有些事情并不能持续的深入研究,唯有市场的持续需求不断刺激技术进步,就像战争那样,技术才可能有巨大的飞跃。另外,一些其他技术的进步,比如电子计算机,也与仪器的发展相辅而成,这也带来了思维的全面改观。

 
示波器作为电测行业最基本的综合性仪器,设计和制造他所涉及的领域也十分广泛,从半导体到特种材料,从机加工到电子设计无所不涉及。这就需要强大完善的工业体系作为支撑。但是苏联早期无不具有这一切?为什么苏联没有做起来呢?其实认为市场也是很关键的,仅依靠国家力量,可能能在短时间内集中攻关力量解决一个难题,随后投入其他难题的处理中。有些事情并不能持续的深入研究,唯有市场的持续需求不断刺激技术进步,就像战争那样,技术才可能有巨大的飞跃。另外,一些其他技术的进步,比如电子计算机,也与仪器的发展相辅而成,这也带来了思维的全面改观。
 
涉及到示波器相关的具体技术,从 60 年代以前,一般来说我国和外国的差距不是特别的大,因为大家都用电子管,这个东西无非对工业机械设备有一定的要求,主要是冲压和焊接等等,另外电子管特殊的阴极涂层材料也对性能影响至关重要,不过这一切都不是遥不可及的。此外这个时期的示波器带宽通常还没有超过 40MHz,确实难度不是特别大,这个阶段我们和技术储备方面没有太大差距,主要是因为需求也不是太多,导致产品无论从工艺还是结构,都有些落后。
 
图:TEK 511 示波器的局部,可以看到底板上还印有很多文字提示,比较精细。
 
顺便说一说这个时代的制造工艺,因为电子管本身体积较大,而且多半随着高压大电流,所用的器件体积也很大,无论国内还是国外都是这样安装元器件的,也就是元件安装在支架上,然后用线相互连接。这种方式国内俗称搭棚焊接。
 
进入 60 年代中期,一些半导体器件开始逐渐取代电子管的地位,此时示波器的带宽开始达到 100MHz。在这个时期电子计算机的应用也开始逐渐推广开,这导致对示波器有更多的需求。此时(大约 1965 年),HP 公司也发布 HP-IB 总线,后来这种技术在 70 年代标准化成为 IEEE488 也就是 GPIB。通过这种控制总线,计算机可以控制电子仪器工作,采集仪器的数据并且进行分析。这使得我们对数据的使用和理解上升到一个新的高度,同时催生了自动化测量系统的概念,他带来了更高的效率和更好的精确性。而此时国内仍未太多进步。高带宽示波管对加工技术和设计提出了十分高的要求,电子计算机更是全国都没有多少。
 
 
由于晶体管缩小了体积和功耗,印刷电路板技术开始推广,通过 PCB 板,电子元件可以被快速有序的安装,同时减小了寄生参数。于是电路板的制造工业技术也同步跟进发展。
 
 
图片来自一位老前辈 DIY,不过当时国内的 PCB 基本上也就是这样。看起来粗糙的多。主要方法是给每个元件的安装点打孔并打铆钉,然后焊接在铆钉上,反面相互连接起来。这样的工艺效率低,安装密度也低。这些辅助工业也严重影响仪器的集成度提高。
 
进入 70 年代,我们的浩劫仍在继续。而美国佬的微波半导体技术突飞猛进,微电子集成电路技术更是日新月异,这个时段常规示波器带宽到达 350MHz,特种示波器可达 1GHz。同时半导体技术的更进一步发展使得示波器完全可程控化,也可以进行数字化采集。比如同年代的模拟示波器已经具有微处理器了,可以在荧光屏上直观的读出测量参数,又可以将参数和波形传递给计算机。直到几十年后国产的模拟示波器才开始具有这种能力。而此时我们半导体工业止步不前,还只能生产普通逻辑门电路。当然 8086 一类的 CPU 也仿制出来过,不过想想也是,1 没人会用,2 成本高得吓人,3 利用这些东西去做测量仪器,极大的增加仪器成本和复杂程度,却没有足够的计算机与之相配套。此时的测量需求主要依靠进口满足(中美关系还凑合)。在此时代,由于仪器以及军方需求,美国佬开始制作 4 层电路板,并且使用了早期的计算机进行 EDA 辅助电路设计。
 
