示波器的原理和使用基礎(chǔ)知識(shí)
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1、示波器的發(fā)展過程
初期主要為模擬示波器
廿世紀(jì)四十年代是電子示波器興起的時(shí)代，雷達(dá)和電視的開發(fā)需要性能良好的波形觀察工具，泰克成功開發(fā)帶寬10MHz的同步示波器，這是近代示波器的基礎(chǔ)。五十年代半導(dǎo)體和電子計(jì)算機(jī)的問世，促進(jìn)電子示波器的帶寬達(dá)到100MHz。六十年代美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)在電子示波器開發(fā)方面各有不同的貢獻(xiàn)，出現(xiàn)帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬4GHz的行波示波管、1GHz的存儲(chǔ)示波管；便攜式、插件式示波器成為系列產(chǎn)品。七十年代模擬式電子示波器達(dá)到高峰，行譜系列非常完整，帶寬1GHz的多功能插件式示波器標(biāo)志著當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的高水平，為測(cè)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(jìn)展，開始讓位于數(shù)字示波器，英國(guó)和法國(guó)甚至退出示波器市場(chǎng)，技術(shù)以美國(guó)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(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(duì)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(chǔ)和處理，以及多種觸發(fā)和預(yù)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(shì)，模擬示波器逐漸從前臺(tái)退到后臺(tái)。
但是在發(fā)展初期模擬示波器的某些特點(diǎn)，卻是數(shù)字示波器所不具備的：
○ 操作簡(jiǎn)單：全部操作都在面板上可以找到，波形反應(yīng)及時(shí)，數(shù)字示波器往往要較長(zhǎng)處理時(shí)間。
○ 垂直分辨率高：連續(xù)而且無(wú)限級(jí)，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(wàn)個(gè)波形，數(shù)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(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(shí)需借助內(nèi)插計(jì)算，容易出現(xiàn)混淆波形。
簡(jiǎn)而言之，模擬示波器為工程技術(shù)人員提供眼見為實(shí)的波形，在規(guī)定的帶寬內(nèi)可非常放心進(jìn)行測(cè)試。人類五官中眼睛視覺神經(jīng)十分靈敏，屏幕波形瞬間反映至大腦作出判斷，細(xì)微變化都可感知。因此，剛開始模擬示波器深受使用者的歡迎。
中期數(shù)字示波器獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷
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(jìn)，美國(guó)的TEK公司和HP公司都對(duì)數(shù)字示波器的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。它們后來(lái)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(jìn)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(shuō)，盡量吸收模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)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/s，甚至10GHz/s。
其次，提高數(shù)字示波器的更新率，達(dá)到模擬示波器相同水平，最高可達(dá)每秒40萬(wàn)個(gè)波形，使觀察偶發(fā)信號(hào)和捕捉毛刺脈沖的能力大為增強(qiáng)。
再次，采用多處理器加快信號(hào)處理能力，從多重菜單的煩瑣測(cè)量參數(shù)調(diào)節(jié)，改進(jìn)為簡(jiǎn)單的旋鈕調(diào)節(jié)，甚至完全自動(dòng)測(cè)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(hào)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(shù)字示波器稱為數(shù)字熒光示波器或數(shù)字余輝示波器即數(shù)模兼合。
數(shù)字示波器要有模擬功能
模擬示波器用陰極射線管顯示波形，示波管的帶寬與模擬示波器的相同，亦即示波管內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)速度與信號(hào)頻率成正比，信號(hào)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，低頻波形的亮度高，高頻波形的亮度低。利用熒光屏幕的亮度或灰度容易獲得信號(hào)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(hào)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(biāo)）效應(yīng)對(duì)觀察混合波形和偶發(fā)波形十分有效，模擬存儲(chǔ)示波器就是這種專用示波器的代表產(chǎn)品，最高的性能達(dá)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?yàn)樗菙?shù)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(dá)到模擬示波器那樣的多層次亮度變化，必須采用專用圖象處理芯片，例如TEK公司采用DPX型處理器芯片，具有數(shù)據(jù)采集、圖象處理和存儲(chǔ)等多項(xiàng)功能，DPX芯片由130萬(wàn)個(gè)晶體管組成，采用0.65μm的CMOS工藝，并行流水結(jié)構(gòu)，取樣率高。它既是數(shù)據(jù)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(jí)亮度分級(jí)，將波形存儲(chǔ)在500×200像素的LCD單色或彩色顯示屏上，每1/30秒更新一次。由于模擬存儲(chǔ)示波器只能依靠照相底片記錄波形，對(duì)數(shù)據(jù)保存并不方便，而數(shù)字熒光示波器是數(shù)字處理的顯示，數(shù)據(jù)記錄、處理、保存都十分方便。例如用紅色表示出現(xiàn)幾率最高的波形，蘭色表示出現(xiàn)幾率最低的波形，達(dá)到一目了然。由于數(shù)字示波器已經(jīng)達(dá)到4GHz以上帶寬的水平，配合熒光顯示特性，總的性能優(yōu)于模擬存儲(chǔ)示波器。
數(shù)字熒光示波器
數(shù)字熒光示波器（DPO）為示波器系列增加了一種新的類型，能實(shí)時(shí)顯示、存貯和分析復(fù)雜信號(hào)的三維信號(hào)信息：幅度、時(shí)間和整個(gè)時(shí)間的幅度分布。
DSO采用串行處理的體系結(jié)構(gòu)捕獲、顯示和分析信號(hào)；相對(duì)而言，DPO為完成這些功能采用的是并行體系結(jié)構(gòu)，如圖一、二所示。并行結(jié)構(gòu)和基于ASIC硬件的處理技術(shù)，使數(shù)字熒光示波器能夠捕捉到當(dāng)今復(fù)雜的動(dòng)態(tài)信號(hào)中的全部細(xì)節(jié)和異常情況，并以人類的眼睛的接受速度顯示出來(lái)。
普通數(shù)字示波器要觀察偶發(fā)事件需要使用長(zhǎng)時(shí)間記錄，然后作信號(hào)處理，這種辦法會(huì)漏掉非周期性出現(xiàn)的信號(hào)和不能顯示出信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性。數(shù)字熒光示波器能夠顯示復(fù)雜波形中的微細(xì)差別，以及出現(xiàn)的頻繁程度。例如觀察電視信號(hào)，既有行掃描、幀掃描、視頻信號(hào)和伴音信號(hào)，還要記錄電視信號(hào)中的異?，F(xiàn)象，對(duì)于專業(yè)人員和維修人員都是同樣重要的。
例.TEK公司的TDS3000系列數(shù)字熒光示波器提供多種測(cè)試模塊，可以從前面板右上角插入六種模塊。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(shù)（上升、下降沿、寬度、周期等）；電視模塊專用于多種制式的（NTSC、PAL和SECAM）波形記錄；快速傅里葉變換（FFT）模塊可快速顯示信號(hào)的頻率成分和頻譜分布，既可分析脈沖響應(yīng)，亦可分析諧波分布，并且識(shí)別和定位噪聲和干擾來(lái)源。還有高級(jí)分析模塊和極限測(cè)試模塊。
評(píng)論