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回顾示波器的发展史:全面数字化,混合信号测量

专家
2020-04-25 08:11:46    评分

到了80年代后期,泰克和HP纷纷停产模拟示波器,投身到数字示波器中。其中HP最先推出的是54500系列,采样率都不是太高,几百M的范围。不过对于很多应用场合都能够满足记录要求,随着90年代初高采样率ADC的实用化,泰克也推出了十分经典的TDS500系列示波器,并且定义了未来几十年后的数字示波器基本架构。

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为了与泰克抗衡,HP推出了面板操作类似通用示波器的54600系列。

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我开盖的,TDS500系列第一代ADC,从90年代初生产到94年左右,其中有两个核心,估测一个是sample/hold,另一个是pipe-line ADC。

例如TDS540型,带宽到达500HMz,实时采样率可达1GHz,这代表数字示波器开始真正实用并且拥有良好的适应性,可以在众多场合取代模拟示波器了!不过这些早期的高性能数字示波器还面临波形更新率太低的问题,每秒几十次到数百次,还不能像模拟示波器那样展现丰富的波形信息,而且不能拥有模拟示波器能展现的余辉效果(如果你用低档示波器看过CVBS视频信号,应该更加有感受)。

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使用模拟示波器观察视频信号,它具有细腻的亮度变化,这是因为信号自身的扫描速度不同所引起的。视频信号的同步周期是50或者60Hz,而宽阔的方块区域是颜色扫描信号,他的频率远高于同步信号周期,而模拟示波器的Y轴带宽恒定的,不受扫描速度影响,所以可精细的展现这些波形。

而普通数字示波器在较长的时基下一般也会使用较低的采样率。这导致在波形密集区域发生混叠,最后只能采集到一些错误的低频混叠波形

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左侧就是一般数字示波器观察视频信号的效果。丢失了大量的细节,右侧是数字荧光示波器,他非常接近模拟示波器的效果,这个后边谈到。

目前的低端国产示波器依然如此,从屏幕上无法获得波形的叠加层次信息,测量开关电源带有尖峰的振荡波形,示波器也无法记录细节。经常看不到细微的毛刺脉冲。这是因为传统示波器每次触发以后就停止采集,然后CPU开始读出采样内存并且更新到显存中,耽误大量的时间。在数据处理的过程中示波器可能错过大量的关键波形。针对这些问题,泰克从1996年开始推出带有instaVu技术的TDS500B/700A型示波器。他的做法比较简单暴力,相比以前数字示波器每一挡时基所用的采样率、instaVu示波器使用更高的采样率去连续不断的采集波形,避免混叠,并且叠加在RAM中,然后每30ms更新一次屏幕,这样经过大量叠加的波形能携带更多的偶发信息,进一步接近模拟示波器的效果。到了97年,发布了改进型的instaVu示波器:TDS500C/700C,比起上一代,他每秒最多可以捕获40万个波形!而模拟示波器受限于回扫时间,大约可以等效到20万波形/秒。

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instaVu示波器:他可以显示大量叠加过得波形信息,却不能提供波形的三维数据。

此时数字示波器只剩最后一个难点,也就是模拟示波器可以提供的余辉信息,余辉可以告诉我们波形出现的频率和速度,例如模拟示波器不容易看到方波那快速陡峭的上升沿,因为电子束在边沿驻留的时间不多,无法充分激发荧光粉。于是泰克进一步努力,在1998年发布具有划时代意义的TDS500D/700D系列数字荧光示波器(Digital Phosphor Oscilloscope)。他是instaVu的进一步改进,依托处理能力更强大的DPX荧光处理器,在叠加波形的同时也计算出波形每一处的重叠率,于是数字示波器首次拥有了X和Y轴以外的Z轴,即亮度轴,此时数字示波器也可以从三维角度进行观察。

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还是上图那个波形,在DPO示波器上呈现,信号的出现概率均以不同的辉度呈现。

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DPO宣传小册子里的框图,他有并行数据处理能力,波形采集和更新的同时,CPU和DSP也可以连续计算参数刷新到屏幕上。其中DPX荧光处理器是独立工作的一部分。

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TDS784D示波器1G带宽,4Gsa采样率。这台是最后期一批产品,2001年出厂,他换装了最新研发的ADC和DPX控制器,后来这些部件延续到TDS5000和7000系列示波器使用。

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主板

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采集板

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CPU和一块ASIC。他的CPU是MOTOROLA MC68040,操作系统VxWorks

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采集板上的DPX控制器和大量的采样缓存。可以看得出来工艺还是很复杂的,国产山寨还是有一定压力的(实际上41所搞这个6的不行)。但是对于民企就需要投入巨大的成本。显然没有这个必要,毕竟投入未必有回报。

@MIKA 还提到了模拟输入的问题

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这是TDS500D系列示波器的前端通道。因为这一代前端功耗很大,是做在陶瓷电路板上的。而且能看到他使用了当时很先进的激光调整技术,来保证最终通道一致性和稳定性。我也接触过HANTEK和RIGOL的示波器板卡,基本无一例外通那里都有几个可调电容,在进行仪器校准的时候需要去调调。

第一代DPO示波器只有16级辉度,相比模拟示波器几乎无限多的辉度等级似乎完全没有用处,实际上他已经十分不错了,依托数字示波器灵活的测量能力以及强大的分析性能,终于完全取代了模拟示波器。

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一个抖动中的信号

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测试方波,边沿看起来就像模拟示波器的效果

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似乎有亚稳态的现象。

同年,泰克TDS694C数字示波器的带宽到达3GHz,实时采样率突破10Gsa大关...进入新世纪,除了日本人还短期内捣鼓了一下扫描变换管,泰克,hp(此时已经是agilent)以及LeCroy全面的把高端示波器转向X86平台,也就是将以前示波器内惯用的MC68000系列或者ColdFire CPU转换到PC平台,同时具有辅助DSP来完成波形分析,使得示波器的测量能力以及测量速度进一步提高。

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我现在业余使用的TDS7054示波器。他是TEK在01年推出的,用来接替TDS700D系列的pc-based示波器。拥有更好的荧光性能,更快的速度,更强大的分析能力和更加灵活的通讯端口。

以上是90年代泰克示波器的主要发展路线,不过这并不是90年代的全部。在90年代示波器领域出现了一些新的概念,在当时受限于多种技术限制并未能带来很好的实用效果。不过在近期这些技术重新投入市场,使得示波器的观测能力进一步扩展。

比如:混合信号示波器

混合信号示波器的概念最早由HP公司提出。主实现方式是将示波器与逻辑分析仪一体化生产,逻辑图与波形图同时显示,相互参考。在数模结合系统或者数字系统的物理层验证中发挥了很大的作用。

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这应该是第一台MSO,带有16个逻辑(数字)通道。同时这台机子开始使用最新推出的MEGA ZOOM采样技术,是DPO的竞争技术,也能带来模拟示波器一样的余辉效果。那么?在MSO之前呢?

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HP推出MSO之前,我们还有这样一款火星级产品——TLS216.它是一台有16个模拟通道的示波器...泰克管它叫做LogicScope。具体应该是92年发布TDS500系列架构取得成功以后,利用TDS500的框架设计出来的怪物。他有2Gsa的采样率却要被16个通道平分。再加上他没有协议解析能力,屏幕分辨率只有VGA水平。导致他是一个彻底的失败产物。不过他给HP提供了设计MSO的好思路——即数字和模拟应该分开,要增加协议分析能力,而不是追求大量的模拟通道。





关键词: 数字化     混合     信号     测量    

助工
2020-04-25 21:46:25    评分
2楼

历史值得人的深思


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