現(xiàn)代電子儀器發(fā)展史

1、現(xiàn)代電子儀器發(fā)展史摘要:示波器是顯示被測(cè)量的瞬時(shí)值軌跡變化情況的儀器，現(xiàn)在示波器已成為電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)中不可缺少的儀器。本文通過回顧各個(gè)時(shí)期示波器的種類，詳細(xì)介紹了不同種類示波器的工作原理及使用方法，圖文并茂的剖析了示波器的發(fā)展史。示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。它能把肉眼看不見的電信號(hào)變換成看得見的圖象，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)。在被測(cè)信號(hào)的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測(cè)試各種不

2、同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等。示波器種類包括模擬示波器，數(shù)字示波器，其中數(shù)字示波器又包括數(shù)字熒光示波器，數(shù)字存儲(chǔ)示波器等。 一.模擬示波器模擬示波器，采用的是模擬電路（示波管，其基礎(chǔ)是電子槍）電子槍向屏幕發(fā)射電子，發(fā)射的電子經(jīng)聚焦形成電子束，并打到屏幕上，屏幕的內(nèi)表面涂有熒光物質(zhì)，這樣電子束打中的點(diǎn)就會(huì)發(fā)出光來。二十世紀(jì)四十年代是電子示波器興起的時(shí)代，雷達(dá)和電視的開發(fā)需要性能良好的波形觀察工具，泰克成功開發(fā)帶寬10MHz的同步示波器，這是近代示波器的基礎(chǔ)。五十年代半導(dǎo)體和電子計(jì)算機(jī)的問世，促進(jìn)電子示波器的帶寬達(dá)到100MHz。六十年代美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)在電子示波器開發(fā)方面

3、各有不同的貢獻(xiàn)，出現(xiàn)帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬4GHz的行波示波管、1GHz的存儲(chǔ)示波管；便攜式、插件式示波器成為系列產(chǎn)品。七十年代模擬式電子示波器達(dá)到高峰，行譜系列非常完整，帶寬1GHz的多功能插件式示波器標(biāo)志著當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的高水平，為測(cè)試數(shù)字電路又增添邏輯示波器和數(shù)字波形記錄器。模擬示波器從此沒有更大的進(jìn)展，開始讓位于數(shù)字示波器，英國(guó)和法國(guó)甚至退出示波器市場(chǎng)，技術(shù)以美國(guó)領(lǐng)先，中低檔產(chǎn)品由日本生產(chǎn)。 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(jìn)。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能，對(duì)示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲(chǔ)和處理

4、，以及多種觸發(fā)和預(yù)前觸發(fā)能力。廿世紀(jì)八十年代數(shù)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(shì)，模擬示波器逐漸從前臺(tái)退到后臺(tái)。 但是在發(fā)展初期模擬示波器的某些特點(diǎn)，卻是數(shù)字示波器所不具備的： 操作簡(jiǎn)單：全部操作都在面板上可以找到，波形反應(yīng)及時(shí)，數(shù)字示波器往往要較長(zhǎng)處理時(shí)間。 垂直分辨率高：連續(xù)而且無限級(jí)，數(shù)字示波器分辨率一般只有8位至10位。 數(shù)據(jù)更新快：每秒捕捉幾十萬個(gè)波形，數(shù)字示波器每秒捕捉幾十個(gè)波形。 實(shí)時(shí)帶寬和實(shí)時(shí)顯示：連續(xù)波形與單次波形的帶寬相同，數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān)，取樣率不高時(shí)需借助內(nèi)插計(jì)算，容易出現(xiàn)混淆波形混合示波器。 簡(jiǎn)而言之，模擬示波器為工程技術(shù)人員提供眼

