更深入理解示波器的發(fā)展史及技術(shù)設(shè)計(jì)

有些事情并不能持續(xù)的深入研究，唯有市場的持續(xù)需求不斷刺激技術(shù)進(jìn)步，就像戰(zhàn)爭那樣，技術(shù)才可能有巨大的飛躍。另外，一些其他技術(shù)的進(jìn)步，比如電子計(jì)算機(jī)，也與儀器的發(fā)展相輔而成，這也帶來了思維的全面改觀。

示波器作為電測行業(yè)最基本的綜合性儀器，設(shè)計(jì)和制造他所涉及的領(lǐng)域也十分廣泛,從半導(dǎo)體到特種材料，從機(jī)加工到電子設(shè)計(jì)無所不涉及。這就需要強(qiáng)大完善的工業(yè)體系作為支撐。但是蘇聯(lián)早期無不具有這一切？為什么蘇聯(lián)沒有做起來呢？其實(shí)認(rèn)為市場也是很關(guān)鍵的，僅依靠國家力量，可能能在短時(shí)間內(nèi)集中攻關(guān)力量解決一個(gè)難題，隨后投入其他難題的處理中。有些事情并不能持續(xù)的深入研究，唯有市場的持續(xù)需求不斷刺激技術(shù)進(jìn)步，就像戰(zhàn)爭那樣，技術(shù)才可能有巨大的飛躍。另外，一些其他技術(shù)的進(jìn)步，比如電子計(jì)算機(jī)，也與儀器的發(fā)展相輔而成，這也帶來了思維的全面改觀。

涉及到示波器相關(guān)的具體技術(shù)，從60年代以前，一般來說我國和外國的差距不是特別的大，因?yàn)榇蠹叶加?a href="http://www.ttokpm.com/article/ic/" target="_blank">電子管，這個(gè)東西無非對工業(yè)機(jī)械設(shè)備有一定的要求，主要是沖壓和焊接等等，另外電子管特殊的陰極涂層材料也對性能影響至關(guān)重要，不過這一切都不是遙不可及的。此外這個(gè)時(shí)期的示波器帶寬通常還沒有超過40MHz，確實(shí)難度不是特別大，這個(gè)階段我們和技術(shù)儲(chǔ)備方面沒有太大差距，主要是因?yàn)樾枨笠膊皇翘啵瑢?dǎo)致產(chǎn)品無論從工藝還是結(jié)構(gòu)，都有些落后。

順便說一說這個(gè)時(shí)代的制造工藝，因?yàn)殡娮庸鼙旧眢w積較大，而且多半隨著高壓大電流，所用的器件體積也很大，無論國內(nèi)還是國外都是這樣安裝元器件的，也就是元件安裝在支架上，然后用線相互連接。這種方式國內(nèi)俗稱搭棚焊接。

進(jìn)入60年代中期，一些半導(dǎo)體器件開始逐漸取代電子管的地位，此時(shí)示波器的帶寬開始達(dá)到100MHz。在這個(gè)時(shí)期電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也開始逐漸推廣開，這導(dǎo)致對示波器有更多的需求。

此時(shí)(大約1965年)，HP公司也發(fā)布HP-IB總線，后來這種技術(shù)在70年代標(biāo)準(zhǔn)化成為IEEE488也就是GPIB。通過這種控制總線，計(jì)算機(jī)可以控制電子儀器工作，采集儀器的數(shù)據(jù)并且進(jìn)行分析。這使得我們對數(shù)據(jù)的使用和理解上升到一個(gè)新的高度，同時(shí)催生了自動(dòng)化測量系統(tǒng)的概念，他帶來了更高的效率和更好的精確性。而此時(shí)國內(nèi)仍未太多進(jìn)步。高帶寬示波管對加工技術(shù)和設(shè)計(jì)提出了十分高的要求，電子計(jì)算機(jī)更是全國都沒有多少。

由于晶體管縮小了體積和功耗，印刷電路板技術(shù)開始推廣，通過PCB板，電子元件可以被快速有序的安裝，同時(shí)減小了寄生參數(shù)。于是電路板的制造工業(yè)技術(shù)也同步跟進(jìn)發(fā)展。

圖片來自一位老前輩DIY，不過當(dāng)時(shí)國內(nèi)的PCB基本上也就是這樣。看起來粗糙的多。主要方法是給每個(gè)元件的安裝點(diǎn)打孔并打鉚釘，然后焊接在鉚釘上，反面相互連接起來。這樣的工藝效率低，安裝密度也低。這些輔助工業(yè)也嚴(yán)重影響儀器的集成度提高。

