現(xiàn)代數(shù)字存儲示波器的工作原理簡述

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，便于人們研究各種電現(xiàn)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(tǒng)性能等等。

而波形，也有多種定義，比如時域或者頻域的波形，對于示波器而言，大多數(shù)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(yīng)用于各個電子行業(yè)及領(lǐng)域中。

一般我們業(yè)內(nèi)對示波器的分類只按模擬示波器和數(shù)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(shù)字熒光示波器等。但其本質(zhì)原理依然逃不出這2大示波器類別。

模擬示波器是屬于早期的示波器，主要基于陰極射線管（也叫顯像管，曾廣泛應(yīng)用于早期的電視機、顯示器）打出的電子束通過水平偏轉(zhuǎn)和垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，打在屏幕的熒光物質(zhì)上顯示波形。

然而到了現(xiàn)在，模擬示波器所剩下的優(yōu)點，似乎就只有價格了。它沒有存儲數(shù)據(jù)和分析波形能力，觸發(fā)功能也有限，捕獲單次和偶發(fā)信號的能力也不行，而且由于其內(nèi)部采用了大量模擬器件，隨著時間溫度變化這些器件也會發(fā)生變化，因此性能也不穩(wěn)定。現(xiàn)代電子測量中幾乎已經(jīng)淘汰了模擬示波器，因此我們今天主要講的也是數(shù)字示波器。

早期的數(shù)字示波器，由于顯示技術(shù)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(shù)字示波器區(qū)別于模擬示波器的最大不同，主要在于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(shù)轉(zhuǎn)換器）對信號采樣和數(shù)字化處理后存入高速緩存里，再通過信號處理電路將數(shù)據(jù)讀出來。

由于早期的數(shù)字示波器用CRT顯示，因此還需要通過DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量顯示到CRT顯示屏上。現(xiàn)代化的數(shù)字示波器，也已經(jīng)大多不再使用CRT顯示屏，而是采用液晶顯示屏，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(shù)字化的采樣點轉(zhuǎn)換成模擬信號了。由于這兩者在功能結(jié)構(gòu)上沒有本質(zhì)區(qū)別，所以業(yè)界一般也沒有CRT示波器和LCD示波器的叫法。

數(shù)字示波器很多時候都被叫做數(shù)字存儲示波器，因為數(shù)字示波器中重要的一環(huán)，就是把ADC采集的數(shù)據(jù)存儲起來?，F(xiàn)代數(shù)字示波器采集數(shù)據(jù)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于探頭，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，示波器軟件上表現(xiàn)為調(diào)節(jié)垂直檔位，使得波形盡量占滿整個屏幕，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(diào)節(jié)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣率，示波器軟件上表現(xiàn)為調(diào)節(jié)時基，由于存儲深度為固定值，采樣率 = 存儲深度 ÷ 波形記錄時長，通常時基設(shè)置的改變是通過改變采樣率來實現(xiàn)的。因此廠家標注的采樣率往往是在特定時基設(shè)置之下才有效的，在大時基下受存儲深度的影響，采樣率不得不降低。ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器和RAM高速存儲器影響著示波器的另外兩大指標：采樣率和存儲深度。

④接下去，由FPGA驅(qū)動ADC同步采樣，ADC將采集到的數(shù)據(jù)進行二進制數(shù)據(jù)化并寫入高速緩存。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(fā)，因此采集的信號必定先是標識存儲深度的2倍，然后再來根據(jù)觸發(fā)篩選其中的一段波形，所以示波器可以看到觸發(fā)位置之前的波形。又由于示波器在篩選之前采集的波形的時候，采集不能停，否則就會導致波形捕獲率太低，因此同時還需要繼續(xù)采集同樣長度的采樣點，如此反復，這樣一來就是四倍了。

⑤收到觸發(fā)指令后，存儲器再把數(shù)據(jù)交給ARM處理器處理

⑥ARM處理器將數(shù)據(jù)處理后通過顯示接口將數(shù)據(jù)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(shù)字示波器特有的色溫顯示效果，余暉顯示效果。

⑦示波器處理完數(shù)據(jù)后，可以把當前的波形圖像或者是數(shù)據(jù)保存到存儲器中，要注意這里的存儲完全不同于存儲深度的高速存緩，大多數(shù)示波器采用外部存儲器如U盤，SD卡，電腦等，現(xiàn)在一些現(xiàn)代化的示波器會內(nèi)置大存儲可以直接保存在示波器里。

這個過程中，②③④都是并行處理的。

由于數(shù)字示波器處理速度的制約，所以它并不能保證被測信號的波形能連續(xù)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(shù)據(jù)丟失，也即所說的死區(qū)時間，這也是數(shù)字示波器相比較于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。