示波器的百年进化：从机电仪器到数字时代的核心工具
示波器的百年进化：从机电仪器到数字时代的核心工具
示波器是电子工程领域不可或缺的测试工具，从早期基于CRT的设备发展到如今的数字存储示波器，其技术演进见证了电子工程的飞速发展。本文将带您回顾示波器百年发展历程，从机电仪器到数字时代的精密工具，探索这一经典仪器如何在科技发展中不断革新。
从机电仪器到CRT示波器
早期的电压高速可视化是使用机电示波器进行的（图 1）。这些最终被基于阴极射线管 （CRT） 技术的示波器所取代，以显示结果。CRO 曾经被称为阴极射线示波器，后来被具有薄型 LCD 面板显示器、快速模数转换器 （ADC） 和数字信号处理器 （DSP） 的数字存储示波器 （DSO） 所取代。
图 1. 电磁示波器通过让电流穿过磁线圈来测量电流的变化。
William Duddell 发明的电磁示波器测量了通过磁线圈的电流的变化，磁线圈在线圈中感应出动量，可以直接测量。一些型号使用镜子来反射光束，以便测量线圈的微小运动。其他人有一个指针，通常配有笔，用于记录值。现代示波器可能具有集成显示器，也可以是插入计算机或笔记本电脑以处理、显示和记录波形的电子模块。
第一个 CRO 由德国物理学家费迪南德·布劳恩 （Ferdinand Braun） 创建，VK Zworykin 于 1931 年开发了一种带有热电子发射器的密封、高真空 CRT，使 General Radio 能够制造出可在实验室外使用的示波器。
第一台双光束示波器于 1930 年代后期由一家名为 A.C.Cossor 的英国公司问世，该公司后来被雷神公司收购。二战期间广泛用于雷达设备的工作，未经校准的设备中的 CRT 并不产生真正的双光束，而是由垂直偏转板之间的附加板制成的分体光束。
早期的示波器有一个同步锯齿波发生器来提供时间轴。用恒定电流为电容器充电会产生一个上升的电压，然后将其馈送到水平偏转板以产生扫描。当电容器达到一定程度时，它将被放电;追踪将返回到左侧以开始另一次遍历。可以调整充电电流，使锯齿发生器的周期比垂直轴信号的倍数长。
数字示波器的诞生
9400 双通道 175 MHz 示波器提供具有模拟驱动能力的数字解决方案，其显示屏在上部迹线中同时显示实时输入信号，在下部迹线中显示其计算的傅里叶频谱（图 2），对行业提出了挑战。该显示器于 1971 年发布，使用标准的批量生产的电视 CRT。
图 2. 9400 双通道 175 MHz 示波器的显示屏在上部迹线中同时显示实时输入信号，在下部迹线中显示其计算的傅里叶频谱。
9400 以利用 LeCroy 的长采集内存技术实现实用的长内存分析功能而著称，而当时其他解决方案专注于重现模拟示波器的查看体验。
几年后，LeCroy 推出了 WD 2000 波形数字化仪（图 3）。该器件将实时 ADC、存储器和显示器集成在一个盒子中，可捕获实时单次事件。它没有太多的存储深度 – 只有 20 个样本 – 并且不提供任何输入信号调节 （50-Ω，仅 1 V 满量程），售价约为 20,000 美元。但是，它拥有数字示波器的所有基本功能，而且速度很快。这 20 个样本实时相差 1 ns。
图 3. WD 2000 波形数字化仪将实时 ADC、存储器和显示器集成在一个盒子中。
采样（或“等效时间”）示波器已经存在了一段时间，仅对重复信号提供更高的采样率，但 WD 2000 是一款具有小型 CRT 的实时示波器。它通过源自该公司粒子物理 ADC 的电流采样技术（称为“Wilkinson Run-Down”ADC）实现了其速度。它们速度很慢，但非常准确，与基于单个“闪存”类型 ADC 的更现代设计相比，它们有 20 个。
