数字示波器觅源录：仪器止业中浪访谈（上）

“科学源于丈量，没有丈量，就没有严谨的科学。”——门捷列夫

1、丈量的科学观

科学总是探究息争读客观天下的新征象，研究和把握新纪律，总是在不懈地寻求真理。科学是严谨的、客观的、可重复的、可量化的、实事求是的，与此同时，科学研究又是满盈制造性的。科学，尤其是天然科学，其最紧张的目的之一，便是寻找天然界运行的最素质的纪律。科学的这种不懈寻求精力，是人类前进的一种最根本的动力源泉。

哲学早于科学，许多哲学思辨厥后被科学丈量代替。“当代化学之父”拉瓦锡有一个信条：“一定用天平举行准确测定来确定真理。”在研究燃烧等一系列的化学反响历程中，拉瓦锡通过定量试验证明了极其紧张的质量守恒定律。质量守恒定律奠基了化学进展的底子。

科学源于丈量，从观察微观的纳米标准到宏观的宇宙巨细，从弱相互作用力到引力波丈量，从质量到能量、时间到空间，丈量无所不在。丈量的前进便是科学的前进，丈量本领决定科学研究高度。

图1：安托万·拉瓦锡，法国闻名化学家、生物学家，被后代称为"当代化学之父"。

图2：在研究“燃烧”的一系列试验中，拉瓦锡通过准确的丈量，发觉物质固然在一系列化学反响中转变了状态，但参加反响的物质的总量在反响前后都是雷同的。这即是化学反响的根本定律——质量守恒定律

科学是从定量的观看和试验进展出来的，权衡一个目的的几多、巨细，最要害的行动便是丈量。丈量科学的先驱凯尔文说“一个事物你假如可以或许丈量它, 而且能用数字来表达它,你对它就有了深刻的相识,但假如你不知道怎样丈量它,且不克不及用数字表达它,那么你的知识大概便是贫瘠的,是不令人中意的。”丈量是知识的出发点,也是进入科学殿堂的开端。丈量的界限便是客观天下的界限，丈量的正确便是对“存在”最严谨的界说。我们对天下的了解是由可量化的试验与丈量推进的，而丈量在认知天下时更具有本源性偏向。任何科学理论都得从“可丈量”开始，是种种可量化的科学模子与科学试验构建了我们的天下观。丈量便是科学的天下观。

2、数字示波器“鸿蒙初辟”

电子测试丈量仪器是电子工程师举行产物设计和验证不行或缺的东西，示波器作为此中最焦点的一员，一向见证和推动着电子测试丈量行业的进展。

图3：数字示波器里程碑产物纪年史

我们从统统的劈头——晶体管开始讲起。

电子产业约莫始于一个世纪之前，无线电电台和雷达这两种代表性产物，在第二次天下大战时期通讯中发挥了紧张作用。早期的电子体系采纳了“真空管”，即在真空室中操纵极板板间的电子流淌实现信号处置惩罚功效的器件。然而，真空管利用寿命短、体积大、功耗高，研究职员陆续不停追求具有更好性能的电子器件。第一个晶体管是在20世纪40年月发明的，它的利用寿命非常长，而且体积要小得多。晶体管显现后敏捷代替了真空管。

直到20世纪60年月，微电子学，即研究和制造微米和亚微米标准电路的科学开始进展，工程师们将由多个微型晶体管和无源元件构成的电路集成在单个半导体衬底上制成集成电路，大幅缩小了电路体积而且进步了性能。20世纪70年月，高速ADC技能以及数字处置惩罚技能的进展，为数字示波器的进展奠基了底子。

图4：早期的真空管（左）、天下上第一个锗晶体管（右）

1971年，LeCroy（力科）制造了天下上第一台及时数字示波器——WD 2000，具有100MHz带宽。值得一提的是，这台示波器仅用1ns的时间就网络了20个信号样本，换句话说，LeCroy早在上世纪70年月就实现了1GSa/s采样率，领先了行业20年！

