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模拟示波器与数字示波器数字示波器是如何工作的

时间：2020-08-05 来源：仪多多仪器网作者：仪多多商城

一、模拟和数字，各有千秋

廿世纪四十年代是电子示波器兴起的时代，雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具，带宽100MHz的同步示波器开发成功，这是近代示波器的基础。五十年代半导体和电子计算机的问世，促进电子示波器的带宽达到100MHz。六十年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献，出现带宽6GHz的取样示波器、带宽6GHz的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器，英国和法国甚至退出示波器市场，技术以美国比较好，中低档产品由日本生产。

模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和超前触发能力。廿世纪八十年代数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器的确从前台退到后台。

但是模拟示波器的某些特点，却是数字示波器所不具备的：

操作简单——全部操作都在面板上，波形反应及时，数字示波器往往要较长处理时间。
垂直分辨率高——连续而且无限级，数字示波器分辨率一般只有8位至10位。
数据更新快——每秒捕捉几十万波形，数字示波器每秒捕捉几十个波形。
实时带宽和实时显示——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。

简而言之，模拟示波器为工程技术人员提供眼见为实的波形，在规定的带宽内可非常放心进行测试。人类五官中眼睛视觉十分灵敏，屏幕波形瞬间反映至大脑作出判断，微细变化都可感知。因此，模拟示波器深受使用者的欢迎。

二、数字示波器独领风骚

八十年代的数字示波器处在转型阶段，还有不少地方要改进，美国的TEK公司和HP公司都对数字示波器的发展作出贡献。它们后来甚至停产模拟示波器，并且只生产性能好的数字示波器。进入九十年代，数字示波器除了提高带宽到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器。出现所谓数字示波器模拟化的现象，换句话说，尽量吸收模拟示波器的优点，使数字示波器更好用。

数字示波器首先在取样率上提高，从最初取样率等于两倍带宽，提高至五倍甚至十倍，相应对正弦波取样引入的失真也从100%降低至3%甚至1%。带宽1GHz的取样率就是5GHz，甚至10GHz。

其次，提高数字示波器的更新率，达到模拟示波器相同的水平，最高可达每秒40万个波形，对观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲就方便多了。

再次，采用多处理器加快信号处理能力，从多重菜单的烦琐测量参数调节，改进为简单的旋钮调节，甚至完全自动测量，使用上与模拟示波器同样方便。

最后，数字示波器与模拟示波器一样具有屏幕的余辉方式显示，赋于波形的三维状态，即显示出信号的幅值、时间以及幅值在时间上的分布。具有这种功能的数字示波器称为数字荧光示波器或数字余辉示波器。

三、数字示波器要有模拟功能

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，低频波形的高度高，高频波形的高度低。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。模拟存储示波器就是这种专用示波器的代表产品，最高的性能达到800MHz带宽，可记录到1ns左右的快速瞬变偶发事件。

数字示波器缺少余辉显示功能，因为它是数字处理，只有两个状态，非高即低，原则上波形也是“有”和“无”两个显示。为达到模拟示波器那样的多层次亮度变化，必需采用专用图像处理芯片，例如TEK公司采用DPX型处理器芯片，具有数据采集、图像处理和存储等多项功能，DPX芯片由130万个晶体管组成，采用0.65um的CMOS工艺，并行流水结构，取样率2GS/s。它既是数据采集芯片，同时也是光栅扫描器，模拟示波管屏幕荧光体的发光特性，用16级亮度分级，将波形存储在500*200像素的LCD单色或彩色显示屏上，每0.33秒更新一次。由于模拟存储示波器只能依靠照相底片记录波形，对数据保存并不十分方便。例如用红色表示出现机率最高的波形，兰色表示出现机率最低的波形，达到一目了然。由于数字示波器已经达到1GHz带宽的水平，配合荧光显示特性，总的性能优于模拟存储示波器。

四、数字荧光示器

去年著名电子示波器制造商TEK公司首先推出数字荧光示波器两种系列TDS500（单色）和TDS700（彩色），具有500MHz-2GHz带宽，取样率最高2GHz，较多4通道输入，属于中高档数字示波器，价位在10,000美元以上。今年生产一种TDS3000系列数字荧光示波器，起价只3,000美元，带宽500MHz ,取样率最高5GS/s，受到用户的欢迎。另一家专门生产数字示波器的LeCroy公司，今年也推出一种数字余辉示波器，名称虽有别于数字荧光示波器，它们的功能实际上是相同的。Waverunner系列的带宽500MHz，取样率500MS/s，较多4通道输入，起价5,999美元。