 
比如 ... 不比真的不知道差距有多大
 

 

80 年代是 PC 和小霸王腾飞的时代。在此时代得益于众多行业对超大规模电路的需求,示波器也跟着沾光,进入了数字时代。由于雷达等特殊需求,砷化镓半导体技术快速成长,同时应用在网络分析仪,频谱分析仪等射频测量仪器内。这些其他领域的技术铺垫为高性能数字示波器铺平了道路。而国内由于相关产业稀缺,在此时出现了极大的技术断层,并且直到今天也未能追上。如果有兴趣的话可以看看 80 年代的美国各种小霸王,有用各种各样的 CPU 的,比如 Z80,MC6800,MC68000,6502 等等。不得不说市场起了巨大作用,由于制造这些消费电子产品,对于电测仪器自然也有巨大的需求了。在这个时期,元器件密度极大的提高,也促进了 SMD 表面贴装技术的成熟,这代表着电路的集成度,稳定性,生产速度的大幅度提高。
 
90 年代初,随着计算机以及各种网络系统的日益复杂,对于测量仪器也提出了更高的要求。这时以 HP54600 系列和泰克 TDS500 系列为主要代表的高性能数字示波器登场。经过长期的技术积累,此时的数字示波器融合了先进的半导体技术,比如微计算机,DSP,CPLD,以及专门设计的 ASIC 和代表核心技术的 ADC,触发控制器等等。在软件方面也是各种先进测量算法的集合。可以说无论从哪一方面,在那个年代我们的差距不是一点半点。毕竟造个 286 的零件都不能完全国产化,何谈更先进的示波器呢?
 
所以说题主的问题在我看来其实很宽泛,他涉及到多个领域。虽说可能从一台仪器仪器本身来看,就主要被限制在几个关键的器件上 . 但是想要做出这些东西绝非组织几次全国性技术攻关就能得来相应的成果,他是长期积累和进步的产物,也是智慧的结晶 . 同时也是顺应时代发展和市场需求的必然结果。
 
以下,通过简单看看示波器的发展史来更深入的理解技术积累的概念 . 也顺便看看前辈们的脑洞。
 
古时候(90 年代以前),HP 尚未被拆分,所以他也生产电测仪器,而且是靠着仪器发家的。拆分以后电测与生化测量叫做 Agilent (现电测再次拆分叫 Keysight),半导体技术叫 Avago。同样泰克公司曾经旗下有 MAXTEK 公司,来设计和制造本公司仪器所需的特殊定制件。
 
01 史前时代
 
 
电子示波器的起点并不容易查证,所以史前时代由示波器的操作特性来划分。如今我们最常使用的可能是边沿触发模式,甚至通常认为这就是示波器的一部分基本功能。实际上在 TEK 511 之前,示波器并不具备触发能力。此时的示波器为了稳定显示波形,采用了一种叫做同步扫描的技术。示波器以固定的频率进行自由扫描,从而显示波形。为了使波形稳定,他也具有简单的比较器控制,来确定何时开始扫描。不过由于扫描时间的不定性,示波管的时间轴也不稳定。这种示波器不能进行精确的时间测量,也不能观察非周期性信号。
 
00:现代示波器的起点:Tektronix 511
 
 
 
 
1947 年,泰克发布了他的第一个产品:511 型示波器。
 
与他的前辈最大的不同之处在于,他首次拥有了精确的触发系统,其实就是我们今日所能见到的每一台示波器都具有的边沿电平触发。当输入波形满足触发比较器设定的极性与门限时,示波器开始按照时基旋钮所设定的时间完成一次扫描。这样可以通过调节触发电平来确定每次扫描在波形上的起点,同时每一次扫描的时间又是已知的,通过数屏幕上的格子就可以对被测信号进行准确的时域分析。这是一个巨大的飞跃,其中简单的原理已然成为今日每一台示波器所必需的功能,不得不说他是现代示波器的起点。
 

 

01:固态化,小型化
 
在射频半导体技术突飞猛进的 60 年代,像 HP 和 TEK 这样的公司都迫切需要高性能的固态放大器以及各种电子管的替代器件,由于通用器件公司不能提供这些部件,他们分别建立自己的研发部门满足内需。由于军方也有巨大的需求量所以最重要的资金自然不是问题。以示波器来说,要把带宽做高,需要亮度更高,聚焦更精确,摆率更快的示波管,同样也需要高速的前置放大器 /Y 轴放大器。从 60 年代开始,除了示波管以外的其他电子管,都将被晶体管和集成电路取代。
 
