淺談模擬示波器與數字示波器的異同

　　廿世紀四十年代是電子示波器興起的時(shí)代，雷達和電視的開(kāi)發(fā)需要性能良好的波形觀(guān)察工具，帶寬100MHz的同步示波器開(kāi)發(fā)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(wèn)世，促進(jìn)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(kāi)發(fā)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(zhù)當時(shí)科學(xué)技術(shù)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(méi)有更大的進(jìn)展，開(kāi)始讓位于數字示波器，英國和法國甚至退出示波器市場(chǎng)，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(méi)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(fā)和超前觸發(fā)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(diǎn)，卻是數字示波器所不具備的：

　　操作簡(jiǎn)單——全部操作都在面板上，波形反應及時(shí)，數字示波器往往要較長(cháng)處理時(shí)間。

　　垂直分辨率高——連續而且無(wú)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(wàn)波形，數字示波器每秒捕捉幾十個(gè)波形。

　　實(shí)時(shí)帶寬和實(shí)時(shí)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(guān)，取樣率不高時(shí)需借助內插計算，容易出現混淆波形。

　　簡(jiǎn)而言之，模擬示波器為工程技術(shù)人員提供眼見(jiàn)為實(shí)的波形，在規定的帶寬內可非常放心進(jìn)行測試。人類(lèi)五官中眼睛視覺(jué)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、數字示波器獨領(lǐng)風(fēng)騷

　　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(jìn)，美國的TEK公司和HP公司都對數字示波器的發(fā)展作出貢獻。它們后來(lái)甚至停產(chǎn)模擬示波器，并且只生產(chǎn)性能好的數字示波器。進(jìn)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(huà)說(shuō)，盡量吸收模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)，使數字示波器更好用。

　　數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，最高可達每秒40萬(wàn)個(gè)波形，對觀(guān)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調節，改進(jìn)為簡(jiǎn)單的旋鈕調節，甚至完全自動(dòng)測量，使用上與模擬示波器同樣方便。

　　最后，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(tài)，即顯示出信號的幅值、時(shí)間以及幅值在時(shí)間上的分布。具有這種功能的數字示波器稱(chēng)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(xiàn)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(dòng)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(shí)間，則屏幕亮度可表示信號幅度隨時(shí)間分布的變化。這種與時(shí)間有關(guān)的熒光余輝（灰度定標）效應對觀(guān)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(zhuān)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。

　　數字示波器缺少余輝顯示功能，因為它是數字處理，只有兩個(gè)狀態(tài)，非高即低，原則上波形也是“有”和“無(wú)”兩個(gè)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(zhuān)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(wàn)個(gè)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(shí)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，對數據保存并不十分方便。例如用紅色表示出現機率最高的波形，蘭色表示出現機率最低的波形，達到一目了然。由于數字示波器已經(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。

　　四、數字熒光示器

　　去年著(zhù)名電子示波器制造商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，取樣率最高2GHz，最多4通道輸入，屬于中高檔數字示波器，價(jià)位在10，000美元以上。今年生產(chǎn)一種TDS3000系列數字熒光示波器，起價(jià)只3，000美元，帶寬500MHz，取樣率最高5GS/s，受到用戶(hù)的歡迎。另一家專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)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(chēng)雖有別于數字熒光示波器，它們的功能實(shí)際上是相同的。Waverunner系列的帶寬500MHz，取樣率500MS/s，最多4通道輸入，起價(jià)5，999美元。

　　以下較詳細介紹這兩種系列數字示波器的特點(diǎn)：

　　普通數字示波器要觀(guān)察偶發(fā)事件需要使用長(cháng)時(shí)間記錄，然后作信號處理，這種辦法會(huì )漏掉非周期性出現的信號和不能顯示信號的動(dòng)態(tài)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(guān)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?，F象，對于專(zhuān)業(yè)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(fā)模塊可作邏輯狀態(tài)、邏輯圖形觸發(fā)，以及脈沖參數（上升、下降邊，寬度、周期等）；電視模塊專(zhuān)用于多種制式的（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(lái)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(chǎng)使用。

　　LeCroy公司的Waverunner系列數字余輝示波器的余輝時(shí)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(dòng)和定時(shí)分析（JTA）軟件包可對屏幕顯示的信號作定量分析，例如，經(jīng)過(guò)數字處理后可在脈沖抖動(dòng)的波形下面劃出亮線(xiàn)，亮線(xiàn)長(cháng)度表示抖動(dòng)范圍，最亮部分表示最常出現的抖動(dòng)區。積累波形數目達10萬(wàn)個(gè)，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(dòng)測量和分析40種常用參數（如脈沖上升、下降時(shí)間，最大、最小值，偏差值等），預測某種參數的趨勢（如測量IC的傳輸延時(shí)的變動(dòng)范圍）。后者包括FFT分析，最多可達10（6）點(diǎn)的記錄長(cháng)度；高分辨率方式；包絡(luò )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(jué)獲得迅速的反應，充分發(fā)揮余輝灰度的三維效應。