進(jìn)入70年代，我們的浩劫仍在繼續(xù)。而美國佬的微波半導(dǎo)體技術(shù)突飛猛進(jìn)，微電子集成電路技術(shù)更是日新月異，這個(gè)時(shí)段常規(guī)示波器帶寬到達(dá)350MHz，特種示波器可達(dá)1GHz。同時(shí)半導(dǎo)體技術(shù)的更進(jìn)一步發(fā)展使得示波器完全可程控化，也可以進(jìn)行數(shù)字化采集。比如同年代的模擬示波器已經(jīng)具有微處理器了，可以在熒光屏上直觀的讀出測量參數(shù)，又可以將參數(shù)和波形傳遞給計(jì)算機(jī)。直到幾十年后國產(chǎn)的模擬示波器才開始具有這種能力。而此時(shí)我們半導(dǎo)體工業(yè)止步不前，還只能生產(chǎn)普通邏輯門電路。當(dāng)然8086一類的CPU也仿制出來過，不過想想也是，1沒人會(huì)用，2成本高得嚇人，3利用這些東西去做測量儀器，極大的增加儀器成本和復(fù)雜程度，卻沒有足夠的計(jì)算機(jī)與之相配套。此時(shí)的測量需求主要依靠進(jìn)口滿足(中美關(guān)系還湊合)。在此時(shí)代，由于儀器以及軍方需求，美國佬開始制作4層電路板，并且使用了早期的計(jì)算機(jī)進(jìn)行EDA輔助電路設(shè)計(jì)。

比如...不比真的不知道差距有多大

80年代是PC和小霸王騰飛的時(shí)代。在此時(shí)代得益于眾多行業(yè)對超大規(guī)模電路的需求，示波器也跟著沾光，進(jìn)入了數(shù)字時(shí)代。由于雷達(dá)等特殊需求，砷化鎵半導(dǎo)體技術(shù)快速成長，同時(shí)應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)分析儀，頻譜分析儀等射頻測量儀器內(nèi)。這些其他領(lǐng)域的技術(shù)鋪墊為高性能數(shù)字示波器鋪平了道路。而國內(nèi)由于相關(guān)產(chǎn)業(yè)稀缺，在此時(shí)出現(xiàn)了極大的技術(shù)斷層，并且直到今天也未能追上。如果有興趣的話可以看看80年代的美國各種小霸王，有用各種各樣的CPU的，比如Z80,MC6800,MC68000,6502等等。不得不說市場起了巨大作用，由于制造這些消費(fèi)電子產(chǎn)品，對于電測儀器自然也有巨大的需求了。在這個(gè)時(shí)期，元器件密度極大的提高，也促進(jìn)了SMD表面貼裝技術(shù)的成熟，這代表著電路的集成度，穩(wěn)定性，生產(chǎn)速度的大幅度提高。

90年代初，隨著計(jì)算機(jī)以及各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的日益復(fù)雜，對于測量儀器也提出了更高的要求。這時(shí)以HP54600系列和泰克TDS500系列為主要代表的高性能數(shù)字示波器登場。經(jīng)過長期的技術(shù)積累，此時(shí)的數(shù)字示波器融合了先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，比如微計(jì)算機(jī)，DSP，CPLD，以及專門設(shè)計(jì)的ASIC和代表核心技術(shù)的ADC，觸發(fā)控制器等等。在軟件方面也是各種先進(jìn)測量算法的集合?？梢哉f無論從哪一方面，在那個(gè)年代我們的差距不是一點(diǎn)半點(diǎn)。畢竟造個(gè)286的零件都不能完全國產(chǎn)化，何談更先進(jìn)的示波器呢？

所以說題主的問題在我看來其實(shí)很寬泛，他涉及到多個(gè)領(lǐng)域。雖說可能從一臺(tái)儀器儀器本身來看,就主要被限制在幾個(gè)關(guān)鍵的器件上.但是想要做出這些東西絕非組織幾次全國性技術(shù)攻關(guān)就能得來相應(yīng)的成果,他是長期積累和進(jìn)步的產(chǎn)物,也是智慧的結(jié)晶.同時(shí)也是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展和市場需求的必然結(jié)果。

以下,通過簡單看看示波器的發(fā)展史來更深入的理解技術(shù)積累的概念.也順便看看前輩們的腦洞。

古時(shí)候(90年代以前)，HP尚未被拆分，所以他也生產(chǎn)電測儀器，而且是靠著儀器發(fā)家的。拆分以后電測與生化測量叫做Agilent (現(xiàn)電測再次拆分叫Keysight)，半導(dǎo)體技術(shù)叫Avago。同樣泰克公司曾經(jīng)旗下有MAXTEK公司，來設(shè)計(jì)和制造本公司儀器所需的特殊定制件。

01

史前時(shí)代

電子示波器的起點(diǎn)并不容易查證，所以史前時(shí)代由示波器的操作特性來劃分。如今我們最常使用的可能是邊沿觸發(fā)模式，甚至通常認(rèn)為這就是示波器的一部分基本功能。實(shí)際上在TEK 511之前，示波器并不具備觸發(fā)能力。此時(shí)的示波器為了穩(wěn)定顯示波形，采用了一種叫做同步掃描的技術(shù)。示波器以固定的頻率進(jìn)行自由掃描，從而顯示波形。為了使波形穩(wěn)定，他也具有簡單的比較器控制，來確定何時(shí)開始掃描。不過由于掃描時(shí)間的不定性，示波管的時(shí)間軸也不穩(wěn)定。這種示波器不能進(jìn)行精確的時(shí)間測量，也不能觀察非周期性信號。

