深入了解示波器：示波器分类

作者：AirCity 2020.1.1

1 写在前面

示波器是硬件研发不可缺少的设备，相信每个硬件工程师都会用，但恐怕大部分只会用那几个常功能，当遇到棘手的问题，还总是抱怨示波器不够高级，抓不到想要的信号。除了设备本身的问题，我们也要问下自己，我们真的了解示波器吗？

如果有一天老板让你选型示波器，建设实验室，我们该关注那些参数呢？请往下看，本文会给你答案。

示波器品牌不多，比如泰克，是德科技，罗德施瓦茨，力科。本系列文章为八个部分，介绍示波器的重要功能和原理。

2 示波器分类

2.1 模拟示波器

模拟示波器两个最大的优点是“实时”性和“无限分辨率”。模拟示波器的屏幕上显示的是实时发生的波形，是真正的“实时”示波器，再高性能的、号称“实时”的高速数字示波器显示的都是采样并处理后的波形数据，无法与模拟示波器的“实时性”相提并论。

为什么要突出“实时”特性？
数字示波器采样后需要需要时间处理数据，之后再进行下一次触发，两次触发中间的时间成为采样“死区”。这个“死区”时间越短，数字示波器的波形捕获速率越高，示波器性能越好。模拟示波器没有这个“死区”，始终是“实时”的！

模拟示波优点如下：

 **其垂直（Y轴）分辨率为无穷大，水平（X轴）分辨率也是无穷大。**而数字示波器的垂直分辨率一般是8bit或10bit，水平分辨率取决于采样速率。

 **没有ADC采样噪声。**而任何数字示波器都有采样噪声。

 有“无限等级灰度”特性，容易发现偶发信号，数字存储示波器没有这个功能。

无限等级灰度的解释：模拟示波器用阴极射线示波管显示波形，示波管的带宽与模拟示波器的相同，亦即示波管内的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。

 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。

波形混淆：当采样频率低于信号频率时，显示出的波形可能不是实际的频率和幅值，有时候我们测量一个高速方波时，刚开始在示波器看到一个低频波形，然后X方向上继续放大，会发现另一个高频波形。

 模拟示波器对信号的测量是连续的，不会丢失带宽范围内的任何细节，而数字示波器可能会由于没有采样到，丢失某些瞬态信号。模拟示波器屏幕上显示的是当时正在发生的所有波形情况，比较适合测量调频，调幅，视频，抖动，噪声等信号。

模拟示波器也有一些缺点，比如测量低频信号时，屏幕闪烁厉害，当信号低于30Hz时，我们只能在屏幕上看到甚至只能看到移动的光点，这时候只能根据光点的轨来推测波形轨迹。原因是模拟示波器CRT上的P31荧光物质的余辉时间很短（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。如果信号在一秒钟内只有几次，或者信号的周期仅为数秒，甚至信号只触发一次，我们不能在CRT上看到完整波形，有可能只是一个亮点。

模拟示波器另一个最大的缺点是没有预触发，看不到触发前的波形。因为没有存储，模拟示波器不能把模型固定在屏幕上。

模拟示波器在20世纪40年代开发出来以后，带宽一路从100MHz提升到了6GHz，之后并没有什么进步，因为要提高带宽，需要示波管，垂直（Y轴）放大器，水平扫描（X轴）全面推进，这无疑具有很大难度。而数字示波器只需要提高前端ADC带宽即可，因此模拟示波器很快被数字示波器替代。

2.2 数字示波器

2.2.1 数字存储示波器DSO

20年前，泰克TDS210宣告了示波器数字时代的来临，最先出来的就是数字存储示波器（Digital Storage Oscilloscopes，DSO）。例如泰克的TBS1000系列、TDS200C系列、TBS2000系列，TPS2000B系列，安捷伦的DSO低端示波器等。
下图是DSO的串行处理结构，DSO可以捕获和观察瞬态信号，以数字形式存储、处理之后在显示屏上重现。

