(jié)，改進為簡單的旋鈕調(diào)節(jié)，甚至*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。

　　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(nèi)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(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，因為它是數(shù)字處理，只有兩個狀態(tài)，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，必需采用專用圖像處理芯片，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(jié)構(gòu)，取樣率2GS/s。

　　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(shù)據(jù)保存并不十分方便。例如用紅色表示出現(xiàn)機率最高的波形，蘭色表示出現(xiàn)機率低的波形，達到一目了然。由于數(shù)字示波器已經(jīng)達到1GHz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。

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