2．數字存儲示波器

如前所述，模擬示波器的帶寬受到了CRT顯示屏掃描速度的制約因而很難超過幾百MHz。在20世紀80年代，隨著高速ADC芯片以及數字處理技術的發展，數字示波器開始嶄露頭角，并以很快的發展速度在帶寬、觸發、分析能力等方面全面超越了模擬示波器。

早期的數字示波器由于顯示技術的制約，仍然使用CRT的顯示屏，其工作原理如圖2.4所示，這種數字示波器與模擬示波器最大的區別在于輸入信號并不是直接調制到顯示屏上，而是通過高速ADC（Analog to Digital Converter，模數轉換器）芯片對輸入信號進行采樣和數字化，并把數字化樣點先保存到緩存（Memory）中；然后通過信號處理電路把緩存里的數據讀出，通過DAC（Digital to Analog Converter，數模轉換器）芯片把相應的數字量轉換成模擬量，并顯示在CRT顯示屏上。

雖然同樣采用CRT顯示屏，但是由于信號經過了數字化—存儲—顯示的過程，所以CRT顯示屏的掃描速度不會再直接制約輸入信號的帶寬。例如，當輸入信號頻率比較高時，只要前端放大器帶寬足夠，且ADC的采樣率足夠，就可以對信號進行一段時間的高速采樣。如果不考慮噪聲和失真的影響，可以認為緩存中包含了輸入信號完整的信息。這樣，即使CRT顯示器的掃描速度較慢，也只需要將緩存中的數據讀出來慢慢回放顯示就可以了。可以說，正是由于數字示波器的數字化和存儲功能，使得高速的信號輸入和相對較慢的顯示掃描匹配起來，這也是數字示波器的正式名稱——數字存儲示波器（Digital Storage Oscilloscope）的來源。從此，數字示波器的帶寬可以和前端放大器及ADC采樣技術一起發展，而不再受限于顯示的掃描和更新速度。圖2.5是HP公司在20世紀末期生產的54600系列數字示波器。

但是凡事都有好壞，從此以后，數字示波器就只能采樣并存儲一段波形，再讀出數據并放到屏幕上顯示。由于讀取和顯示的速度遠慢于數據采集的速度，必須等待讀取和數據處理完成才能開始下一段波形數據的采集。在這段等待時間中，就會造成波形遺漏，而且通常遺漏的波形時間遠大于被采集顯示的波形的時間。因此，所謂的“實時示波器”也失去了其“實時”的原始含義。現代的實時示波器通常是指采用滿足香農采樣定理的實時采樣方式的示波器，以區分于采用等效采樣技術的采樣示波器。關于這點，后面還會反復提到。

隨著技術的發展，傳統的CRT顯示屏已經被淘汰，現代的數字示波器普遍采用了液晶顯示屏，甚至很多都提供了觸控功能。但是液晶顯示屏只是減小了示波器的體積并增強了用戶觀察波形的體驗，同時不需要再把數字樣點重新變回模擬量顯示。從示波器本身的功能結構來說，采用CRT顯示屏的數字示波器與采用液晶顯示屏的示波器并沒有本質區別，業界也不以采用CRT顯示屏或液晶顯示屏作為區分模擬示波器和數字示波器的標準。

同時，隨著芯片技術的進步，現代的示波器功能變得越來越復雜，可以提供更強大的性能以及更多的測量分析功能，所以現代的高性能數字示波器已經是一套非常復雜的信號采集和處理顯示系統。圖2.6是一個現代數字示波器的結構框圖。

現代的數字示波器主要由以下5個主要部分構成：

|放大器和衰減器（Vertical Pre-Amp/Attenuator）：信號通過探頭或者測試電纜進入示波器內部后，首先經過的是放大器和衰減器。對于數字示波器來說，其前端的放大器、衰減器等電路還都是模擬電路，這部分的原理與模擬示波器區別不大，它們會決定數字示波器最關鍵的指標——帶寬。示波器帶寬的單位為Hz，通常所說的示波器的硬件帶寬就是指數字示波器前端這些模擬電路組成的系統的帶寬，它決定該示波器能夠測量到的最高的信號頻率范圍。目前，市面上數字實時示波器的最高帶寬已經可以做到幾十GHz，超過100GHz帶寬的實時示波器也正在研發過程中。由于示波器是通用的測量儀器，可能會對大信號也可能會對小信號進行測量，所以用戶可以根據需要選擇示波器的測量量程。使用示波器時經常會調整垂直刻度旋鈕，這就是在調整示波器前端的放大器和衰減器。大部分示波器在調整量程時不會影響帶寬，但也有些示波器在小量程下時帶寬會下降。