图5： LeCroy-WD2000，将及时ADC、存储器、表现器集成到一个盒子中的波形数字化仪，是天下上第一台及时数字示波器。

图6： LeCroy-WD2000的心脏-数据收罗板（这是基于LeCroy应用于核物理收罗卡中的电流采样ADC而研发出来的）

18年后，另一家电子科技电子公司Hewlett-Packard（惠普，HP）也推出了其第一款同样具有100MHz带宽的数字示波器。不久后，在1992年，Tektronix（泰克）以500MHz带宽，1GSa/s采样率，开始了其对付数字示波器的探究之旅。

图7：HP-HP54501A（左）、Tektronix-TDS500（右）

早期的数字示波器仍旧利用CRT表现屏，其与模仿示波器的差别在于对被测信号的处置惩罚方法。得益于集成电路（IC）技能的进展，数字示波器利用宽带放大器、高速ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）、存储器（Memory）对输入信号举行调治、采样、量化、存储和表现等一系列处置惩罚，实现了模仿示波器所不具备的更高带宽和波形存储回放本领。

集成电路（IC）实现这些功效的焦点。所谓IC，便是使用半导体工艺在单个半导体衬底上制作多个二极管、三极管及电阻、电容等元器件件，并毗连成可实现特定电路功效的器件。

图8： 1947年在贝尔试验室（Bell Labs）诞生的天下上第一个锗晶体管（左）、1954年美国德州仪器（Texas Instruments）制造的二极管（中）、1961年美国仙童公司（(Fairchild）制造的MOSFET（右）

1958年，一位德州仪器公司的工程师Jack Kilby用几根缭乱的导线将五个均由半导体质料制成的电子元件毗连在一路，就形成了天下上第一个集成电路，这是集成电路技能的汗青性一步。

随后，集成电路技能敏捷进展，1965年Intel公司戈登·摩尔提出摩尔定律（Moore’s Law），猜测单元面积上集成的晶体管数目每18个月进步一倍。1971年，Intel®（英特尔）公布了环球第一个微处置惩罚器4004，一个由2300个晶体管构成的集成电路，与天下上第一台数字示波器同年诞生。

到了20世纪70年月末，64KB动态随机存储器诞生，不敷0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管，标记着超大范围集成电路（VLSI）期间的到临。

图9：天下上第一块集成电路板（左）、Intel®4004微处置惩罚器（右）

图10： Intel®团结首创人之一戈登·摩尔（Gordon Moore），于1965年提出了摩尔定律：集成电路上单元面积可以容纳的晶体管数量约莫每颠末18个月便会增添一倍

芯片中晶体管数目的剧增得益于工艺制程的前进。半导体工艺制程是指集成电路财产晶圆制造中最为顶尖的多少个工艺节点，随着时间不停演化升级。依据国际半导体技能线路图（ITRS）的划定，制程节点代数通常以晶体管的半节距或栅极长度等特性尺寸来表现，以权衡集成电路的工艺程度。

图11：集成电路制程节点演进

为了实现更高的丈量带宽，相比于电脑CPU等芯片而言，数字示波器芯片更关怀半导体工艺的速率，而不但是晶体管密度。通常工艺的速率用晶体管停止频率（fT ）来权衡，它是晶体管电流增益降落到1倍的界限频率。随着半导体加工工艺精致水平的进步，SiGe、InP等高电子迁徙率半导体质料的利用，器件布局的连续改造，使得芯片上晶体管停止频率不停攀升，这也为高带宽示波器的研制制造了条件。

图12：fT 工艺节点演进

随着半导体制造工艺的前进，雷同面积的芯片上可安顿元件越来越多，集成电路的集成度也大大进步，促使数字示波器的芯片性能越来越壮大。作为电子丈量范畴最遍及利用的丈量东西，当代的示波器已经是一套非常庞大的信号收罗和处置惩罚表现体系，也是工程师做电路调试阐发的有用东西。

3、数字示波器“百家争鸣”

1996年，LeCroy推出了拥有最高1.5GHz带宽，8GSa/s采样率的数字示波器系列LC584/LC684，拉开了高带宽、高采样率的高性能数字示波器的序幕。今后，这两项指标成为了各个厂商争相追逐的目的，数字示波器行业“百家争鸣”的期间就此到来。

