示波器的发展史和关键指标-电子发烧友网

什么是示波器？

示波器是精确复现信号电压随时间变化的波形的仪器，广泛应用于电子电路测试与调试，计算机及通信高速信号测试，雷达测量等领域；是目前在各个行业电子/电气工程师应用最广泛、最有用的工具。

注：举例示波器为是德科技中端示波器500MHz～6GHz MXR-B 系列

示波器发展史

1939年

DuMont 推出第一台 DuMont 164 通用模拟示波器。

1980年

惠普推出了第一台全数字和基于微处理器的示波器，即具有两个 100 MHz 通道的 HP 1980A/B。它也可以通过 HP-IP 总线进行编程。

1990年

惠普推出了带宽为 500 MHz 的数字化示波器（HP 54xxx）。HP 54500 系列也是第一款具有 FFT 分析功能来执行频域分析的示波器。

2018年

是德科技将数字示波器推到了一个前所未有的高度——高达110GHz 带宽、256GSa/s 的UXR 系列示波器。

模拟示波器vs数字示波器

模拟示波器采用CRT（阴极射线管）显示屏，其工作原理是，模拟示波器内部产生周期性锯齿波信号控制荧光屏电子枪的水平偏转，被测的电压信号经放大后控制电子枪的垂直偏移，这样扫描后就可以在屏幕上看到被测信号电压随时间变化轨迹。数字示波器和模拟示波器最大的区别是，数字示波器通过高速的ADC芯片对输入信号进行采样和数字化，并把数字化样点先保存到缓存中。然后再经过处理、插值、分析后，显示到液晶屏上。

虽然模拟示波器原理简单，但它的一些明显缺点限制了它的发展，例如：带宽有限、没有存储和分析能力、触发功能有限等等，所以现代示波器几乎都是数字示波器。

现代数字示波器的典型架构

我们先看一下现代数字实时示波器的典型参考架构。

图3：现代数字实时示波器的典型参考架构

在上图典型参考架构图中，可以看到从各关键部件出发涉及到的业界常常提及的关键指标，比如模拟前端电路涉及的带宽，采样电路涉及的采样率及ADC位数等指标，以及触发和内存深度等数字实时示波器的四大最基本指标。

示波器的关键指标

1.示波器带宽

示波器带宽的定义为输入一个正弦波信号，保持幅度不变，增加信号频率，当示波器上显示的信号幅度是实际信号幅度的70.7%(即3dB衰减)的时候，该对应的信号频率就等于示波器带宽。

2.采样率

采样率是示波器的另一个关键指标，它告诉客户每秒测量信号电压并绘制在显示屏上的次数。如今，大多数示波器每秒至少采样 10 亿次，即每秒 1 千兆样本。

采样率与带宽紧密相关。带宽越高，信号变化越快，因此需要更快地采样才能看到变化。在这里的图片中，我们看到一台 6 GHz 示波器，采样率为 16 GSa/s，满足奈奎斯特采样定理。

3. ADC 位数及ENOB值

示波器具有指定位数的 ADC。位数 (K) 等于 2K 量化级别。例如，8 位 ADC 可以将模拟输入编码为 256 个不同级别 (28 = 256)，而 10 位 ADC 则有 1024 个 Q 级别 (210 = 1024)。

因此，理论上 10 位 ADC 的垂直分辨率是 8 位 ADC 的四倍。这是在没有噪声的理想情况下的情况。由于噪声是任何电气系统的固有组成部分，示波器的 ADC 最终会使用一些位来量化系统本身的噪声。因此，示波器在运行时永远不会达到 ADC 的垂直分辨率。

有经验的工程师会引入ENOB指标进行考量。ENOB是指动态有效位数，当高速ADC 进行数据采集时，由于噪声（前端模拟电路）和失真（ADC拼接）的影响，实际上ADC的信噪失真比达不到其标称的位数。示波器的有效位数 (ENOB) 是了解示波器垂直分辨率的更好规格。它表示系统开启时可用于数字化信号的实际位数。用户可以在示波器的数据手册中查询到示波器的ENOB值。