模拟示波器向数字示波器的转变,只花了 10 年时间。
1980 至 1990 年是模拟示波器向数字示波器转变的过渡期。HP 花了 10 年时间,改变了示波器的定义和设计。在 1983 年之后,HP 再没推出过任何新的模拟示波器。也正是这一年,第一款基于计算机架构的示波器,HP1980 被正式推出(同时期发生在机算机领域的大事有,Intel 推出 80286CPU 以及苹果推出了第一台图形化界面的计算机 Lisa),虽然 HP1980 还不是一台数字采样示波器,但是它可以编程控制,为系统应用而设计,打开了现代示波器的大门。
 
 
HP1745A 是 HP 历史上最后一款模拟示波器
 
最后的模拟示波器
最后两款模拟示波器在 1983 年 HP 的产品目录中进行了介绍。1745A 和 1746A 都是 1740A 双踪示波器的小改款。
 
1745A 就是 1740A 加了一块大的 CRT 显示屏。同时推出的 1746A,增加了双 marker 功能,可以更准确测量两个 marker 之间的时间间隔。如果选了数字电压表选件,时间间隔的测量结果可以直接以数字的形式显示出来。所有其他的规格与 HP1740A 完全一样,最高可以到 100MHz 带宽,这是当时主流模拟示波器的配置。
 
HP1980 是第一款采用计算机架构设计的示波器
 
HP1980 开始的革命
奠定现代示波器架构的产品是 HP1980,它所带来的一些技术创新,在今天仍然是现代示波器体架构的核心。ZvonkoFazarinc 是 HP1980 的产品负责人,同时也是大名鼎鼎的 HPLabs 科学家。(HPLabs 是 HP 的机密实验室,只有 200 人左右,却花费 HP 总研发成本的 20%,专门为各个产品线的重要产品提供创新技术)
 
与其他仪器不同,HP 在示波器市场一直很被动(据说触发功能一直有问题)。Tektronix 才是这一市场的主宰,从 1947 年推出第一款示波器开始,一直遥遥领先。BillHewlett 和 DavePackard 一度不愿进入这个市场,在没有任何创新的情况下跟在别人后面做一款 MeToo 产品让他们觉得没有意义。
 
但随着示波器市场的扩大,1956 年 HP 的创始人终于坐不住了(有关 HP 为什么进入示波器市场是另外一个故事,以后有机会再讲)。《惠普之道》一书中写道,HP 的第一款示波器 HP150 不太不可靠,一直到 1980 年,HP 示波器的市场占有率可能只有 15%左右。
 
为了扭转示波器的落后局面,Zvonko 和工程师们被要求针对示波器做一些创新。不过当时的 ADC 技术还太烂,没办法一下子做出 100MHz 带宽的数字示波器。HP 当时的计算机业务发展很好,他们想也许可以将传统示波器设计成计算机架构,做一个由数字量控制的模拟示波器。它具备一定的数字自校准能力和可编程功能。而当时的传统示波器完全依靠旋钮产生的模拟量控制,而且不具备编程控制接口。
 
他们同时重新设计了 UI,比如用更多的数字按键代替旋钮,同时用数字屏幕显示设置值。经过一系列的修改后,原型机被拿给 BillHewlett 看,当即得到了老大的认可。Bill 希望在一年之内看到原型机,但他们花了整整 3 年时间才推出 HP1980。
 
HP1980 的推出是具备历史意义的。虽然指标上与传统的 100MHz 双通道模拟示波器没什么区别,但它自带 CPU(intel8085,8bitCPU,最高主频 6MHz)和操作系统,使用了 17 块自己设计的 IC 芯片混合处理模拟和数字电路,实现了观察,测量,数据读取的自动化,第一次为示波器加入了 HP-IB 接口,允许通过程序控制示波器完成复杂的测量。这时 Packard 先生才敢说 HP 示波器有了可以跟 Tek 较量的资本。
 
HP1980 是第一款在架构上由 CPU 控制的示波器,带有 8 个功能模块,与今天示波器的内部结构一致
 
HP1980 的数字电路板和 HP-IB 接口板。可以看到大量的 IC 芯片已经运用在电路中
 
数字化仪的出现
 
数字化仪
 
因为 80 年代 ADC 能力不足,计算机处理能力太差,以及内存芯片价格昂贵,HP 在 1983 年还无力推出价格合理的数字示波器,所以他们使用了变通的方式推出一种新品类的仪器:数字波形记录仪。它结合了存储示波器和数字电压表的功能,使用 ADC 将捕捉到的模拟波形数字化并保存下来。
 
数字波形记录仪有一个很好的特点,就是能记录触发信号之前的波形。这得益于它的数字化设计,采样数据一直源源不断的进入内存中,并与触发电平进行比较,符合触发条件的部分(前后的数据)都可以直接被保留下来。这是传统示波器无法做到的事情。
 
另外被采样下来的波形还可以在 CRT 显示屏上复现出来,波形还可以局部放大,数据能被保存在磁盘中。这些现在看起来理所应当的功能在当时都是重要的创新。
 
HP5180A 的采样速率是 20MSa/s,10bit 分辨率,存储深度 16K(基本上是一台高速三位半数字电压表)。触发电平可以精确的使用数字设置,能够实现电平触发或者外部信号触发。在 5180A 推出后,HP 还要还要再等 5 年时间,才能看到 250MS/s 采样率(对应 100MHz 带宽)的 ADC 芯片。
 
盼星星盼月亮,随着芯片技术的发展,1988 年终于出现了 250MSa/s 采样的,8bit 分辨率的 ADC 芯片。
 
作为台式仪器的 5183/5185 波形记录仪,可以配合显示器成为台式仪器供研发工程师使用,也可以去掉显示器,作为高速数采在自动测试系统里使用,节省测试系统空间。
 
为了更好的应对系统测试需求,1986 年推出的模块化仪器系统 HP70000 系列,同时包含时域信号分析和频域信号分析模块,可以组成复杂的测试系统。沿着这一方向,HP 的模块化仪器逐渐成为一个独立的产品系列。后来发展出的 VXI 模块化测试系统,将模块化仪器的概念进一步强化,并出现了 VXI 板卡式的示波器。
 
真正的数字示波器
 
 
而第一款真正意义上的数字通用示波器,是 HP54500,已经非常具有现代示波器的样子。它推出的时候已经到了 1990 年。4 通道 100MHz 带宽,完全可编程操作,价格是 3465 美元。
 
HP54600 是 1992 年推出的 100MHz 数字示波器。在 HPJournal1992 年 2 月期刊上,用了大半本介绍这款产品。它使用了 Motorola 的 68000CPU(16/32bit,最高主频 16.6MHz),另外还有 HP 自己设计的 ADC 和波形处理芯片。还加入了 FFT 计算,可以将时域信号转变为频域显示。这是在这个价位的示波器上首次出现的功能。
 
随着数字技术的发展,在 1992 年,HP 第一次可以在示波器广告中使用了这样的宣传口号:模拟的感受,数字的性能。在推出 HP54600 系列之后,100MHz 数字示波器的成本已经与一台 100MHz 模拟示波器,比如 HP1741A 差不多了。伴随这种戏剧性的突破,HP1741A 成为 HP 历史上最后一款模拟示波器产品,数字示波器的时代正式开启。之后没过几年 HP 推出里自己的 MegaZoom 芯片,进一步提高了数字示波器的综合性能,自此世界与模拟示波器彻底告别。