一个有趣的说明涉及 LeCroy Research Systems（当时的公司名称）总裁 Mike Bedesem，据说他手绘了 WD 2000 前面板上的文字。WD2000 是该公司 9400 数字示波器的先驱，从某种意义上说，它是应用于查看信号的高能物理技术的融合。与 1984 年推出的 9400 一样，它也是物理学家的示波器。
追求性能
电子行业一直在开发更多更好的解决方案，示波器领域必须保持领先地位。Keysight Technologies 开发的 Infiniium UXR 是第一个提供 10 位分辨率高性能数据采集的实时示波器系列（图 4）。该解决方案提供四个同步通道，具有 5 至 110 GHz 的实时模拟带宽，每个通道以 256 Gsamples/s 的速率同时采样。
图 4. Keysight Technologies 的 Infiniium UXR 提供 10 位分辨率的高性能数据采集。
Infiniium UXR 具有先进的性能、超低噪声和高信号保真度，使工程师能够快速捕获和检查现象。单通道、双通道和四通道型号具有 10 位 ADC 和每通道高达 2的深度存储器。
Infiniium UXR 在全带宽下拥有最高的有效位数 （ENOB），在 110 GHz 时的垂直噪声基底小于 1 mVRMS。该器件的固有抖动小于 25 fs （rms），通道间抖动小于 10 fs，可确保测量精度。此外，该解决方案可通过可用的自校准模块实现精确操作。
最重要的是，还有一个测量加速 ASIC 和内存控制器，每秒能够进行 5 万亿次整数运算 （IOPS）。这是通过是德科技的磷化铟 ASIC 技术实现的，通过全带宽时间交错采样实现低噪声和高信号完整性。示波器的 16 GB RAM 加上 3.0 GHz 四核处理器和硬件加速可实现快速处理。和一个 15.4 英寸。电容式触摸屏展示了 Infiniium UXR 的边缘测量速度高达 2.8 ps 的能力。
多方面的工具
收敛和集成一直是电子行业的主要驱动力，而测试和测量领域对这种力量并不陌生。最新的示波器不仅仅是显示机构，它们是具有多种功能的成熟、强大的开发工具。
例如，泰克的最新解决方案 2 系列混合信号示波器 （MSO） 不仅功能强大、快速、准确，而且采用时尚、轻便的设计，包括高分辨率的 10.1 英寸。触摸屏显示（图 5）。
图 5. 2 系列混合信号示波器采用时尚、轻便的设计，具有高分辨率的 10.1 英寸。触摸屏显示。
尺寸为 1.5 英寸。该瞄准镜很厚，重量不到 4 磅，可以放入笔记本电脑包中。它提供电池供电配置，使工程师能够在工作台上或现场使用相同的仪器。2 系列 MSO 是一款入门级示波器，具有通用的类似平板电脑的用户界面，对于经验丰富的示波器用户和新手用户来说，这是一款易于使用的设备。凭借高达 500 MHz 的带宽，它声称是同类产品中最宽的带宽。
即用型软件生态系统包括 TekScope PC、TekDrive 和 VNC。使用 TekScope PC，可视化和分析功能可以从示波器扩展到 PC，并且可以随时随地进行波形分析。协作数据云工作区支持从任何连接的设备上传、存储、组织、搜索、下载和共享任何文件类型，内置的 VNC 服务器支持从任何位置、任何设备远程连接、控制和查看 2 系列 MSO。
2 系列 MSO 具有多达 4 个模拟通道，带宽为 500 MHz，速率为 2.5 Gsample/s，16 个通道，AFG 为 50 MHz，4 位数字模式发生器，高级触发器，协议解码，DVM 和频率计数器。电容式触摸屏和直观的用户界面使其易于使用。提供兼容的探头和附件使 2 系列 MSO 能够且用途广泛，可满足各种应用需求。
期待
示波器已经取得了长足的进步，从机电显示机构到具有宽带宽、快速捕获和高保真度的高级数字产品。从早期甚至无法存储数据以供以后分析的迭代，到最新的多工具解决方案，示波器已成为电子设计中更重要的工具。即将到来的下一代设备有望变得更强大、更实用、更有用。