示波器技術(shù)的演進(jìn)趨勢(shì)

示波器是電子設(shè)計(jì)工程師不可或缺的測(cè)試工具之一。60余年來，作為一種圖形顯示設(shè)備，與其他通用測(cè)試測(cè)量?jī)x器相比，示波器經(jīng)歷了無數(shù)的技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)變革，見證了每一個(gè)具有劃時(shí)代意義的電子產(chǎn)品或設(shè)備的誕生。

　　二十世紀(jì)四十年代，雷達(dá)和電視的設(shè)計(jì)開發(fā)需求催生了第一代電子示波器，奠定了現(xiàn)代示波器的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體和電子計(jì)算機(jī)的問世，促進(jìn)了電子示波器帶寬的發(fā)展，以美國(guó)、日本和英國(guó)等國(guó)家為代表的測(cè)試測(cè)量公司不斷推出新品。至上世紀(jì)六十年代，已經(jīng)出現(xiàn)了帶寬6GHz的取樣示波器和帶寬4GHz的行波示波管等，便攜式和模塊化示波器相繼有產(chǎn)品問世。模擬示波器在上世紀(jì)七十年代達(dá)到了發(fā)展的頂峰。

 　數(shù)字電路技術(shù)以及工程師對(duì)高帶寬的需求是數(shù)字示波器發(fā)展的巨大推動(dòng)力。要提高帶寬，模擬示波器需要示波管、垂直放大和水平掃描全面發(fā)展，而此時(shí)的數(shù)字示波器只需提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能。二十世紀(jì)八十年代，數(shù)字示波器的發(fā)展導(dǎo)致模擬示波器逐漸從前臺(tái)退到了后臺(tái)。

　　初期的數(shù)字示波器并不完美，工程師多年養(yǎng)成的對(duì)模擬示波器的使用習(xí)慣是數(shù)字示波器必須面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。到了上世紀(jì)九十年代，數(shù)字示波器除了性能的全面提升，在面板的設(shè)計(jì)上充分吸取了模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)，幾乎出現(xiàn)了數(shù)字示波器模擬化的現(xiàn)象，以至于在今天的高端示波器上依然保留著工程師習(xí)慣的按鈕。

　　Frost & Sullivan 在2008年給出的一份有關(guān)示波器市場(chǎng)發(fā)展的報(bào)告中指出，通信和計(jì)算機(jī)工業(yè)技術(shù)推動(dòng)了示波器市場(chǎng)的發(fā)展，2007年全球示波器市場(chǎng)已經(jīng)超過12億美元。從模擬技術(shù)向數(shù)字RF技術(shù)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了對(duì)高性能RF測(cè)試工具和模塊化示波器的大量需求。與此同時(shí)，對(duì)模擬示波器的需求持續(xù)下降，相應(yīng)的市場(chǎng)空間越來越小。下圖中的數(shù)據(jù)表明，數(shù)字示波器已經(jīng)成為市場(chǎng)的絕對(duì)主力并大有完全取代模擬示波器之勢(shì)。

　　今天的數(shù)字示波器已不僅僅是描繪信號(hào)波形這樣簡(jiǎn)單，PCI Express 2.0、SATA III 以及HDMI 1.3等廣泛用于計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域的高速串行總線技術(shù)，要求數(shù)字示波器必須具備高帶寬、深存儲(chǔ)和波形快速刷新率等性能。安捷倫公司在2008ADMF論壇上展示的90000系列和80000系列高端示波器，覆蓋了當(dāng)今先進(jìn)的高速串行總線技術(shù)的需求。安捷倫公司數(shù)字測(cè)試工廠的資深產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理Johnnie Hancock 在論壇上表示：“示波器未來的發(fā)展趨勢(shì)將是帶寬越來越寬，采樣速度越來越高。高速A/D轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)示波器高帶寬的關(guān)鍵。安捷倫公司秉承了傳承多年的惠普之道“跳出框框思考”，憑借公司多年的技術(shù)積累，選擇了技術(shù)門檻最高的單芯片A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)方案，轉(zhuǎn)換器的采樣速率可達(dá)20G，功耗僅為十幾瓦?！蓖ǔ＃岣逜/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率有三種實(shí)現(xiàn)方法，即單芯片高速A/D、多片A/D組合及下變頻，三種實(shí)現(xiàn)方法在技術(shù)上各有優(yōu)劣，其中以第一種實(shí)現(xiàn)方法技術(shù)門檻最高，但在保證測(cè)量的保真度上是最有效的。多片A/D組合方法，回避了A/D芯片研發(fā)的難題，但會(huì)面臨信號(hào)如何均勻的分布，包括一致性、采樣時(shí)鐘分配、保持穩(wěn)定等技術(shù)難題。下變頻方法類似于頻譜分析儀，下變頻以后再通過A/D轉(zhuǎn)換，然后計(jì)算出一個(gè)波形。

　　示波器的模擬前端是實(shí)現(xiàn)高帶寬的另一關(guān)鍵部件，大量使用分立器件將會(huì)導(dǎo)致整機(jī)的高故障率。安捷倫在相關(guān)產(chǎn)品中采用了數(shù)字RF技術(shù)，將衰減器、前置放大器和觸發(fā)電路集成在一片SoC中，保證了系統(tǒng)的低功耗和高穩(wěn)定性。在ADMF論壇上，Johnnie Hancock還提出：“存儲(chǔ)深度已經(jīng)不再是技術(shù)難題，但是讓示波器在保證深存儲(chǔ)的情況下，支持很高的波形刷新響應(yīng)速度是一個(gè)挑戰(zhàn)，ASIC的應(yīng)用除了確保深存儲(chǔ)，還保證了快速的波形刷新?！痹贏/D轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器之間加入一個(gè)ASIC芯片，有效避免了數(shù)據(jù)采集與CPU之間頻繁的數(shù)據(jù)交換，減少了誤碼的發(fā)生。此外，ASIC還兼有數(shù)據(jù)加速器和校準(zhǔn)的功能。

      通信和計(jì)算機(jī)業(yè)正在以空前的速度進(jìn)行著技術(shù)演進(jìn)，高速串行接口的應(yīng)用將橫跨各個(gè)消費(fèi)產(chǎn)品市場(chǎng)，示波器市場(chǎng)必將有更加廣闊的前景，更高帶寬以及產(chǎn)品性能的提升將是示波器未來發(fā)展的趨勢(shì)，數(shù)字示波器已經(jīng)成為市場(chǎng)的絕對(duì)主角。示波器技術(shù)將引發(fā)一系列技術(shù)變革：高采樣率的需求必將加速A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)創(chuàng)新；數(shù)字RF技術(shù)應(yīng)用于示波器的模擬前端將成為高端示波器的一個(gè)主流技術(shù)趨勢(shì)；在確保深存儲(chǔ)度的情況下，使得示波器依然擁有極高的波形刷新響應(yīng)速度，較低的生產(chǎn)成本，ASIC將會(huì)在越來越多的示波器設(shè)計(jì)中得到使用。