 
1959 年末期开始面世的泰克 555 型示波器,带宽 30MHz,使用完全的电子管结构制作,功耗和体积巨大,小推车底部一层是他的电源箱 ..... 显然这样的示波器显得太过巨大,以至于离开他的小车简直无法使用。
 
 
 
 
60 年代初,随着晶体管的量产难题被逐渐解决,开始了仪器固态化的进程,此时泰克推出 321 型示波器。他几乎全部使用晶体管制作,早期型号内尚有一部分电子管工作在高压区域,后期型号通过新型的晶体管进一步取代了他们。这个阶段的示波器缩小,重量减轻。终于可以从推车上拿下来,放在桌面上,或者轻松的移动到一些特殊的测量现场。
 
巨量的市场需求刺激他们自己开发所需的一切配件,并且带动了一些其他工业项目,比如玻璃的精密加工设备,金属的冲压设备。60 年代末期美国佬已经可以制造精密的内刻线示波管。即示波管屏幕上的格子是刻在示波管内部的玻璃面上的。这样读数误差更小。而同年代国产示波器全部都是刻在压克力片上然后放在荧光屏前边,从不同角度看就有不同的误差。再加上没有实际的需求,一直到 80 年代后期可能才生产了小部分内刻线示波管,主要用于超声波探伤仪。
 
 
我手头的两个示波管,分别来自 TEK 212 和 2430 示波器,两个管子大约都是 70-80 年代的产品,有细致的内刻线,有光照的时候能十分清晰的显现出来(在示波器上有钨丝灯泡背光)。
 
 

 

仍然放在我办公室的一台 80 年代的国产 20M 示波器,他是亚克力刻线的,距离示波管屏幕足有 1cm 高度,带来了十分大的读数误差,而且即便有灯光映照,刻线也不容易看清。
 
 
 
一台非常小的 TEK 212 手持模拟示波器,大约是 80 年代初期的产物,主要供应军方需求。带宽 0.5MHz。
 
 
 
TEK 2430 示波管内精密又漂亮的加速电极,这些电极使得电子束带有相当高的能量,借此示波器可以在高扫速下仍然具有足够的亮度进行观察。
 
好了,说的有点远。回来继续
 

 

02  高集成度与模块化、自动化、数据分析
 
到底何时集成电路进入示波器,这点我确实翻了很多资料也难以确定。
 
不过我司曾经有一台老前辈留下来的泰克 485,他是 1972 年面世的,公司这一台是 1978 年左右生产的,他带宽 350MHz,在当时属于国产货望尘莫及的境界。并且内部十分的复杂,制造工艺相当精良。遗憾的时候有一天我在摆弄他的时候,突然就黑屏了,风扇也不再转动。怀疑是开关电源出了问题(没错,1972 年的时候已经用上了开关电源)。然后现场拆解准备检修,拆开发现这也太复杂了。整个机子里里外外都被 PCB 板包裹,电源在中心 ... 于是草草拍了些照片给装回去了。送回仓库睡觉。好了不再废话了,上图:
 
还能开机时候的遗照
 
漂亮的面板,有一部分按钮的背光还是钨丝灯泡。
 
机子后部的端口,可以看出来这个时期就已经有有源探头了:他有两个有源探头供电接口。
 
拆掉后边的螺丝,拔出外壳。密密麻麻的全是板子
 
示波管上的产品检验签名。
 
TEK 当时所定制的奇特的集成电路。
 
有一大堆 ...  输入通道部分,也十分的复杂。
 
 

 

我闲暇之余收来的个别集成电路,中间那颗外形奇特的就是 TEK 自己的定制产品。这些东西对于我们当时的技术人员来说就是看天书一般,难以猜透他的具体用途。集成电路以及微处理器的进一步出现给示波器的自动化开了条好路,作为老大的泰克自然不会放过这次狠狠开脑洞的机会~
 
 
 
 
1970 年代中期,各方面条件具备,时机成熟 . 泰克推出了 7000 系列模块化示波器 . 再一个主机显示单元内安装各种模块来定义仪器的各种功能。
 
 
 
而且它具有各种各样的模块 ...
 
