数字荧光示波器与示波器技术的发展

数字荧光示波器与示波器技术的发展1DPO的特点数字荧光示波器DPO（DigitalphosphorOscilloscopes）是Tektronix公司新推陈出新出的一种示波器平台，它具有数字存储示波器DSO（DigitalStorageOscilloscopes）的各种传统优点，从数据存储到先进的触发功能，样样俱全，同时，它也具有模拟实时示波器ART （AnalyzedRealTime）的明暗显示和实时特性，能以数字形式产生显示效果优于模拟示波器CRT（CathodeRayTube）的亮度渐次变化的化学荧光效果。

DPO在示波器技术上有了新的突破，能够实时显示、存储和分析复杂信号，利用三维信息（振幅、时间性及多层次辉度，用不同的辉度显示幅度分量出现的频率）充分展现信号的特征，尤其采用的数字荧光技术，通过多层次辉度或彩色能够显示长时间内信号的变化情史。

DSO的自动测量和波形存储功能曾令许多工程师尺叹不已，但人们不久就发现DSO在测量具有低频调制的高频信号时，由于其无法克服的混叠失真问题，其谬之千里的显示结果又让人想到ART示波器的好处。

DPO不仅具有ART示波器的实时明暗度无混叠显示能力，而且有DSO的自动测量及波形存储功能，在避免二者不足方面，还有很大的改进。

主要表现在：（1）快速波形捕获速率和超强显示能力数字荧光显示技术的应用使DPO能以不同的灰度或色彩同时显示信号的多幅图像。

DPO每秒钟表可记录200000幅波形，其信号数据比一般的DSO多1000倍，每次可捕获500000幅波形，这种快速波形捕获速率结合高超的显示能力，使DPO具有分析信号任何细节的性能。

（2）连续高速采样能力通常DSO因处理显示数据在显示两幅波形之间有8ms的停滞时间，即使采用了instavuTM 采样技术的DSO这一时间也只能降低到1.7μs，ART示波器在回扫时间内也不能捕捉波形信息而DPO能始终以最高采样率对几十万幅波形连续采样，克服了其它示波器存在的停滞进间问题。

DPO的采样率一般每秒有几个109次数，如此高的采样率允许示波器有更大的带宽。

2DPO的工作原理数字荧光示波器的原理框图如图1所示，核心部件是由专用集成电路（ASIC）构成的DPX 波瑚成像处理器。

与DSO一样，输入信号首先经放大和A/D变换后得到信号的采样值，采样值经过DPX波形成像处理器的处理后形成一幅具有500*200像素、包含波形三维信息的完整流器波形图，在不间断捕获过程的情况下，DPX成像处理器每秒向波形显存储器发送30幅波形图，在微处理器的控制下，根据显示存储器的内容，在显示屏上得到采集到的波形图。

实现"信号数字化→图形化→显示"这样一种波形显示方式。

与此同时，微处理器以并行方式执行自动测量及运算功能。

由于DPO的数据采集和显示体系分别独立运行，使得示波器能够在处理显示所需数据的同时，保持最高波形捕获速率，这意味着示波器能不间断地捕捉波形的所有细节。

DPX由数据采集器和称为数字荧光器的动态三维数据库组成，它将光栅化功能（波莆图像化）与快速波形捕获速率有机地结合实际在一起，以500*200整数阵列累积信号信息，阵列中的每一个整数都代表DPO显示中的一个像素，其数值的不同甘共苦导致显示像点的亮度或色彩不同，随着信号不断地采样，这一阵列也不断得以更新，但与DSO不同，一个显示周期（一幅波形图）完成后，新显示周期的采样值并不冲掉上次显示周期的数据，如果两次采样植具有相同的显示点，则只改变对应阵列点的值勤，这样多幅波形图就可累积显示。

当多幅波形图导致的显示点不同时，阵列中各点的数据就不同，因此波形显示亮度最高，偶尔出现的其它波形信息会以较低亮度得到显示。

DPO工期作时以最大速率连续采样，利用采样之间的最小时间间隔发和生成一幅幅的波形图，像ART示波器一样（由于DPO应用深度三维数据库保存灰度信息，过去的波形信息并不丢失），可以观察到长时间内信号的变化情况。

3DPO的应用DPO功能强大可以完成复杂信号的捕获、显示、分析，加上灵活的角发方式和自动数字测量功能使其成为测量领域的佼佼者。

常用的TDS3000系列采样率为1.25-5GS/s，带宽显100～500MHz，TDS500/700系列的采样率为2～4GS/s，带宽为0.5～2GHz.DPO有这样优越的性能，当然不会有低廉的价格。

为充分发挥DPO的性能，它主要用于复杂信号弹的检测。

（1）视频应用环境的信号检测这类测量领域面对的是由快速脉冲组成的长"帧信号"，DSO为了捕获整个信号的包络，只能使用较慢的采样率，俚较慢的采样率会因缺少波形数据而产生混叠失真：ART示波器可显示波轮廓，但不具备测量和分析功能，DPO尤其适合对这类信号的检测。

类似的信号如磁盘、光盘等到的读出信号。

（2）无线通讯设备中复杂数字调制信号的检测这类信号的复杂程度表现为非周期性信号，ART示波器上只能得到无法辩认的模模糊糊的一条光带，DSO因存储深度有限难以提供有价值的信息，此时可发挥DPO的多幅波形捕获能力。

（3）稀有事件重复频率的检测这是DPO的数字荧光技术带来的突出性能，通过观察多幅波形中稀有事件的显示亮度就可知在某段时间内出现的频度，必要时甚至可直接调出三维数据库中的波形数据进行详细统计。