00：現(xiàn)代示波器的起點(diǎn)：Tektronix 511

1947年，泰克發(fā)布了他的第一個(gè)產(chǎn)品：511型示波器。

與他的前輩最大的不同之處在于，他首次擁有了精確的觸發(fā)系統(tǒng)，其實(shí)就是我們今日所能見到的每一臺(tái)示波器都具有的邊沿電平觸發(fā)。當(dāng)輸入波形滿足觸發(fā)比較器設(shè)定的極性與門限時(shí)，示波器開始按照時(shí)基旋鈕所設(shè)定的時(shí)間完成一次掃描。這樣可以通過調(diào)節(jié)觸發(fā)電平來確定每次掃描在波形上的起點(diǎn)，同時(shí)每一次掃描的時(shí)間又是已知的，通過數(shù)屏幕上的格子就可以對被測信號進(jìn)行準(zhǔn)確的時(shí)域分析。這是一個(gè)巨大的飛躍，其中簡單的原理已然成為今日每一臺(tái)示波器所必需的功能，不得不說他是現(xiàn)代示波器的起點(diǎn)。

01：固態(tài)化，小型化

在射頻半導(dǎo)體技術(shù)突飛猛進(jìn)的60年代，像HP和TEK這樣的公司都迫切需要高性能的固態(tài)放大器以及各種電子管的替代器件，由于通用器件公司不能提供這些部件，他們分別建立自己的研發(fā)部門滿足內(nèi)需。由于軍方也有巨大的需求量所以最重要的資金自然不是問題。以示波器來說，要把帶寬做高，需要亮度更高，聚焦更精確，擺率更快的示波管，同樣也需要高速的前置放大器/Y軸放大器。從60年代開始，除了示波管以外的其他電子管，都將被晶體管和集成電路取代。

1959年末期開始面世的泰克555型示波器，帶寬30MHz，使用完全的電子管結(jié)構(gòu)制作，功耗和體積巨大，小推車底部一層是他的電源箱.....顯然這樣的示波器顯得太過巨大，以至于離開他的小車簡直無法使用。

60年代初，隨著晶體管的量產(chǎn)難題被逐漸解決，開始了儀器固態(tài)化的進(jìn)程，此時(shí)泰克推出321型示波器。他幾乎全部使用晶體管制作，早期型號內(nèi)尚有一部分電子管工作在高壓區(qū)域，后期型號通過新型的晶體管進(jìn)一步取代了他們。這個(gè)階段的示波器縮小，重量減輕。終于可以從推車上拿下來，放在桌面上，或者輕松的移動(dòng)到一些特殊的測量現(xiàn)場。

巨量的市場需求刺激他們自己開發(fā)所需的一切配件，并且?guī)?dòng)了一些其他工業(yè)項(xiàng)目，比如玻璃的精密加工設(shè)備，金屬的沖壓設(shè)備。60年代末期美國佬已經(jīng)可以制造精密的內(nèi)刻線示波管。即示波管屏幕上的格子是刻在示波管內(nèi)部的玻璃面上的。這樣讀數(shù)誤差更小。而同年代國產(chǎn)示波器全部都是刻在壓克力片上然后放在熒光屏前邊，從不同角度看就有不同的誤差。再加上沒有實(shí)際的需求，一直到80年代后期可能才生產(chǎn)了小部分內(nèi)刻線示波管，主要用于超聲波探傷儀。

我手頭的兩個(gè)示波管，分別來自TEK 212和2430示波器，兩個(gè)管子大約都是70-80年代的產(chǎn)品，有細(xì)致的內(nèi)刻線，有光照的時(shí)候能十分清晰的顯現(xiàn)出來(在示波器上有鎢絲燈泡背光)。

仍然放在我辦公室的一臺(tái)80年代的國產(chǎn)20M示波器，他是亞克力刻線的，距離示波管屏幕足有1cm高度，帶來了十分大的讀數(shù)誤差，而且即便有燈光映照，刻線也不容易看清。

一臺(tái)非常小的TEK 212手持模擬示波器，大約是80年代初期的產(chǎn)物，主要供應(yīng)軍方需求。帶寬0.5MHz。

TEK 2430示波管內(nèi)精密又漂亮的加速電極，這些電極使得電子束帶有相當(dāng)高的能量，借此示波器可以在高掃速下仍然具有足夠的亮度進(jìn)行觀察。

02

?

高集成度與模塊化、自動(dòng)化、數(shù)據(jù)分析

到底何時(shí)集成電路進(jìn)入示波器，這點(diǎn)我確實(shí)翻了很多資料也難以確定。

不過我司曾經(jīng)有一臺(tái)老前輩留下來的泰克485，他是1972年面世的，公司這一臺(tái)是1978年左右生產(chǎn)的，他帶寬350MHz，在當(dāng)時(shí)屬于國產(chǎn)貨望塵莫及的境界。并且內(nèi)部十分的復(fù)雜，制造工藝相當(dāng)精良。遺憾的時(shí)候有一天我在擺弄他的時(shí)候，突然就黑屏了，風(fēng)扇也不再轉(zhuǎn)動(dòng)。懷疑是開關(guān)電源出了問題(沒錯(cuò)，1972年的時(shí)候已經(jīng)用上了開關(guān)電源)。然后現(xiàn)場拆解準(zhǔn)備檢修，拆開發(fā)現(xiàn)這也太復(fù)雜了。整個(gè)機(jī)子里里外外都被PCB板包裹，電源在中心...于是草草拍了些照片給裝回去了。送回倉庫睡覺。好了不再廢話了，上圖：

