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硬件测试入门-聊一聊示波器

 爱月亮的长颈鹿 2023-04-28 发布于北京

示波器对于一个硬件开发或者硬件测试工程师的重要性不言而喻,对于示波器的使用过程也是踩坑无数,一把鼻涕一把泪,接下来就和大家聊一聊示波器。

模拟示波器时代

第一次相遇还是在遥远的大学时期,那时候就知道这个“东西”叫示波器,你要问我怎么用? 直接“Autoset”就行。这是示波器给我的第一印象,我记得当时用的是泰克的一款模拟示波器,为了记录数据当时只拍了屏幕

:2016年使用的第一台示波器

它的全貌应该是下图这种模拟示波器,现在只能当收藏品了,没有人在使用。

最早的模拟示波器出现于1940年,显示屏用的是荧光显示屏,电子枪打在荧光屏上产生亮点,每个点的亮度与电子枪在上面的停留时间有关,可以是当时的模拟示波器是真正的“实时示波器”,屏幕上的波形基本上随着波形实时变化。

数字示波器时代

时间继续往下走,在大三做课设的时候,第一次用到了数字示波器,鼎阳的SDS 1102CNL,这个应该是属于鼎阳教育系列的示波器,目前在鼎阳官网还可以买到。

siglent  SDS系列示波器

(背景中蓝色衣服的就是来自于2017的Wang同学,他大概率是看不到这张图片

数字示波器的发展起源于1980年,随着高速ADC芯片以及数字处理技术的发展,数字示波器开始展露头角,并以很快的发展速度在带宽、触发、分析能力等方面全面超越了模拟示波器。现在的数字示波器主要由5个主要部分构成:

放大器和衰减器:信号通过探头或者测试电缆进入示波器内部后,首先经过的就是放大器和衰减器,它们决定了示波器的关键指标-带宽。

模数转换(ADC):通过前段的放大器和衰减器把信号调理到合适的幅度后,就进入了示波器的下一个环节-数字化。数字化的过程就是通过ADC完成的,把输入的连续的电压信号转换成一个个离散的点。数字示波器对被测信号进行模数转换的最高速率称为采样率,这也是示波器的第二个关键指标。

存储器:既然采样速率提高了,采到的数据也就多了,因此示波器在ADC后面都有高速缓存,用来临时存储采样的数据,缓存的大小决定了示波器的第三个关键指标-内存深度。

波形重建:数字示波器把一段数据采集到缓存中后,处理器会把存储的数据取出进行分析、测量、显示。

波形显示:数据经过处理后,最终要在示波器的屏幕上才能被人眼观察到。

早期的数字示波器由于处理速度的制约,其实看起来并不那么“实时”,因为它所测试到的数据不能够连续不断地显示在屏幕上,两个波形的中间会有大量的遗漏信息,随着除了带宽、采样率、存储深度的提升以外,采用专用的ASIC芯片解决了这个问题。

进入工作后,见识的多了才知道除了泰克还有一个示波器厂商叫安捷伦(即现在的是德科技)。下面这两款都是刚工作的时候使用到的示波器,当时觉得这示波器真NIU BI,秒杀大学时期所有示波器。

图:tek MSO系列示波器

keysight  DSOX系列示波器

混合示波器时代

此时泰克的MSO系列示波器在传统的实时示波器的基础上增加了16个数字逻辑通道,因此称为混合示波器(Mixed-signal oscilloscopes),增加数字通道的好处是可以测试等多路的数字信号。

高分辨率示波器时代

在后面接触到了更高级的示波器,如泰克的MSO5系示波器、是德科技的Infiniium EXR 系列示波器,它们相对与之前的示波器,带来了更多的通道数量,更高的分辨率、更好的人机交互方式,以及更多丰富的功能,而带宽、采样率、存储深度这些硬性指标无疑是大幅增加。

:tek  MSO5/6系列示波器

keysight  EXR系列示波器

除此之外还有未提到的混合域示波器和高速示波器。混合域示波器也称为多合一示波器,集成了频谱分析仪、功率计、万用表、信号发生器、环路分析仪等多种测试设备的功能。如泰克的MDO系列混合域示波器。

:tek  MDO3000/4000系列示波器

高速示波器就是为了测量高速信号的示波器,提供了更高的带宽和采样率,如泰克的MSO/DPO70000系列、是德科技的DSA Infiniium 系列,提供高达70G的带宽,200GS/S的采样率。

:tek  MSO/DPO70000系列系列示波器

keysight  DSA系列示波器

从上面我们可以看到目前示波器的划分可以分为以下几类:

泰克和是德科技可以是我们熟知的示波器厂商,国外的厂商还有罗德与施瓦茨、美国力科这两个品牌。

国内的示波器厂商也蓬勃发展,如普源、鼎阳、优利德、致远电子等等,但是国内生产的示波器普遍在中低端,高端示波器几乎是没有,在高速示波器,多通道示波器方面为零。

我也用过几款国内的示波器,还是存在一些差距。即使示波器的外观多么花哨,功能多么丰富,最终还是硬件和软件的比拼。硬件主要是芯片,国内的示波器厂商已经开始使用了自研的示波器芯片,而软件方面个人感觉还是差异很大,人机交互方面做的不够好,分析和测试软件还是比较少。下面可以看到国内外示波器厂商的发展历程对比


下面列举了普源和鼎阳目前比较高端的两款示波器。

鼎阳SDS7000A系列示波器

普源精电DS70000系列示波器

任重而道远,最后祝愿国内示波器厂商发展越来越好(早日“踢泰克”“拳打是德

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