串行处理是DSO的典型特点，但也带来了一些缺点：
 数据处理需要时间，实时性差，波形捕获率低，这是低速数字示波器的通病。
 没有余晖特性，很难发现偶发波形。如果要观察偶发事件，需要加长时间记录，然后做信号处理。而且对于极低概率的周期信号，DSO很难在记录这些信号的同时又能兼顾看到正常周期信号细节。
 会出现混淆波形。

2.2.2 数字荧光示波器DPO

随着采样率的提高，数字示波器每秒可以更新几十万个波形，再加上示波器中的“光栅扫描器”模拟示波管的荧光体发光特性，并且用多个等级亮度分级显示在LCD上，实现了模拟示波器的余晖特性，使数字示波器全面优于模拟示波器，我们称这种示波器为DPO。
再来解释一下“光栅”这个概念，我们可以理解为一种数据到波形直接映射的系统。ADC数据经过专用的ASCI（处理时间极短，几乎认为是实时的），直接转化为显示数据放到显示器的显存中，“放到显存中”即认为显示了图像（这是示波器显示器的原理，每一个像素点都直接对应显存中的数据bit）。

为什么一定要光栅化呢？
数字存储示波器以串行的方式捕获和处理波形，处理器的速度是瓶颈，在处理和显示完成之前，示波器一直在等待下一次触发，势必会错过一些信号。DPO把数字化的波形数据直接光栅化到显示屏，每1/30更新一次屏幕，消除了CPU处理瓶颈，增强了实时性。DPO的微处理器与光栅化过程并行工作，实现显示管理，测量自动化，仪器控制等。
DPO真实模拟了ASO的特性，用三个维度显示信号：时间，幅度和幅度在时间上的分布，所有信息都是实时的。如下图，我们看到颜色比较浅的就是出现概率低的，颜色深的就是概率高的。

DPO不仅模拟了ASO，还比ASO更强，对于很低概率出现的异常波形，用余晖特性，DPO上肯定能看到。但是ASO的荧光时间有限，很快就消失了，可能就看不到了。

DPO最简单的应用实例是，我们用无限余晖特性测量波形的抖动和电源的文波。此外，DPO典型的应用场景有通信模板测试，中断信号的数字调试，重复的数字设计和定时应用。产品代表：
泰克：TDS500，TDS700，TDS3000，TDS3000B，TDS5000，TDS7000系列
力科：数字余晖示波器waverunner系列
泰克在DPO上走的很远，也是这个技术的主要推崇者。安捷伦用硬件的方式实现高速的波形捕获速率，将DSO性能发挥到很高的水平，已经超越了泰克的DPO产品的性能。
下面补充一个泰克示波器的产品演进历史：

2.2.3 混合域示波器MDO

集成了RF频谱分析仪，MSO或DPO的示波器，实现数字域，模拟域和RF域的所有功能。比如MDO可以查看嵌入式设计内部协议、状态逻辑、模拟信号和RF信号的时间相关显示，降低跨域时间之间测量的难度。

2.2.4 混合信号示波器MSO

把DPO和逻辑分析以结合到一起的示波器，最大的特点是在示波器中集成了总线协议解码器，逻辑触发功能。这种示波器特别适合分析数字电路。

2.2.5 数字采样示波器

数字采样示波器与DSP和DPO的最大区别是衰减器/放大器位于采样桥接器（ADC）的后面。如下图，这样ADC的输入就没有保护电路了，这要求数字采样示波器的输入信号范围是1Vpp，超过3V就会损坏，而DSP和DPO的输入范围是50-100Vpp，最大不得超过500V。

数字采样示波器其实就是TDR。

如果信号直接进入ADC，示波器的带宽将不受衰减器/放大器的限制，因此数字采样示波器具有极高的带宽，能够处理极高频率的信号，它的带宽往往比DSO或者DPO提高一个数量级，比如带宽可达80GHz。典型的示波器代表是泰克的DSA8300。

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