數字示波器和模擬示波器的不同點和工作原理

2020-12-15 電子發燒友

數字示波器和模擬示波器的不同點和工作原理

Micsig麥科信 發表於 2020-07-01 11:50:51

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。俗話說，電是看不見摸不著的。但是示波器可以幫我們「看見」電信號，便於人們研究各種電現象的變化過程。所以示波器的核心功能，就和他的名字一樣，是顯示電信號波形的儀器，以供工程師查找定位問題或評估系統性能等等。

而波形，也有多種定義，比如時域或者頻域的波形，對於示波器而言，大多數時候測量的是電壓隨時間的變化，也就是時域的波形。因此，示波器可以分析被測點電壓變化情況，從而被廣泛的應用於各個電子行業及領域中。

一般我們業內對示波器的分類只按模擬示波器和數字示波器來分，有些廠家可能為了突出其示波器的某項功能給其命名為其他名字，比如數字螢光示波器等。但其本質原理依然逃不出這2大示波器類別。

模擬示波器是屬於早期的示波器，主要基於陰極射線管（也叫顯像管，曾廣泛應用於早期的電視機、顯示器）打出的電子束通過水平偏轉和垂直偏轉系統，打在屏幕的螢光物質上顯示波形。

然而到了現在，模擬示波器所剩下的優點，似乎就只有價格了。它沒有存儲數據和分析波形能力，觸發功能也有限，捕獲單次和偶發信號的能力也不行，而且由於其內部採用了大量模擬器件，隨著時間溫度變化這些器件也會發生變化，因此性能也不穩定。現代電子測量中幾乎已經淘汰了模擬示波器，因此我們今天主要講的也是數字示波器。

早期的數字示波器，由於顯示技術制約，使用的依然是模擬示波器上的CRT（Cathode Ray Tube，陰極射線管）顯示屏。數字示波器區別於模擬示波器的最大不同，主要在於輸入的信號不再直接打到顯示屏上，而是通過ADC（Analog to Digital Converter，模數轉換器）對信號採樣和數位化處理後存入高速緩存裡，再通過信號處理電路將數據讀出來。

由於早期的數字示波器用CRT顯示，因此還需要通過DAC數模轉換器把數字量轉換成模擬量顯示到CRT顯示屏上。現代化的數字示波器，也已經大多不再使用CRT顯示屏，而是採用液晶顯示屏，不但體積減少很多，有些還提供了更加操作便捷的觸控功能，而且也不再需要把數位化的採樣點轉換成模擬信號了。由於這兩者在功能結構上沒有本質區別，所以業界一般也沒有CRT示波器和LCD示波器的叫法。

數字示波器很多時候都被叫做數字存儲示波器，因為數字示波器中重要的一環，就是把ADC採集的數據存儲起來。現代數字示波器採集數據的主要過程我們通過這塊麥科信STO1104C智能示波器的主板進行直觀了解：

①信號通過探頭衰減成合適比例送入示波器前端。示波器能測多大電壓一般取決於探頭，探頭通過衰減可以把上萬伏的電壓信號變成幾十伏。

②信號通過耦合電路到達前端衰減器和放大器，示波器軟體上表現為調節垂直檔位，使得波形儘量佔滿整個屏幕，從而提高垂直精度，使測量更準確。前端部分很大程度上決定了示波器的第一指標：帶寬。

③ARM處理器控制FPGA調節ADC模數轉換器採樣率，示波器軟體上表現為調節時基，由於存儲深度為固定值，採樣率 = 存儲深度 ÷ 波形記錄時長，通常時基設置的改變是通過改變採樣率來實現的。因此廠家標註的採樣率往往是在特定時基設置之下才有效的，在大時基下受存儲深度的影響，採樣率不得不降低。ADC模數轉換器和RAM高速存儲器影響著示波器的另外兩大指標：採樣率和存儲深度。

④接下去，由FPGA驅動ADC同步採樣，ADC將採集到的數據進行二進位數據化並寫入高速緩存。存儲器緩存即存儲深度，一般存儲器的大小是示波器標識存儲深度大小的四倍，因為FPGA無法控制示波器的觸發，因此採集的信號必定先是標識存儲深度的2倍，然後再來根據觸發篩選其中的一段波形，所以示波器可以看到觸發位置之前的波形。又由於示波器在篩選之前採集的波形的時候，採集不能停，否則就會導致波形捕獲率太低，因此同時還需要繼續採集同樣長度的採樣點，如此反覆，這樣一來就是四倍了。

⑤收到觸發指令後，存儲器再把數據交給ARM處理器處理

⑥ARM處理器將數據處理後通過顯示接口將數據輸出至顯示屏展示給使用者。通過計算，示波器還能模仿出類似模擬示波器的多級輝度顯示，以及數字示波器特有的色溫顯示效果，餘暉顯示效果。

⑦示波器處理完數據後，可以把當前的波形圖像或者是數據保存到存儲器中，要注意這裡的存儲完全不同於存儲深度的高速存緩，大多數示波器採用外部存儲器如U盤，SD卡，電腦等，現在一些現代化的示波器會內置大存儲可以直接保存在示波器裡。

這個過程中，②③④都是並行處理的。

由於數字示波器處理速度的制約，所以它並不能保證被測信號的波形能連續不斷地實時顯示在屏幕上，顯示的兩個波形之間會有波形數據丟失，也即所說的死區時間，這也是數字示波器相比較於模擬示波器的最大缺點了。不過，隨著示波器運算能力的增強，波形捕獲率的不斷上升，這一缺點也在被慢慢彌補。

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