還能開機(jī)時(shí)候的遺照

漂亮的面板，有一部分按鈕的背光還是鎢絲燈泡。

機(jī)子后部的端口，可以看出來這個(gè)時(shí)期就已經(jīng)有有源探頭了:他有兩個(gè)有源探頭供電接口。

拆掉后邊的螺絲，拔出外殼。密密麻麻的全是板子

示波管上的產(chǎn)品檢驗(yàn)簽名。

TEK當(dāng)時(shí)所定制的奇特的集成電路。

有一大堆... ?輸入通道部分，也十分的復(fù)雜。

我閑暇之余收來的個(gè)別集成電路，中間那顆外形奇特的就是TEK自己的定制產(chǎn)品。這些東西對于我們當(dāng)時(shí)的技術(shù)人員來說就是看天書一般，難以猜透他的具體用途。集成電路以及微處理器的進(jìn)一步出現(xiàn)給示波器的自動(dòng)化開了條好路，作為老大的泰克自然不會(huì)放過這次狠狠開腦洞的機(jī)會(huì)～

1970年代中期,各方面條件具備,時(shí)機(jī)成熟.泰克推出了7000系列模塊化示波器.再一個(gè)主機(jī)顯示單元內(nèi)安裝各種模塊來定義儀器的各種功能。

而且它具有各種各樣的模塊...

具體可以看這里，是在是太多了。比如示波器所需的水平與垂直模塊，頻域與時(shí)域相交叉的TDR模塊，射頻所需要的頻率計(jì)，頻譜分析儀模塊。當(dāng)時(shí)數(shù)字電路驗(yàn)證所需的邏輯分析儀模塊....

當(dāng)然，無論他如何魔改，他還是模擬示波器。模擬示波器有諸多不便，比如帶寬較低，無法存儲(chǔ)等，在高速數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器尚不發(fā)達(dá)的70年代，高能物理實(shí)驗(yàn)以及微波和雷達(dá)系統(tǒng)的測量迫切需要高帶寬，能存儲(chǔ)的模擬示波器。于是產(chǎn)生了一些真正的黑科技產(chǎn)物(絕對不同于某米宣傳的那些)。先說帶寬，常規(guī)的模擬示波器，就是說用人眼看屏幕的那種，最高紀(jì)錄保持者是日本巖崎公司的產(chǎn)品(應(yīng)該也是80年代末)(型號我實(shí)在是沒記住)，他帶寬高達(dá)470MHz！而80年代泰克的產(chǎn)品實(shí)際上只能到達(dá)400MHz(2467B型)。由于普通臺(tái)式示波器的示波管顯示面積較大，電子束行程較長,Y軸驅(qū)動(dòng)能力不可能無限制的加大，因而限制了示波器的總體帶寬，所以有些示波管的帶寬可以達(dá)到600MHz，但是驅(qū)動(dòng)電路很難做到這樣的水平。

再說存儲(chǔ)，各位都知道：模擬示波器如果使用單次觸發(fā)，波形從熒光屏上一掃而過，經(jīng)過幾個(gè)ms的余輝以后就永遠(yuǎn)的消逝了。于是技術(shù)出現(xiàn)了兩種方向，一種是示波器照相機(jī)。這種專用的相機(jī)安裝在示波器屏幕上并保持快門一直打開，示波器觸發(fā)結(jié)束以后再關(guān)閉快門完成一次曝光。這是一種機(jī)靈的做法，但是每次想看到記錄下的波形都需要沖洗膠片。

兩臺(tái)安裝了專用照相機(jī)的示波器，看起來有點(diǎn)詭異

C-53相機(jī)側(cè)面的一些調(diào)整選項(xiàng)，比如對焦，光圈，快門速度，走片速度等。

TEK在1973年的一本小冊子，講示波器相機(jī)的應(yīng)用。

出于示波器相機(jī)繁瑣的使用方式，所以還具另一種技術(shù)，也就是記憶示波管。這種示波管在熒光屏后方安裝了特殊的存儲(chǔ)柵極，同時(shí)示波管內(nèi)有專用的讀出電子槍。在主電子槍完成一次掃描后，柵極上留下電子空隙。然后讀出電子槍打開，向存儲(chǔ)柵極均勻的發(fā)射電子幕，一部分被存儲(chǔ)柵極阻擋，另一部分透過柵極照射到熒光屏上，存儲(chǔ)的波形被復(fù)現(xiàn)出來。

存儲(chǔ)示波管的結(jié)構(gòu)簡圖，可以看出來他多了兩個(gè)FLOOD GUNS以及一組置于熒光屏后邊的柵極。不過這種示波管只能存儲(chǔ)幾分鐘，隨后就因?yàn)殡娮有孤抖：?。后期代表型號有HP公司的1741A型。這種特殊的電子管也被用于雷達(dá)顯示屏和早期計(jì)算機(jī)的RAM存儲(chǔ)器。這種示波管對機(jī)械結(jié)構(gòu)要求更加精密一些，帶寬不高的管子我們國內(nèi)也能成功生產(chǎn)。

我的1741A示波器

此時(shí)示波器并沒連接探頭，屏幕上正顯示著剛存儲(chǔ)下的波形。

數(shù)分鐘后，波形開始模糊，最終變成一屏綠光。

1741A的示波管，這個(gè)角度可以看到具有白色陶瓷后蓋的讀出電子槍。

這展示了在存儲(chǔ)模式下的低速掃描過程，首先全屏幕綠光，這是進(jìn)行了示波管"擦除"，隨后一次接一次的掃描，首次掃描結(jié)束后波形仍然沒有消失。