5、見為實(shí)的波形，在規(guī)定的帶寬內(nèi)可非常放心進(jìn)行測(cè)試。人類五官中眼睛視覺神經(jīng)十分靈敏，屏幕波形瞬間反映至大腦作出判斷，細(xì)微變化都可感知。因此，剛開始模擬示波器深受使用者的歡迎。二.數(shù)字示波器數(shù)字示波器是數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換，軟件編程等一系列的技術(shù)制造出來的高性能示波器。數(shù)字示波器一般支持多級(jí)菜單，能提供給用戶多種選擇，多種分析功能。還有一些示波器可以提供存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的保存和處理。 目前高端數(shù)字示波器主要依靠美國(guó)技術(shù)，對(duì)于300MHz帶寬之內(nèi)的示波器，目前國(guó)內(nèi)品牌的示波器在性能上已經(jīng)可以和國(guó)外品牌抗衡，且具有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。八十年代的數(shù)字示波器處在轉(zhuǎn)型階段，還有不少地方要改進(jìn)，美國(guó)的TEK公司和

6、HP公司都對(duì)數(shù)字示波器的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。它們后來停產(chǎn)模擬示波器，并且只生產(chǎn)性能好的數(shù)字示波器。進(jìn)入九十年代，數(shù)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(xiàn)所謂數(shù)字示波器模擬化的現(xiàn)象，換句話說，盡量吸收模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)字示波器更好用。 數(shù)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(yīng)對(duì)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/s，甚至10GHz/s。 其次，提高泰克數(shù)字示波器的更新率，達(dá)到模擬示波器相同水平，最高可達(dá)每秒40萬個(gè)波形，使觀察偶發(fā)信號(hào)和捕捉毛刺脈沖的能力大為增強(qiáng)。 再次

7、，采用多處理器加快信號(hào)處理能力，從多重菜單的煩瑣測(cè)量參數(shù)調(diào)節(jié)，改進(jìn)為簡(jiǎn)單的旋鈕調(diào)節(jié)，甚至完全自動(dòng)測(cè)量，使用上與模擬示波器同樣方便。最后，數(shù)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(tài)，即顯示出信號(hào)的幅值、時(shí)間以及幅值在時(shí)間上的分布。具有這種功能的數(shù)字示波器稱為數(shù)字熒光示波器或數(shù)字余輝示波器即數(shù)模兼合。1. 數(shù)字示波器數(shù)字示波器要有模擬功能,模擬示波器用陰極射線管顯示波形，示波管的帶寬與模擬示波器的相同，亦即示波管內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)速度與信號(hào)頻率成正比，信號(hào)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，低頻波形的亮度高，高頻波形的亮度低。利用熒光屏幕的亮度或灰度容易獲

8、得信號(hào)的第三維信息，如用屏幕垂直軸表示幅度，水平軸表示時(shí)間，則屏幕亮度可表示信號(hào)幅度隨時(shí)間分布的變化。這種與時(shí)間有關(guān)的熒光余輝（灰度定標(biāo)）效應(yīng)對(duì)觀察混合波形和偶發(fā)波形十分有效，數(shù)字存儲(chǔ)示波器就是這種專用示波器的代表產(chǎn)品，最高的性能達(dá)到800MHz帶寬，可記錄到1ns左右的快速瞬變偶發(fā)事件。 數(shù)字示波器缺少余輝顯示功能,因?yàn)樗菙?shù)字處理，只有兩個(gè)狀態(tài)，非高即低，原則上波形也是“有”和“無”兩個(gè)顯示。為達(dá)到模擬示波器那樣的多層次亮度變化，必須采用專用圖象處理芯片，例如TEK公司采用DPX型處理器芯片，具有數(shù)據(jù)采集、圖象處理和存儲(chǔ)等多項(xiàng)功能，DPX芯片由130萬個(gè)晶體管組成，采用0。65m的CMOS

