什么是示波器？

示波器是精確復(fù)現(xiàn)信號(hào)電壓隨時(shí)間變化的波形的儀器，廣泛應(yīng)用于電子電路測(cè)試與調(diào)試，計(jì)算機(jī)及通信高速信號(hào)測(cè)試，雷達(dá)測(cè)量等領(lǐng)域；是目前在各個(gè)行業(yè)電子/電氣工程師應(yīng)用最廣泛、最有用的工具。

注：舉例示波器為是德科技中端示波器500MHz～6GHz MXR-B 系列

示波器發(fā)展史

1939年

DuMont 推出第一臺(tái) DuMont 164 通用模擬示波器。

1980年

惠普推出了第一臺(tái)全數(shù)字和基于微處理器的示波器，即具有兩個(gè) 100 MHz 通道的 HP 1980A/B。它也可以通過(guò) HP-IP 總線(xiàn)進(jìn)行編程。

1990年

惠普推出了帶寬為 500 MHz 的數(shù)字化示波器 （HP 54xxx）。HP 54500 系列也是第一款具有 FFT 分析功能來(lái)執(zhí)行頻域分析的示波器。

2018年

是德科技將數(shù)字示波器推到了一個(gè)前所未有的高度——高達(dá)110GHz 帶寬、256GSa/s 的UXR 系列示波器。

模擬示波器vs數(shù)字示波器

模擬示波器采用CRT（陰極射線(xiàn)管）顯示屏，其工作原理是，模擬示波器內(nèi)部產(chǎn)生周期性鋸齒波信號(hào)控制熒光屏電子槍的水平偏轉(zhuǎn)，被測(cè)的電壓信號(hào)經(jīng)放大后控制電子槍的垂直偏移，這樣掃描后就可以在屏幕上看到被測(cè)信號(hào)電壓隨時(shí)間變化軌跡。數(shù)字示波器和模擬示波器最大的區(qū)別是，數(shù)字示波器通過(guò)高速的ADC芯片對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)字化，并把數(shù)字化樣點(diǎn)先保存到緩存中。然后再經(jīng)過(guò)處理、插值、分析后，顯示到液晶屏上。

雖然模擬示波器原理簡(jiǎn)單，但它的一些明顯缺點(diǎn)限制了它的發(fā)展，例如：帶寬有限、沒(méi)有存儲(chǔ)和分析能力、觸發(fā)功能有限等等，所以現(xiàn)代示波器幾乎都是數(shù)字示波器。

現(xiàn)代數(shù)字示波器的典型架構(gòu)

我們先看一下現(xiàn)代數(shù)字實(shí)時(shí)示波器的典型參考架構(gòu)。

圖3：現(xiàn)代數(shù)字實(shí)時(shí)示波器的典型參考架構(gòu)

在上圖典型參考架構(gòu)圖中，可以看到從各關(guān)鍵部件出發(fā)涉及到的業(yè)界常常提及的關(guān)鍵指標(biāo)，比如模擬前端電路涉及的帶寬，采樣電路涉及的采樣率及ADC位數(shù)等指標(biāo)，以及觸發(fā)和內(nèi)存深度等數(shù)字實(shí)時(shí)示波器的四大最基本指標(biāo)。

示波器的關(guān)鍵指標(biāo)

1.示波器帶寬

示波器帶寬的定義為輸入一個(gè)正弦波信號(hào)，保持幅度不變，增加信號(hào)頻率，當(dāng)示波器上顯示的信號(hào)幅度是實(shí)際信號(hào)幅度的70.7%(即3dB衰減)的時(shí)候，該對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率就等于示波器帶寬。

2.采樣率

采樣率是示波器的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，它告訴客戶(hù)每秒測(cè)量信號(hào)電壓并繪制在顯示屏上的次數(shù)。如今，大多數(shù)示波器每秒至少采樣 10 億次，即每秒 1 千兆樣本。

采樣率與帶寬緊密相關(guān)。帶寬越高，信號(hào)變化越快，因此需要更快地采樣才能看到變化。在這里的圖片中，我們看到一臺(tái) 6 GHz 示波器，采樣率為 16 GSa/s，滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理。

3. ADC 位數(shù)及ENOB值

示波器具有指定位數(shù)的 ADC。位數(shù) (K) 等于 2K 量化級(jí)別。例如，8 位 ADC 可以將模擬輸入編碼為 256 個(gè)不同級(jí)別 (28 = 256)，而 10 位 ADC 則有 1024 個(gè) Q 級(jí)別 (210 = 1024)。

因此，理論上 10 位 ADC 的垂直分辨率是 8 位 ADC 的四倍。這是在沒(méi)有噪聲的理想情況下的情況。由于噪聲是任何電氣系統(tǒng)的固有組成部分，示波器的 ADC 最終會(huì)使用一些位來(lái)量化系統(tǒng)本身的噪聲。因此，示波器在運(yùn)行時(shí)永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到 ADC 的垂直分辨率。

有經(jīng)驗(yàn)的工程師會(huì)引入ENOB指標(biāo)進(jìn)行考量。ENOB是指動(dòng)態(tài)有效位數(shù)，當(dāng)高速ADC 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于噪聲（前端模擬電路）和失真（ADC拼接）的影響，實(shí)際上ADC的信噪失真比達(dá)不到其標(biāo)稱(chēng)的位數(shù)。示波器的有效位數(shù) (ENOB) 是了解示波器垂直分辨率的更好規(guī)格。它表示系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)可用于數(shù)字化信號(hào)的實(shí)際位數(shù)。用戶(hù)可以在示波器的數(shù)據(jù)手冊(cè)中查詢(xún)到示波器的ENOB值。

總結(jié)

時(shí)域應(yīng)用最常見(jiàn)的測(cè)量設(shè)備是示波器，它以電壓與時(shí)間的關(guān)系顯示信號(hào)。它的水平系統(tǒng)和垂直系統(tǒng)設(shè)計(jì)引出了其幾大關(guān)鍵指標(biāo)。帶寬、采樣率、ADC位數(shù)及ENOB值，另外示波器的觸發(fā)能力和分析能力也是示波器很重要的性能。也是我們?cè)诳紤]指標(biāo)滿(mǎn)足情況下，需要考慮的。

是德科技示波器除了在指標(biāo)上的優(yōu)越外，更支持高達(dá)上百種一致性分析軟件以及協(xié)議解碼，是高速數(shù)字測(cè)試的理想選擇！