图13：LeCroy-LC584/LC684

今后，Tektronix分别于1998年和2000年推出了具有最高2GHz带宽的TDS500D/TDS700D和具有4GHz带宽的TDS7000系列数字示波器，一向据有着其时的行业领军职位地方。直到2002年，冬眠数年，已从HP拆分出的Agilent（安捷伦）公司推出的最高7GHz带宽，20GSa/s采样率的54850系列数字示波器冲破了这一场合排场。其于2004年问世的DSO80000B系列产物以13GHz带宽，40GSa/s采样率引领了数字示波器向10GHz+带宽偏向进展。

图14： Tektronix-TDS500D/TDS700D（左）、Tektronix-TDS7000（中）、Agilent-DSO80000B（右）

你方唱罢我登场，这时期各家公司连续推出代表着本身最高技能的产物，争取行业王座。到了2009年，LeCroy公司新推出WaveMaster 8 Zi系列，提供了高达45GHz的带宽，120GSa/s的采样率。尔后的近十年，LeCroy不绝地更新换代，从WaveMaster系列到LabMaster系列，其高带宽及时示波器的带宽已经到达了100GHz，采样率也到达了240GSa/s，在测试丈量行业中据有了一席之地。

图15：LeCroy – WaveMaster 8Zi(BW:45G|120GSa/s)(左)、LabMaster10Zi(BW:65G|160GSa/s)(中)、LabMaster10-100Zi(BW:100G|240GSa/s)(右)

现在市场上高端数字示波器的进展趋向在于其带宽、采样率执政更高偏向攀越。除了上文提到的LeCroy，作为行业领军者的Tektronix也在2015年推出了其最高性能的DPO70000SX系列数字示波器（70GHz带宽，200GSa/s采样率）；而Keysight（是德科技，于2013年从Agilent拆分）公司不停创新，在2018年公布的具有110GHz带宽和256GSa/s采样率的UXR系列数字示波器代表着现在行业的最高水准。

图16： Tektronix–DPO70000SX（左）、Keysight-UXR系列（右）

近些年来，随着通讯、消耗、存储、云盘算、物联网等范畴的进展，对速率和带宽麋集型应用的要求不停进步，信号速率也在快速提拔。这对数字示波器等丈量仪器的性能需求更为苛刻，带宽的崎岖直接决定了可以或许丈量到的信号速率上限以及被测信号的真实性，高带宽及时数字示波器的显现成为必定。“凡诸子百家，蜂出并作，各引一端，崇其所善”。无论是上文提到的测试丈量行业先行者们，照旧一些后起之秀，都在用他们的才智不停创新、追逐突破，餍足电子行业快速改变带来的高要求丈量需求。

图17：数字示波器带宽突破

对付从事电子行业的研发、设计、制造、维护职员来说，数字示波器是一个不行或缺的东西。然而，数字示波器的用途并不范围在电子范畴。在安置符合的传感器时，数字示波器也可以丈量种种非电学量。传感器是将被丈量（如声音、机器压力、压强、光芒或热量）转换为电信号的装置，好比麦克风便是将声音转换为电信号的传感器。汽车工程师利用数字示波器将传感器发来的模仿数据与引擎操纵单位的串行数据联系关系起来；医疗研究员利用数字示波器来丈量脑波……从物理学家到修理技能职员，从产业类电子到消耗类电子，从教诲试验到航空航天，数字示波器可供各行各业各种职员利用。

图18：数字示波器在各行业的应用

从1971年纪字示波器问世至今，示波器产物技能不停更新换代，小到前端模仿运放，大到焦点信号处置惩罚芯片组，无一不是几代人积存下来的丈量结果。然而，与这些行业顶尖产物工艺举行比拟，我国的测试丈量仪器依旧有着显着的差距。模仿高速芯片工艺、微组装工艺，高性能的模仿数字转换芯片（ADC）以及高效的算法等等都是国人必要高兴追逐的偏向。

随着国度科技气力的进展，航空航天、国防、5G和新能源技能不停地前进，而丈量的前进，正是国度科技研究提拔的底子。“博观而约取，厚积而薄发”，中国也涌现出一些优异的电子丈量仪器生产厂家，坚信通过我们的硬核科技创新、焦点技能突破，必将推进中国测试丈量行业的发达进展，进而成绩中国科技探究的无穷大概！

(泉源：普源精电 RIGOL)