我國1973年生產(chǎn)的SC-7存儲(chǔ)管，他將熒光粉換成了電子靶，用于記錄和讀出數(shù)據(jù)。

到了70年代中期，電子計(jì)算機(jī)也小型化，他們被更多的應(yīng)用在測量的控制與分析領(lǐng)域。這就需要電子儀器可以記錄他的測量結(jié)果并且數(shù)字化。對于示波器這似乎是個(gè)難題，因?yàn)楫?dāng)時(shí)并不能生產(chǎn)出高帶寬高采樣的ADC。此時(shí)美國佬又動(dòng)起了歪腦筋，這次，泰克公司研發(fā)出了7912型(大約1973年)數(shù)字化儀(Digitizer)。

7912AD數(shù)字化儀

這類設(shè)備的廣告小冊子，著重宣傳了他與計(jì)算機(jī)的連接能力。

他仍然使用模擬示波管，帶寬高達(dá)1GHz，如果等效到數(shù)字示波器的采樣率，則大約是2Gsa。同時(shí)能夠提供大約12bit動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字化波形輸出。他是怎么做到的呢？泰克使用了掃描變換管技術(shù)(Scan conversation tube).這是一種頗為奇妙的示波管，他有兩頭，一頭是示波管，負(fù)責(zé)波形掃描，另一邊是攝像管，用于圖像記錄(CCD尚未大批量應(yīng)用之前的產(chǎn)物)。兩個(gè)管子的中央是記錄靶。示波管發(fā)射掃描電子束到記錄靶，然后由攝像管和低速AD轉(zhuǎn)換器輸出，完成對于高速信號的記錄。

7912數(shù)字化儀使用的SC108掃描變換管。

這個(gè)玩意長的可以稱之為刷屏神器了～

這相當(dāng)于一個(gè)模擬FIFO。解決了當(dāng)時(shí)的技術(shù)難題，這種管子一直被泰克公司應(yīng)用到80年代末期，用來生產(chǎn)SCD5000系列數(shù)字化儀。

SCD5000數(shù)字化儀，這次他有了一個(gè)可以選裝的液晶屏，用來查看記錄下來的波形。

后來與SCD5000同樣的技術(shù)在01年左右由日本巖崎公司推出TS-80000系列示波器，不過攝像管換成了CCD，LeCroy LA354還是什么玩意也是這樣的，其實(shí)是巖崎貼牌的。而此時(shí)泰克的數(shù)字示波器早已跨過10Gsa采樣率的大關(guān)，并且達(dá)到20Gsa(TDS7404/7254)。

TS-80000系列的宣傳說明，簡略的展示了一下掃描變換管的結(jié)構(gòu)。其實(shí)就是CCD拍示波管，只不過示波管靶面很小，更容易做到高帶寬。

TS-80000與他的屏幕截圖。這臺(tái)液晶示波器用這樣機(jī)智的辦法實(shí)現(xiàn)了模擬示波器的效果，又能存儲(chǔ)和測量。

LA354，其實(shí)也是日本人代工的。

除了數(shù)字化儀，70-80年代也有一些結(jié)構(gòu)正統(tǒng)的數(shù)字示波器。其中數(shù)字示波器的先驅(qū)據(jù)說是英國的Nicolet公司，他們制造了第一臺(tái)數(shù)字示波器，使用磁帶存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。不過這些信息并不十分明確，我也沒找到第一臺(tái)數(shù)字示波器的圖片。上邊這個(gè)數(shù)字示波器是Nicolet在80年代初期的產(chǎn)物。很時(shí)髦的用了一個(gè)8寸軟驅(qū)來存儲(chǔ)波形。

03

細(xì)分化，各取所需

經(jīng)過混沌的70年代，可能這些廠商都發(fā)現(xiàn)模塊化設(shè)備的出發(fā)點(diǎn)是好的，但他們雜而不精。于是經(jīng)過長期積累，示波器開始出現(xiàn)各種專用細(xì)分目的的變形，來滿足不同測量需求。

對于泰克而言，通用示波器系列主要是2400系列。他們大多數(shù)都是模擬示波器，但是加入了一個(gè)新的AUTO功能，也就是示波器內(nèi)部帶有一些簡單的檢測電路可以測試輸入信號的頻率與Vpp。這樣，只需給示波器輸入被測信號，按下AUTO按鈕，很快示波器就能自動(dòng)分析并轉(zhuǎn)換到最佳量程。這為用戶操作提供了很大的方便性。

針對高速數(shù)字信號的分析，泰克推出了DSA數(shù)字信號分析儀。其實(shí)這就是今天所使用的采樣示波器的前身。他的輸入通道被設(shè)計(jì)成可更換的，能換成輸入采樣頭或者TDR頭。帶寬可達(dá)幾十GHz。

此時(shí)期HP公司除了生產(chǎn)模擬存儲(chǔ)示波器，他們的數(shù)字示波器主要面向自動(dòng)測量系統(tǒng)使用。儀器完全受到GPIB總線控制，所以不得不說前面板設(shè)計(jì)的并不是多么實(shí)用。

