現代數字存儲示波器的工作原理

示波器是一種應用廣泛的電子測量儀器。俗話說，電是看不見摸不著的。但示波器可以幫助我們看到電信號，方便人們研究各種電現象的變化過程。因此，示波器的核心功能，就像他的名字一樣，是顯示電信號波形的儀器，供工程師查找定位問題或評估系統性能等。

波形有很多定義，比如時域或頻域的波形。對于示波器，大多數時候測量電壓隨時間的變化，即時域的波形。因此，示波器可以分析被測點電壓的變化，廣泛應用于各種電子行業和領域。

一般來說，我國示波器的分類僅根據模擬示波器和數字示波器進行分類。一些制造商可能會將其命名為其他名稱，以突出其示波器的功能，如數字熒光示波器。但其本質原理仍然無法逃脫這兩類示波器。

模擬示波器是一種早期示波器，主要基于陰極射線管（又稱顯像管，廣泛應用于早期電視和顯示器）。電子束通過水平偏轉和垂直偏轉系統在屏幕熒光物質上顯示波形。

然而，到目前為止，模擬示波器的剩余優勢似乎只有價格。它沒有存儲數據和分析波形的能力，觸發功能有限，捕獲單次和偶爾信號的能力不好。而且由于內部使用了大量的模擬器件，這些器件會隨著時間和溫度的變化而變化，所以性能不穩定。模擬示波器在現代電子測量中幾乎被淘汰，所以我們今天主要討論AO7413數字示波器。

由于顯示技術的限制，早期的數字示波器仍然使用模擬示波器上的CRT(CathodeRayTube，陰極射線管)顯示屏。數字示波器與模擬示波器的最大區別在于，輸入的信號不再直接擊中顯示屏，而是通過ADC(AnalogtoDigitalConverter，模數轉換器)對信號進行采樣和數字處理，然后存儲在高速緩存中，然后通過信號處理電路讀取數據。

由于早期的數字示波器使用CRT顯示，因此需要通過DAC數模轉換器將數字轉換為模擬顯示器。大多數現代數字示波器不再使用CRT顯示屏，而是使用液晶顯示屏，這不僅大大降低了體積，而且提供了更方便的觸摸功能，不再需要將數字采樣點轉換為模擬信號。由于兩者在功能結構上沒有本質區別，行業內一般沒有CRT示波器和LCD示波器的名稱。

數字示波器通常被稱為數字存儲示波器，因為數字示波器的重要組成部分是存儲ADC收集的數據。通過麥科信STO1104C智能示波器主板直觀了解現代數字示波器數據采集的主要過程：

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①信號通過探頭衰減成適當比例送入示波器前端。示波器能測量多少電壓一般取決于探頭，探頭可以通過衰減將數萬伏的電壓信號變成幾十伏。

②信號通過耦合電路到達前衰減器和放大器。示波器軟件表現為調整垂直齒輪，使波形盡可能覆蓋整個屏幕，從而提高垂直精度，使測量更加準確。示波器的第一個指標是前端部分：帶寬。

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③ARM處理器控制FPGA調整ADC模數轉換器的采樣率。示波器軟件顯示調整時基。由于存儲深度為固定值，采樣率=存儲深度÷波形記錄時間，通常通過改變采樣率來實現時基設置的變化。因此，制造商標記的采樣率通常在特定的時基設置下有效。由于存儲深度的影響，采樣率必須降低。ADC模數轉換器和RAM高速存儲器影響示波器的另外兩個指標：采樣率和存儲深度。

④接下來，FPGA驅動ADC同步采樣，ADC將采集到的數據進行二進制數據化，并寫入高速緩存。存儲器緩存是存儲深度。一般來說，存儲器的大小是示波器識別存儲深度的四倍。由于FPGA無法控制示波器的觸發，收集的信號必須是識別存儲深度的兩倍，然后根據觸發篩選一個波形，因此示波器可以在觸發位置之前看到波形。由于示波器在篩選前采集的波形時不能停止采集，否則會導致波形捕獲率過低，因此需要繼續采集相同長度的采樣點，這是重復的四倍。

⑤收到觸發指令后，存儲器將數據交給ARM處理器進行處理。

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⑥ARM處理器通過顯示接口將數據輸出到顯示屏顯示給用戶。通過計算，示波器還可以模擬類似模擬示波器的多級輝度顯示，以及數字示波器獨特的色溫顯示效果和余暉顯示效果。

⑦示波器處理數據后，可以將當前的波形圖像或數據存儲在存儲器中。需要注意的是，這里的存儲與存儲深度的高速存儲緩慢完全不同。大多數示波器使用U盤、SD卡、計算機等外部存儲器。現在一些現代示波器會內置大存儲，可以直接存儲在示波器中。

在此過程中，②③④均并行處理。

由于數字示波器處理速度的限制，不能保證被測信號的波形能夠連續實時地顯示在屏幕上。顯示的兩個波形之間會有波形數據丟失，即死區時間，這也是數字示波器與模擬示波器相比的最大缺點。然而，隨著示波器計算能力的提高和波形捕獲率的上升，這一缺點正在慢慢得到彌補。