具体可以看这里,是在是太多了。比如示波器所需的水平与垂直模块,频域与时域相交叉的 TDR 模块,射频所需要的频率计,频谱分析仪模块。当时数字电路验证所需的逻辑分析仪模块 ....
 

 

当然,无论他如何魔改,他还是模拟示波器。模拟示波器有诸多不便,比如带宽较低,无法存储等,在高速数字模拟转换器尚不发达的 70 年代,高能物理实验以及微波和雷达系统的测量迫切需要高带宽,能存储的模拟示波器。于是产生了一些真正的黑科技产物(绝对不同于某米宣传的那些)。先说带宽,常规的模拟示波器,就是说用人眼看屏幕的那种,最高纪录保持者是日本岩崎公司的产品(应该也是 80 年代末)(型号我实在是没记住),他带宽高达 470MHz!而 80 年代泰克的产品实际上只能到达 400MHz(2467B 型)。由于普通台式示波器的示波管显示面积较大,电子束行程较长,Y 轴驱动能力不可能无限制的加大,因而限制了示波器的总体带宽,所以有些示波管的带宽可以达到 600MHz,但是驱动电路很难做到这样的水平。
 
再说存储,各位都知道:模拟示波器如果使用单次触发,波形从荧光屏上一扫而过,经过几个 ms 的余辉以后就永远的消逝了。于是技术出现了两种方向,一种是示波器照相机。这种专用的相机安装在示波器屏幕上并保持快门一直打开,示波器触发结束以后再关闭快门完成一次曝光。这是一种机灵的做法,但是每次想看到记录下的波形都需要冲洗胶片。
 
 
两台安装了专用照相机的示波器,看起来有点诡异
 
C-53 相机侧面的一些调整选项,比如对焦,光圈,快门速度,走片速度等。
 
 

 

TEK 在 1973 年的一本小册子,讲示波器相机的应用。
 
出于示波器相机繁琐的使用方式,所以还具另一种技术,也就是记忆示波管。这种示波管在荧光屏后方安装了特殊的存储栅极,同时示波管内有专用的读出电子枪。在主电子枪完成一次扫描后,栅极上留下电子空隙。然后读出电子枪打开,向存储栅极均匀的发射电子幕,一部分被存储栅极阻挡,另一部分透过栅极照射到荧光屏上,存储的波形被复现出来。
 
 
存储示波管的结构简图,可以看出来他多了两个 FLOOD GUNS 以及一组置于荧光屏后边的栅极。不过这种示波管只能存储几分钟,随后就因为电子泄露而模糊掉。后期代表型号有 HP 公司的 1741A 型。这种特殊的电子管也被用于雷达显示屏和早期计算机的 RAM 存储器。这种示波管对机械结构要求更加精密一些,带宽不高的管子我们国内也能成功生产。
 
我的 1741A 示波器
 
此时示波器并没连接探头,屏幕上正显示着刚存储下的波形。
 
数分钟后,波形开始模糊,最终变成一屏绿光。
 
 
1741A 的示波管,这个角度可以看到具有白色陶瓷后盖的读出电子枪。
 

 

这展示了在存储模式下的低速扫描过程,首先全屏幕绿光,这是进行了示波管"擦除",随后一次接一次的扫描,首次扫描结束后波形仍然没有消失。
 
 
 
 
我国 1973 年生产的 SC-7 存储管,他将荧光粉换成了电子靶,用于记录和读出数据。
 
到了 70 年代中期,电子计算机也小型化,他们被更多的应用在测量的控制与分析领域。这就需要电子仪器可以记录他的测量结果并且数字化。对于示波器这似乎是个难题,因为当时并不能生产出高带宽高采样的 ADC。此时美国佬又动起了歪脑筋,这次,泰克公司研发出了 7912 型(大约 1973 年)数字化仪(Digitizer)。
 
7912AD 数字化仪
 
这类设备的广告小册子,着重宣传了他与计算机的连接能力。
 

 