剛才說道泰克2400系列多數(shù)是模擬的，但是這也存在少數(shù)派：再說說其他的模擬FIFO存儲(chǔ)的示波器，80年代高頻的半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)十分成熟了，所以由出現(xiàn)了一種使用CCD來儲(chǔ)存波形的示波器(沒錯(cuò)說的就是相機(jī)那個(gè)CCD，他最早就是作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是研發(fā)的，感光只是附帶的功能 )。這類示波器代表型號飛利浦PM3310/3311,泰克2430/2431一類。采樣率可達(dá)200MHz。其中的CCD部件就像一個(gè)模擬信號的串行移位寄存器，在高速采樣時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下將模擬波形快速移入，然后在低速讀出時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下移出到ADC進(jìn)行數(shù)字化。也是一種比較機(jī)智的做法，成本相比掃描變換管低得多。

我的PM3310示波器，最后一圖是他的低速ADC，大約是12KHz的采樣率。借助CCD存儲(chǔ)器，采樣率可達(dá)60M，然而，我多次對照維修手冊，仍然無法確定CCD是其中的哪一部分，或者哪個(gè)IC。

04

全面數(shù)字化，混合信號測量

到了80年代后期，泰克和HP紛紛停產(chǎn)模擬示波器，投身到數(shù)字示波器中。其中HP最先推出的是54500系列，采樣率都不是太高，幾百M(fèi)的范圍。不過對于很多應(yīng)用場合都能夠滿足記錄要求，隨著90年代初高采樣率ADC的實(shí)用化，泰克也推出了十分經(jīng)典的TDS500系列示波器，并且定義了未來幾十年后的數(shù)字示波器基本架構(gòu)。

為了與泰克抗衡，HP推出了面板操作類似通用示波器的54600系列。

我開蓋的，TDS500系列第一代ADC,從90年代初生產(chǎn)到94年左右，其中有兩個(gè)核心，估測一個(gè)是sample/hold，另一個(gè)是pipe-line ADC。

例如TDS540型，帶寬到達(dá)500HMz，實(shí)時(shí)采樣率可達(dá)1GHz，這代表數(shù)字示波器開始真正實(shí)用并且擁有良好的適應(yīng)性，可以在眾多場合取代模擬示波器了！不過這些早期的高性能數(shù)字示波器還面臨波形更新率太低的問題，每秒幾十次到數(shù)百次，還不能像模擬示波器那樣展現(xiàn)豐富的波形信息，而且不能擁有模擬示波器能展現(xiàn)的余輝效果(如果你用低檔示波器看過CVBS視頻信號，應(yīng)該更加有感受)。

使用模擬示波器觀察視頻信號，它具有細(xì)膩的亮度變化，這是因?yàn)樾盘栕陨淼膾呙杷俣炔煌鸬摹Ｒ曨l信號的同步周期是50或者60Hz，而寬闊的方塊區(qū)域是顏色掃描信號，他的頻率遠(yuǎn)高于同步信號周期，而模擬示波器的Y軸帶寬恒定的，不受掃描速度影響，所以可精細(xì)的展現(xiàn)這些波形。

而普通數(shù)字示波器在較長的時(shí)基下一般也會(huì)使用較低的采樣率。這導(dǎo)致在波形密集區(qū)域發(fā)生混疊，最后只能采集到一些錯(cuò)誤的低頻混疊波形。

左側(cè)就是一般數(shù)字示波器觀察視頻信號的效果。丟失了大量的細(xì)節(jié)，右側(cè)是數(shù)字熒光示波器，他非常接近模擬示波器的效果，這個(gè)后邊談到。

目前的低端國產(chǎn)示波器依然如此，從屏幕上無法獲得波形的疊加層次信息，測量開關(guān)電源帶有尖峰的振蕩波形，示波器也無法記錄細(xì)節(jié)。經(jīng)?？床坏郊?xì)微的毛刺脈沖。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)示波器每次觸發(fā)以后就停止采集，然后CPU開始讀出采樣內(nèi)存并且更新到顯存中，耽誤大量的時(shí)間。在數(shù)據(jù)處理的過程中示波器可能錯(cuò)過大量的關(guān)鍵波形。針對這些問題，泰克從1996年開始推出帶有instaVu技術(shù)的TDS500B/700A型示波器。他的做法比較簡單暴力，相比以前數(shù)字示波器每一擋時(shí)基所用的采樣率、instaVu示波器使用更高的采樣率去連續(xù)不斷的采集波形，避免混疊，并且疊加在RAM中，然后每30ms更新一次屏幕，這樣經(jīng)過大量疊加的波形能攜帶更多的偶發(fā)信息，進(jìn)一步接近模擬示波器的效果。到了97年，發(fā)布了改進(jìn)型的instaVu示波器：TDS500C/700C，比起上一代，他每秒最多可以捕獲40萬個(gè)波形！而模擬示波器受限于回掃時(shí)間，大約可以等效到20萬波形/秒。

instaVu示波器：他可以顯示大量疊加過得波形信息，卻不能提供波形的三維數(shù)據(jù)。

此時(shí)數(shù)字示波器只剩最后一個(gè)難點(diǎn)，也就是模擬示波器可以提供的余輝信息，余輝可以告訴我們波形出現(xiàn)的頻率和速度，例如模擬示波器不容易看到方波那快速陡峭的上升沿，因?yàn)殡娮邮谶呇伛v留的時(shí)間不多，無法充分激發(fā)熒光粉。于是泰克進(jìn)一步努力，在1998年發(fā)布具有劃時(shí)代意義的TDS500D/700D系列數(shù)字熒光示波器(Digital Phosphor Oscilloscope)。他是instaVu的進(jìn)一步改進(jìn)，依托處理能力更強(qiáng)大的DPX熒光處理器，在疊加波形的同時(shí)也計(jì)算出波形每一處的重疊率，于是數(shù)字示波器首次擁有了X和Y軸以外的Z軸，即亮度軸，此時(shí)數(shù)字示波器也可以從三維角度進(jìn)行觀察。