以下较详细介绍这两种系列数字示波器的特点:

普通数字示波器要观察偶发事件需要使用长时间记录，然后作信号处理，这种办法会漏掉非周期性出现的信号和不能显示信号的动态特性。数字荧光示波器能够显示复杂波形中的微细差别，以及出现的频繁程度。例如观察电视信号，既有行扫描、帧扫描、视频信号和伴音信号，还要记录电视信号中的异常现象，对于专业人员和维修人员都是同样重要的。

TEK公司的TDS3000数字荧光示波器提供多种测试模块，可以从前面板右上角插入四种模块。例如触发模块可作逻辑状态、逻辑图形触发，以及脉冲参数（上升、下降边，宽度、周期等）；电视模块专用于多种制式的（NTCS、PAL和SECAM）波形记录；快速傅里叶变换（FFT）模块可快速显示信号的频率成分和频谱分布，既可分析脉冲响应，亦可分析谐波分布，并且识别和定位噪声和干扰来源。 TDS3000系列示波器是便携式的，重量不到7磅，可由电池供电，特别适于现场使用。

LeCroy公司的Waverunner系列数字余辉示波器的余辉时间常数是可以改变的，因此在使用上与模拟存储示波器非常相似。它的抖动和定时分析（JTA）软件包可对屏幕显示的信号作定量分析，例如，经过数字处理后可在脉冲抖动的波形下面划出亮线，亮线长度表示抖动范围，最亮部分表示经常出现的抖动区。积累波形数目达10万个，结果可绘制成直方图。

Waverunner示波器还有两种测试用软件包：数字和测量软件包，波形分析软件包。前者可自动测量和分析40种常用参数（如脉冲上升、下降时间，最大、最小值，偏差值等），预测某种参数的趋势（如测量IC的传输延时的变动范围）。后者包括FFT分析，较多可达10(6)点的记录长度；高分辨率方式；包络方式；模板测试；合格/不合格测试等。各种测试结果均利用彩色显示器的不同颜色不同亮度表示结果，真正让使用者的视觉获得迅速的反应，充分发挥余辉灰度的三维效应。

模拟示波器和数字示波器的工作原理区别

　　示波器是较为经典较为通常的做时域波形测试的仪器，有时候也可以用来测量电流或光信号等，但是需要通过相应的探头或者转换器转换成电压信号来进行测量。　　示波器从字面意思可以理解为显示波形的仪器，那么波形到底是什么呢？其主要分为两种：时域和频域波的波形。对于示波器来说，其显示的波形是随电压随时间的变化波形。在产品的屏幕上，横轴表示的是时间，纵轴则是被测信号电压，示波器上的波形反映的就是被测信号电压随时间变化的轨迹。

　　示波器上显示的时域波形

　　示波器可以显示被测点电压信号的变化，而分析了解被测件各个节点电压的变化情况是电子行业最基本的需求，因此示波器广泛应用于电子，通信，计算机，医疗，汽车，航天等各个行业中。也正因为这个原因，示波器是较为通常，也是全球销售额较大的测量仪器，每年示波器的销售额都超过10亿美金。　　示波器按其次实现原理主要分为模拟示波器和数字示波器，按其采样方式分类实时示波器和采样示波器，有些示波器厂商出于市场宣传货突出某种特点的目的给示波器起了了不起的名称，或增加了一些额外的测量模块，但在大的基本结构上都没有脱离以上的基本分类。　　1、模拟示波器　　出现于20世纪40年代，是比较早出现的一款示波器，这款示波器采用是阴极射线管的显示屏，而且宽带也只有几MHz,下图为结构框图:

　　模拟示波器的触发一般都比较简单，通常就是边沿触发。在设置好相应的边沿触发条件后，一旦被测信号的有效边沿来，示波器内部就开始产生锯齿波控制水平方向的扫描，这样在示波器屏幕上每次看到的波形都是被测信号触发点以后的波形。如果被测的信号是周期性的，例如是时钟信号，在示波器上就可以看到稳定的信号波形。　　2、数字示波器　　这款示波器出现要稍晚一些，20世纪80年代，在宽带，触发以及分析能力方面全面超越了模拟示波器。　　数字示波器与模拟示波器最大的区别就是输入信号，数字示波器是通过高速芯片对输入信号进行采样和数字化，并把数字化样点保存到缓存中，然后通过信号处理电路把缓存里的数据读出出来，通过DAC芯片把相应的数字转换成模拟量，并显示在CRT显示屏上。

　　早起数字示波器结构图

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