他仍然使用模拟示波管,带宽高达 1GHz,如果等效到数字示波器的采样率,则大约是 2Gsa。同时能够提供大约 12bit 动态范围的数字化波形输出。他是怎么做到的呢?泰克使用了扫描变换管技术(Scan conversation tube). 这是一种颇为奇妙的示波管,他有两头,一头是示波管,负责波形扫描,另一边是摄像管,用于图像记录(CCD 尚未大批量应用之前的产物)。两个管子的中央是记录靶。示波管发射扫描电子束到记录靶,然后由摄像管和低速 AD 转换器输出,完成对于高速信号的记录。
 
 
7912 数字化仪使用的 SC108 扫描变换管。
 
 
这个玩意长的可以称之为刷屏神器了~
 
这相当于一个模拟 FIFO。解决了当时的技术难题,这种管子一直被泰克公司应用到 80 年代末期,用来生产 SCD5000 系列数字化仪。
 
 
SCD5000 数字化仪,这次他有了一个可以选装的液晶屏,用来查看记录下来的波形。
 
后来与 SCD5000 同样的技术在 01 年左右由日本岩崎公司推出 TS-80000 系列示波器,不过摄像管换成了 CCD,LeCroy LA354 还是什么玩意也是这样的,其实是岩崎贴牌的。而此时泰克的数字示波器早已跨过 10Gsa 采样率的大关,并且达到 20Gsa(TDS7404/7254)。
 
 
 
TS-80000 系列的宣传说明,简略的展示了一下扫描变换管的结构。其实就是 CCD 拍示波管,只不过示波管靶面很小,更容易做到高带宽。
 
 
 
TS-80000 与他的屏幕截图。这台液晶示波器用这样机智的办法实现了模拟示波器的效果,又能存储和测量。
 
 
LA354,其实也是日本人代工的。
 
 

 

除了数字化仪,70-80 年代也有一些结构正统的数字示波器。其中数字示波器的先驱据说是英国的 Nicolet 公司,他们制造了第一台数字示波器,使用磁带存储数据。不过这些信息并不十分明确,我也没找到第一台数字示波器的图片。上边这个数字示波器是 Nicolet 在 80 年代初期的产物。很时髦的用了一个 8 寸软驱来存储波形。
 
03 细分化,各取所需
经过混沌的 70 年代,可能这些厂商都发现模块化设备的出发点是好的,但他们杂而不精。于是经过长期积累,示波器开始出现各种专用细分目的的变形,来满足不同测量需求。
 
 
对于泰克而言,通用示波器系列主要是 2400 系列。他们大多数都是模拟示波器,但是加入了一个新的 AUTO 功能,也就是示波器内部带有一些简单的检测电路可以测试输入信号的频率与 Vpp。这样,只需给示波器输入被测信号,按下 AUTO 按钮,很快示波器就能自动分析并转换到最佳量程。这为用户操作提供了很大的方便性。
 
 
针对高速数字信号的分析,泰克推出了 DSA 数字信号分析仪。其实这就是今天所使用的采样示波器的前身。他的输入通道被设计成可更换的,能换成输入采样头或者 TDR 头。带宽可达几十 GHz。
 
 
此时期 HP 公司除了生产模拟存储示波器,他们的数字示波器主要面向自动测量系统使用。仪器完全受到 GPIB 总线控制,所以不得不说前面板设计的并不是多么实用。
 

 

刚才说道泰克 2400 系列多数是模拟的,但是这也存在少数派:再说说其他的模拟 FIFO 存储的示波器,80 年代高频的半导体技术已经十分成熟了,所以由出现了一种使用 CCD 来储存波形的示波器(没错说的就是相机那个 CCD,他最早就是作为数据存储是研发的,感光只是附带的功能 )。这类示波器代表型号飞利浦 PM3310/3311,泰克 2430/2431 一类。采样率可达 200MHz。其中的 CCD 部件就像一个模拟信号的串行移位寄存器,在高速采样时钟的驱动下将模拟波形快速移入,然后在低速读出时钟的驱动下移出到 ADC 进行数字化。也是一种比较机智的做法,成本相比扫描变换管低得多。
 
 
 
 
 
我的 PM3310 示波器,最后一图是他的低速 ADC,大约是 12KHz 的采样率。借助 CCD 存储器,采样率可达 60M,然而,我多次对照维修手册,仍然无法确定 CCD 是其中的哪一部分,或者哪个 IC。
 

 

04 全面数字化,混合信号测量
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。
 
 
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。
 
 
 
 

 

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)。
 
 
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
 
 
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。
 
 
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。
 
 
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。
 
 
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。
 
 

 

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

 

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
 
 
 
 
 

 

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。
 
一个抖动中的信号
 
测试方波,边沿看起来就像模拟示波器的效果
 
 
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。
 
 
 
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。
 
 
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?
 