還是上圖那個(gè)波形，在DPO示波器上呈現(xiàn)，信號的出現(xiàn)概率均以不同的輝度呈現(xiàn)。

DPO宣傳小冊子里的框圖，他有并行數(shù)據(jù)處理能力，波形采集和更新的同時(shí)，CPU和DSP也可以連續(xù)計(jì)算參數(shù)刷新到屏幕上。其中DPX熒光處理器是獨(dú)立工作的一部分。

TDS784D示波器1G帶寬，4Gsa采樣率。這臺(tái)是最后期一批產(chǎn)品，2001年出廠，他換裝了最新研發(fā)的ADC和DPX控制器，后來這些部件延續(xù)到TDS5000和7000系列示波器使用。

主板

采集板

CPU和一塊ASIC。他的CPU是MOTOROLA MC68040，操作系統(tǒng)VxWorks。

采集板上的DPX控制器和大量的采樣緩存?？梢钥吹贸鰜砉に囘€是很復(fù)雜的，國產(chǎn)山寨還是有一定壓力的(實(shí)際上41所搞這個(gè)6的不行)。但是對于民企就需要投入巨大的成本。顯然沒有這個(gè)必要，畢竟投入未必有回報(bào)。

@MIKA 還提到了模擬輸入的問題

這是TDS500D系列示波器的前端通道。因?yàn)檫@一代前端功耗很大，是做在陶瓷電路板上的。而且能看到他使用了當(dāng)時(shí)很先進(jìn)的激光調(diào)整技術(shù)，來保證最終通道一致性和穩(wěn)定性。我也接觸過HANTEK和RIGOL的示波器板卡，基本無一例外通那里都有幾個(gè)可調(diào)電容，在進(jìn)行儀器校準(zhǔn)的時(shí)候需要去調(diào)調(diào)。

第一代DPO示波器只有16級輝度，相比模擬示波器幾乎無限多的輝度等級似乎完全沒有用處，實(shí)際上他已經(jīng)十分不錯(cuò)了，依托數(shù)字示波器靈活的測量能力以及強(qiáng)大的分析性能，終于完全取代了模擬示波器。

一個(gè)抖動(dòng)中的信號

測試方波，邊沿看起來就像模擬示波器的效果

似乎有亞穩(wěn)態(tài)的現(xiàn)象。

同年，泰克TDS694C數(shù)字示波器的帶寬到達(dá)3GHz，實(shí)時(shí)采樣率突破10Gsa大關(guān)...進(jìn)入新世紀(jì)，除了日本人還短期內(nèi)搗鼓了一下掃描變換管，泰克，hp(此時(shí)已經(jīng)是agilent)以及LeCroy全面的把高端示波器轉(zhuǎn)向X86平臺(tái)，也就是將以前示波器內(nèi)慣用的MC68000系列或者ColdFire CPU轉(zhuǎn)換到PC平臺(tái)，同時(shí)具有輔助DSP來完成波形分析，使得示波器的測量能力以及測量速度進(jìn)一步提高。

我現(xiàn)在業(yè)余使用的TDS7054示波器。他是TEK在01年推出的，用來接替TDS700D系列的pc-based示波器。擁有更好的熒光性能，更快的速度，更強(qiáng)大的分析能力和更加靈活的通訊端口。

以上是90年代泰克示波器的主要發(fā)展路線，不過這并不是90年代的全部。在90年代示波器領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新的概念，在當(dāng)時(shí)受限于多種技術(shù)限制并未能帶來很好的實(shí)用效果。不過在近期這些技術(shù)重新投入市場，使得示波器的觀測能力進(jìn)一步擴(kuò)展。

比如：混合信號示波器

混合信號示波器的概念最早由HP公司提出。主實(shí)現(xiàn)方式是將示波器與邏輯分析儀一體化生產(chǎn)，邏輯圖與波形圖同時(shí)顯示，相互參考。在數(shù)模結(jié)合系統(tǒng)或者數(shù)字系統(tǒng)的物理層驗(yàn)證中發(fā)揮了很大的作用。

這應(yīng)該是第一臺(tái)MSO，帶有16個(gè)邏輯(數(shù)字)通道。同時(shí)這臺(tái)機(jī)子開始使用最新推出的MEGA ZOOM采樣技術(shù)，是DPO的競爭技術(shù)，也能帶來模擬示波器一樣的余輝效果。那么？在MSO之前呢？

在HP推出MSO之前，我們還有這樣一款火星級產(chǎn)品——TLS216.它是一臺(tái)有16個(gè)模擬通道的示波器...泰克管它叫做LogicScope。具體應(yīng)該是92年發(fā)布TDS500系列架構(gòu)取得成功以后，利用TDS500的框架設(shè)計(jì)出來的怪物。他有2Gsa的采樣率卻要被16個(gè)通道平分。再加上他沒有協(xié)議解析能力，屏幕分辨率只有VGA水平。導(dǎo)致他是一個(gè)徹底的失敗產(chǎn)物。不過他給HP提供了設(shè)計(jì)MSO的好思路——即數(shù)字和模擬應(yīng)該分開，要增加協(xié)議分析能力，而不是追求大量的模擬通道。