盘点示波器种类以及示波器选购指南示波器是一种图形显示设备，它描绘电信号的波形曲线。

这一简单的波形能够说明信号的许多特性：信号的时间和电压值、振荡信号的频率、信号所代表电路中“变化部分”信号的特定部分相对于其它部分的发生频率、是否存在故障部件使信号产生失真、信号的直流成份（DC）和交流成份（AC）、信号的噪声值和噪声随时间变化的情况、比较多个波形信号等。

示波器种类:一、模拟示波器。

二、数字示波器。

三、数字荧光示波器。

四、基于PC的数字示波器五、手持数字示波器。

１、示波器的发展过程初期主要为模拟示波器廿世纪四十年代是电子示波器兴起的时代，雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具，泰克成功开发带宽10MHz的同步示波器，这是近代示波器的基础。

五十年代半导体和电子计算机的问世，促进电子示波器的带宽达到100MHz。

六十年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献，出现带宽6GHz的取样示波器、带宽4GHz的行波示波管、1GHz的存储示波管；便携式、插件式示波器成为系列产品。

七十年代模拟式电子示波器达到高峰，行谱系列非常完整，带宽1GHz的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。

模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器，英国和法国甚至退出示波器市场，技术以美国领先，中低档产品由日本生产。

模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。

数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。

加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和预前触发能力。

廿世纪八十年代数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器逐渐从前台退到后台。

但是在发展初期模拟示波器的某些特点，却是数字示波器所不具备的：○操作简单：全部操作都在面板上可以找到，波形反应及时，数字示波器往往要较长处理时间。

○垂直分辨率高：连续而且无限级，数字示波器分辨率一般只有8位至10位。

○数据更新快：每秒捕捉几十万个波形，数字示波器每秒捕捉几十个波形。

○实时带宽和实时显示：连续波形与单次波形的带宽相同，数字示波器的带宽与取样率密切相关，取样率不高时需借助内插计算，容易出现混淆波形。

简而言之，模拟示波器为工程技术人员提供眼见为实的波形，在规定的带宽内可非常放心进行测试。

人类五官中眼睛视觉神经十分灵敏，屏幕波形瞬间反映至大脑作出判断，细微变化都可感知。

因此，刚开始模拟示波器深受使用者的欢迎。

中期数字示波器独领风骚八十年代的数字示波器处在转型阶段，还有不少地方要改进，美国的TEK公司和HP公司都对数字示波器的发展作出贡献。

它们后来停产模拟示波器，并且只生产性能好的数字示波器。

进入九十年代，数字示波器除了提高带宽到1GHz 以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器。

出现所谓数字示波器模拟化的现象，换句话说，尽量吸收模拟示波器的优点，使数字示波器更好用。

数字示波器首先在取样率上提高，从最初取样率等于两倍带宽，提高至五倍甚至十倍，相应对正弦波取样引入的失真也从100%降低至3%甚至1%。

带宽1GHz 的取样率就是5GHz/s，甚至10GHz/s。

其次，提高数字示波器的更新率，达到模拟示波器相同水平，最高可达每秒40万个波形，使观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲的能力大为增强。

再次，采用多处理器加快信号处理能力，从多重菜单的烦琐测量参数调节，改进为简单的旋钮调节，甚至完全自动测量，使用上与模拟示波器同样方便。

最后，数字示波器与模拟示波器一样具有屏幕的余辉方式显示，赋于波形的三维状态，即显示出信号的幅值、时间以及幅值在时间上的分布。

具有这种功能的数字示波器称为数字荧光示波器或数字余辉示波器即数模兼合。

数字示波器要有模拟功能模拟示波器用阴极射线管显示波形，示波管的带宽与模拟示波器的相同，亦即示波管内电子运动速度与信号频率成正比，信号频率越高电子速度越快，示波管屏幕的亮度与电子束的速度成反比，低频波形的亮度高，高频波形的亮度低。

利用荧光屏幕的亮度或灰度容易获得信号的第三维信息，如用屏幕垂直轴表示幅度，水平轴表示时间，则屏幕亮度可表示信号幅度随时间分布的变化。

这种与时间有关的荧光余辉（灰度定标）效应对观察混合波形和偶发波形十分有效，模拟存储示波器就是这种专用示波器的代表产品，最高的性能达到800MHz带宽，可记录到1ns左右的快速瞬变偶发事件。

数字示波器缺少余辉显示功能,因为它是数字处理，只有两个状态，非高即低，原则上波形也是“有”和“无”两个显示。

为达到模拟示波器那样的多层次亮度变化，必须采用专用图象处理芯片，例如TEK公司采用DPX型处理器芯片，具有数据采集、图象处理和存储等多项功能，DPX芯片由130万个晶体管组成，采用0。

65μm的CMOS工艺，并行流水结构，取样率高。

它既是数据采集芯片，同时也是光栅扫描器，模拟示波管屏幕荧光体的发光特性，用16级亮度分级，将波形存储在500×200像素的LCD单色或彩色显示屏上，每1/30秒更新一次。

由于模拟存储示波器只能依靠照相底片记录波形，对数据保存并不方便，而数字荧光示波器是数字处理的显示，数据记录、处理、保存都十分方便。

例如用红色表示出现几率最高的波形，兰色表示出现几率最低的波形，达到一目了然。

由于数字示波器已经达到4GHz以上带宽的水平，配合荧光显示特性，总的性能优于模拟存储示波器。