一、模擬和數字,各有千秋
廿世紀四十年代是電子示波器興起的時代,雷達和電視的開發需要性能良好的波形觀察工具,帶寬100MHz的同步示波器開發成功,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世,促進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發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當時科學技術的高水平,為測試數字電路又增添邏輯示波器和數字波形記錄器。模擬示波器從此沒有更大的進展,開始讓位于數字示波器,英國和法國甚至退出示波器市場,技術以美國領先,中低檔產品由日本生產。
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。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,以及多種觸發和超前觸發能力。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,卻是數字示波器所不具備的:
操作簡單——全部操作都在面板上,波形反應及時,數字示波器往往要較長處理時間。
垂直分辨率高——連續而且無限級,數字示波器分辨率一般只有8位至10位。
數據更新快——每秒捕捉幾十萬波形,數字示波器每秒捕捉幾十個波形。
實時帶寬和實時顯示——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,取樣率不高時需借助內插計算,容易出現混淆波形。
簡而言之,模擬示波器為工程技術人員提供眼見為實的波形,在規定的帶寬內可非常放心進行測試。人類五官中眼睛視覺十分靈敏,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、數字示波器獨領風騷
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,美國的TEK公司和HP公司都對數字示波器的發展作出貢獻。它們后來甚至停產模擬示波器,并且只生產性能好的數字示波器。進入九十年代,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,換句話說,盡量吸收模擬示波器的優點,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40萬個波形,對觀察偶發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,改進為簡單的旋鈕調節,甚至完全自動測量,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,即顯示出信號的幅值、時間以及幅值在時間上的分布。具有這種功能的數字示波器稱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,水平軸表示時間,則屏幕亮度可表示信號幅度隨時間分布的變化。這種與時間有關的熒光余輝(灰度定標)效應對觀察混合波形和偶發波形十分有效。模擬存儲示波器就是這種專用示波器的代表產品,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,只有兩個狀態,非高即低,原則上波形也是“有”和“無”兩個顯示。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130萬個晶體管組成,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,同時也是光柵掃描器,模擬示波管屏幕熒光體的發光特性,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達到1GHz帶寬的水平,配合熒光顯示特性,總的性能優于模擬存儲示波器。
四、數字熒光示器
去年著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,價位在10,000美元以上。今年生產一種TDS3000系列數字熒光示波器,起價只3,000美元,帶寬500MHz,取樣率最高5GS/s,受到用戶的歡迎。另一家專門生產數字示波器的LeCroy公司,今年也推出一種數字余輝示波器,名稱雖有別于數字熒光示波器,它們的功能實際上是相同的。Waverunner系列的帶寬500MHz,取樣率500MS/s,最多4通道輸入,起價5,999美元。
以下較詳細介紹這兩種系列數字示波器的特點:
普通數字示波器要觀察偶發事件需要使用長時間記錄,然后作信號處理,這種辦法會漏掉非周期性出現的信號和不能顯示信號的動態特性。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,對于專業人員和維修人員都是同樣重要的。
1.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。例如觸發模塊可作邏輯狀態、邏輯圖形觸發,以及脈沖參數(上升、下降邊,寬度、周期等);電視模塊專用于多種制式的(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,特別適于現場使用。 2.LeCroy公司的Waverunner系列數字余輝示波器的余輝時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。它的抖動和定時分析(JTA)軟件包可對屏幕顯示的信號作定量分析,例如,經過數字處理后可在脈沖抖動的波形下面劃出亮線,亮線長度表示抖動范圍,最亮部分表示最常出現的抖動區。積累波形數目達10萬個,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。前者可自動測量和分析40種常用參數(如脈沖上升、下降時間,最大、最小值,偏差值等),預測某種參數的趨勢(如測量IC的傳輸延時的變動范圍)。后者包括FFT分析,最多可達10(6)點的記錄長度;高分辨率方式;包絡方式;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獲得迅速的反應,充分發揮余輝灰度的三維效應。
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