05

新世紀(jì)：混合域分析

當(dāng)然不用多說的是，進(jìn)入了新世紀(jì)，示波器的帶寬和采樣率依然沒有停止增長。除此之外，一些示波器也增加了時(shí)域測量以外的功能，比如MSO可以分析邏輯信號的狀態(tài)與時(shí)序。而更進(jìn)一步的MDO混合域示波器則加入了一個(gè)寬帶頻譜分析儀，使得示波器可以從時(shí)域/頻域/調(diào)制域的角度重新審視信號，為測量人員開辟一片新的天地（然而這么NB的示波器我并買不起，所以什么具體評測拆機(jī)上圖啥的免了）。

說這么多，其實(shí)是想用實(shí)際的設(shè)備來看到前輩們是如何一個(gè)一個(gè)腳印走過來的。其中一些過渡技術(shù)早已被淘汰，被人遺忘。但回首這些技術(shù)，仍然閃爍著智慧的光芒。

說白一點(diǎn),除了刻苦鉆研,腦洞和大把資金也是很重要的.可以看出來這些歷史產(chǎn)品未必成功,但是帶來了大量的技術(shù)積累.另外受限于篇幅，更多有意思的設(shè)備未能完全寫出，再發(fā)幾個(gè)圖片：

這是TEK 222，這個(gè)比ip5s稍微大一圈的東西是個(gè)10MHz手持?jǐn)?shù)字示波器。80年代的產(chǎn)物，而且他還是兩通道相互隔離的。從圖片可以看出他用了磁隔離器。

大致說下技術(shù)上的導(dǎo)致壟斷的原因。

1. 材料與器件材料嚴(yán)重依賴工業(yè)基礎(chǔ)

高端示波器中高速ADC不是常規(guī)硅材料，有些是砷化鎵，磷化銦等，比較超前，國內(nèi)在消費(fèi)電子的硅材料上補(bǔ)功課，那個(gè)量大，這個(gè)沒跟上呢。

高速ADC不僅應(yīng)用于示波器，還有導(dǎo)彈姿態(tài)，紅外夜視，跟蹤瞄準(zhǔn)等。軍事的限制大家都懂，所以較為嚴(yán)格。傳說中某單位買了別人高端示波器拆了幾顆ADC，把剩余的丟了，成為笑談。

另外不只ADC，示波器中需要的FPGA也只有少數(shù)幾家能做出來，都是在美國。國內(nèi)做的最好的一家經(jīng)營不善，貌似在重組，我用過，狠狠得坑了我一次，產(chǎn)品剛做完，它就破產(chǎn)我很傷心π_π現(xiàn)在FPGA還不算最嚴(yán)重的瓶頸，但是ADC有可能國內(nèi)做出來，F(xiàn)PGA可能性很小，被專利和技術(shù)難度束縛，雖然近些年FPGA符合增長率驚人，但國內(nèi)技術(shù)太不成熟，你給他機(jī)會(huì)選用它的器件，它就會(huì)狠狠的傷你的心……

2. 電子技術(shù)人才少，技術(shù)積累少

大神們都懂，我國受教育數(shù)量和質(zhì)量差強(qiáng)人意，國外從電子管晶體管一路走來技術(shù)積累快百年，他們走的路我們都要走，山寨也要改明白，弄通原理，這都要時(shí)間。

現(xiàn)實(shí)是，留給中國隊(duì)的時(shí)間不多了→_→我們很少有人懂電路，尤其是模擬電路。舉例來說，示波器信號鏈調(diào)整，觸發(fā)，時(shí)鐘分配都很難。因?yàn)閮x表體量不大，器件只能選用其他領(lǐng)域的，比如通信的，借用一下，單獨(dú)開發(fā)不會(huì)干，成本也花不起，所以信號鏈得調(diào)整多數(shù)時(shí)候用的都是管子，不知道有多少知乎大神能用管子搭出來寬帶程控pga，能搭出來請看下一條。

3. 人工太貴

示波器另一難點(diǎn)是算法，這是一個(gè)示波器最高的追求，無論是簡單的算個(gè)rms，濾波，還是搞個(gè)余暉，追求波形刷新率，這個(gè)算法在FPGA上實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA的工程師好貴，比硬件貴多了，一些成熟能干活的算法工程師在北京房屋公積金是能交夠上限的。成熟的硬件工程師可能需要至少三五年的工作經(jīng)驗(yàn)，工資也不過一萬出頭，還不如互聯(lián)網(wǎng)入門工資。

全球電測儀器市場容量大致300～400億，示波器一項(xiàng)更沒多少錢，整個(gè)國內(nèi)示波器廠家市場占有率粗估不到2%（沒數(shù)據(jù)支持），拿什么錢支撐研發(fā)成本呢？不能說我供職的公司，國內(nèi)市場占有率第二的公司，銷售額幾千萬而已，低端市場毛利不到5成，所以，做示波器的都是為了情懷，無論公司還是個(gè)人。

編輯：黃飛

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