 
在 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。
 

 

05 新世纪:混合域分析
当然不用多说的是,进入了新世纪,示波器的带宽和采样率依然没有停止增长。除此之外,一些示波器也增加了时域测量以外的功能,比如 MSO 可以分析逻辑信号的状态与时序。而更进一步的 MDO 混合域示波器则加入了一个宽带频谱分析仪,使得示波器可以从时域 / 频域 / 调制域的角度重新审视信号,为测量人员开辟一片新的天地(然而这么 NB 的示波器我并买不起,所以什么具体评测拆机上图啥的免了)。
 
说这么多,其实是想用实际的设备来看到前辈们是如何一个一个脚印走过来的。其中一些过渡技术早已被淘汰,被人遗忘。但回首这些技术,仍然闪烁着智慧的光芒。
 
说白一点,除了刻苦钻研,脑洞和大把资金也是很重要的 . 可以看出来这些历史产品未必成功,但是带来了大量的技术积累 . 另外受限于篇幅,更多有意思的设备未能完全写出,再发几个图片:
 
 
 
 
 
 
这是 TEK 222,这个比 ip5s 稍微大一圈的东西是个 10MHz 手持数字示波器。80 年代的产物,而且他还是两通道相互隔离的。从图片可以看出他用了磁隔离器。
 

 

大致说下技术上的导致垄断的原因。
 
1. 材料与器件材料严重依赖工业基础。
 
高端示波器中高速 ADC 不是常规硅材料,有些是砷化镓,磷化铟等,比较超前,国内在消费电子的硅材料上补功课,那个量大,这个没跟上呢。
 
高速 ADC 不仅应用于示波器,还有导弹姿态,红外夜视,跟踪瞄准等。军事的限制大家都懂,所以较为严格。传说中某单位买了别人高端示波器拆了几颗 ADC,把剩余的丢了,成为笑谈。
 
另外不只 ADC,示波器中需要的 FPGA 也只有少数几家能做出来,都是在美国。国内做的最好的一家经营不善,貌似在重组,我用过,狠狠得坑了我一次,产品刚做完,它就破产我很伤心π_π现在 FPGA 还不算最严重的瓶颈,但是 ADC 有可能国内做出来,FPGA 可能性很小,被专利和技术难度束缚,虽然近些年 FPGA 符合增长率惊人,但国内技术太不成熟,你给他机会选用它的器件,它就会狠狠的伤你的心……
 
2. 电子技术人才少,技术积累少
 
大神们都懂,我国受教育数量和质量差强人意,国外从电子管晶体管一路走来技术积累快百年,他们走的路我们都要走,山寨也要改明白,弄通原理,这都要时间。
 
现实是,留给中国队的时间不多了→_→我们很少有人懂电路,尤其是模拟电路。举例来说,示波器信号链调整,触发,时钟分配都很难。因为仪表体量不大,器件只能选用其他领域的,比如通信的,借用一下,单独开发不会干,成本也花不起,所以信号链得调整多数时候用的都是管子,不知道有多少知乎大神能用管子搭出来宽带程控 pga,能搭出来请看下一条。
 
3. 人工太贵
 
示波器另一难点是算法,这是一个示波器最高的追求,无论是简单的算个 rms,滤波,还是搞个余晖,追求波形刷新率,这个算法在 FPGA 上实现,FPGA 的工程师好贵,比硬件贵多了,一些成熟能干活的算法工程师在北京房屋公积金是能交够上限的。成熟的硬件工程师可能需要至少三五年的工作经验,工资也不过一万出头,还不如互联网入门工资。
 
全球电测仪器市场容量大致 300~400 亿,示波器一项更没多少钱,整个国内示波器厂家市场占有率粗估不到 2%(没数据支持),拿什么钱支撑研发成本呢?不能说我供职的公司,国内市场占有率第二的公司,销售额几千万而已,低端市场毛利不到 5 成,所以,做示波器的都是为了情怀,无论公司还是个人。