|模數轉換（Analog to Digital Converter, ADC）：通過前端的放大器和衰減器把信號調整到合適的幅度后，就進入數字示波器的下一個環節——數字化。數字化的過程是通過ADC（模數轉換器）完成的，數字示波器以很高的采樣率對被測信號進行采樣，把輸入的連續變化的電壓信號轉換成一個個離散的數字化樣點。經過模數轉換后，所有的數據波形的處理和測量、分析等工作都是在數字域完成的。數字示波器對被測信號進行模數轉換的最高速率稱為采樣率，這是數字示波器除帶寬外的第二個關鍵指標，其單位為Sa/s（Sample/s，即每秒鐘可以采樣多少個樣點），它決定了該示波器是否可以對輸入的高頻信號進行足夠充分的采樣。目前市面上數字實時示波器的最高采樣率已經可以做到160GSa/s，而超過240GSa/s采樣率的實時示波器也在研發中。高帶寬示波器的采樣率都很高，如果在設計示波器時一片ADC的采樣率不夠用，也會采用多片ADC芯片拼接的方式提高采樣率。

|存儲器（Memory）：數字示波器的采樣率都很高，通常都在每秒鐘幾十億次甚至幾百億次，雖然現在FPGA、DSP、CPU的工作速度和數據處理能力已經非常強大，但是以現有的技術仍然做不到在一秒鐘內實時處理完幾十億甚至幾百億個樣點的數據。因此，數字示波器在ADC后面都有高速緩存，用來臨時存儲采樣的數據，這些緩存有時也稱為數字示波器的內存。緩存的大小通常稱為內存深度，是數字示波器第三個關鍵指標，其單位是Sample，即樣點數，它決定了示波器一次連續采集所能采到的最大樣點數。目前，市面上數字示波器的內存深度最高可以做到每通道2G樣點。數字示波器的內存是非常高速的緩存，或者是通過高速解復用芯片控制的高速存儲器，單位存儲空間的實現成本很高，因此擴展存儲深度的價格非常貴，完全不同于通常意義上所說的計算機的內存。

|波形重建（Waveform Reconstruction and Display）：數字示波器先把一段數據采集到其高速緩存中，然后停止采集，再由后面的處理器將緩存中的數據取出進行內插、分析、測量、顯示。高速數字示波器進行數據處理的處理器可以采用多種方式實現，一些便攜式示波器采用嵌入式微處理器，而很多Windows平臺的示波器則會使用X86平臺的通用CPU。但是僅僅依靠商用的微處理器或CPU無法滿足實時示波器快速處理大量數據的需求，所以一些注重使用體驗的示波器會使用DSP、FPGA甚至專門研發的ASIC芯片輔助進行數據處理，以加快波形處理或顯示的速度。采用專用ASIC芯片進行數據處理的最典型例子是Keysight公司的MegaZoom芯片以及Tek公司的DPX芯片。

|波形顯示（Display）：數據經過處理器處理后，最終要顯示在示波器的屏幕上才能被人眼觀察到。前面已經介紹過，數字示波器的顯示屏幕可以采用傳統的CRT顯示屏或者液晶顯示屏。

對于數字示波器來說，正是由于后面處理速度的制約，實時示波器看起來不那么“實時”了。因為它并不能保證被測信號的波形能夠連續不斷地“實時”地顯示在屏幕上，顯示的相鄰的兩個波形間實際上有大量的遺漏信息，這是數字示波器相對于模擬示波器最大的一個缺點。數字示波器自從20世紀80年代出現以來，歷經了多年的改進和革新，除了帶寬、采樣率、存儲深度的提升以外，還有很大一部分工作是改進數字示波器的這個缺點。圖2.7是一款便攜式示波器，其采用12.1in的容性觸摸屏，最高帶寬1.5GHz，最大采樣率5GSa/s，最大內存深度4M樣點，采用了專門的ASIC技術，可以在使用深存儲的時候提供了每秒100萬次的波形更新速度和迅捷的波形縮放速度，并可以模仿出類似模擬示波器的多級輝度顯示效果。

目前市面上，數字示波器的發展趨勢主要有以下幾個方面：對于高端示波器（10GHz以上）來說，其帶寬、采樣率在朝更高方向發展，例如現在高帶寬實時示波器的帶寬已經超過了60GHz，而在不遠的將來會達到100GHz以上，其采樣率會達到240GSa/s以上；對于中端示波器（1～10GHz）來說，其分辨率、底噪聲、抖動等指標再進一步優化，以提高測量精度和分析能力，例如目前市面上已經出現帶寬8GHz，采用10bit ADC采樣的示波器，而未來這種更高分辨率的采樣技術也可以向高帶寬示波器移植；對于經濟型示波器（＜1GHz）來說，主要針對的是外場測試、教學、生產以及簡單的研發測試，其發展方向是更加便攜并集成多種測量功能，例如很多公司會在示波器中集成數字邏輯通道、頻譜儀通道、函數發生器等。