9、工藝，并行流水結(jié)構(gòu)，取樣率高。它既是數(shù)據(jù)采集芯片，同時(shí)也是光柵掃描器，模擬示波管屏幕熒光體的發(fā)光特性，用16級(jí)亮度分級(jí)，將波形存儲(chǔ)在500×200像素的LCD單色或彩色顯示屏上，每1/30秒更新一次泰克數(shù)字示波器。由于模擬存儲(chǔ)示波器只能依靠照相底片記錄波形，對(duì)數(shù)據(jù)保存并不方便，而數(shù)字熒光示波器是數(shù)字處理的顯示，數(shù)據(jù)記錄、處理、保存都十分方便。例如用紅色表示出現(xiàn)幾率最高的波形，蘭色表示出現(xiàn)幾率最低的波形，達(dá)到一目了然。由于數(shù)字示波器已經(jīng)達(dá)到4GHz以上帶寬的水平，配合熒光顯示特性，總的性能優(yōu)于模擬存儲(chǔ)示波器。 2.數(shù)字熒光示波器 數(shù)字熒光示波器（DPO）為示波器系列增加了一種新的類型，

10、能實(shí)時(shí)顯示、存貯和分析復(fù)雜信號(hào)的三維信號(hào)信息：幅度、時(shí)間和整個(gè)時(shí)間的幅度分布。 DSO采用串行處理的體系結(jié)構(gòu)捕獲、顯示和分析信號(hào)；相對(duì)而言，DPO為完成這些功能采用的是并行體系結(jié)構(gòu)。并行結(jié)構(gòu)和基于ASIC硬件的處理技術(shù)，使數(shù)字熒光示波器能夠捕捉到當(dāng)今復(fù)雜的動(dòng)態(tài)信號(hào)中的全部細(xì)節(jié)和異常情況，并以人類的眼睛的接受速度顯示出來。普通數(shù)字示波器要觀察偶發(fā)事件需要使用長(zhǎng)時(shí)間記錄，然后作信號(hào)處理，這種辦法會(huì)漏掉非周期性出現(xiàn)的信號(hào)和不能顯示出信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性。數(shù)字熒光示波器能夠顯示復(fù)雜波形中的微細(xì)差別，以及出現(xiàn)的頻繁程度。例如觀察電視信號(hào)，既有行掃描、幀掃描、視頻信號(hào)和伴音信號(hào)，還要記錄電視信號(hào)中的異?，F(xiàn)象，對(duì)

11、于專業(yè)人員和維修人員都是同樣重要的。 3.數(shù)字儲(chǔ)存示波器普通模擬示波器CRT上的P31熒光物質(zhì)的余輝時(shí)間小于1ms。在有些情況下，使用P7熒光物質(zhì)的CRT能給出大約300ms的余輝時(shí)間。只要有信號(hào)照射熒光物質(zhì)，CRT 就將不斷顯示信號(hào)波形。而當(dāng)信號(hào)去掉以后使用P31材料的CRT上的掃跡迅速變暗，而使用P7材料的CRT上的掃跡停留時(shí)間稍長(zhǎng)一些。那么，如果信號(hào)在一秒鐘內(nèi)只有幾次，或者信號(hào)的周期僅為數(shù)秒，甚至信號(hào)只猝發(fā)一次，那又將會(huì)怎么樣呢？在這種情況下，使用我們上面介紹過的模擬示波器幾乎乃至于完全不能觀察到這些信號(hào)。 所謂數(shù)字存儲(chǔ)就是在示波器中以數(shù)字編碼的形式來貯存信號(hào)。當(dāng)信號(hào)進(jìn)入數(shù)字存儲(chǔ)示波器，或稱 DSO 以后，在信號(hào)到達(dá)CRT 的偏轉(zhuǎn)電路之前，示波器將按一定的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行采樣。然后用一個(gè)模/數(shù)變換器（ADC）對(duì)這些采樣值進(jìn)行變換從而生成代表每一個(gè)采樣電壓的二進(jìn)制字。這個(gè)過程稱為數(shù)字化。 獲得的二進(jìn)制數(shù)值貯存在存儲(chǔ)器中。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的速率稱為采樣速率。采樣速率由采樣時(shí)鐘控制。對(duì)于一般使用情況