示波器類型

數位儲存示波器 (DSO)

傳統的數位示波器被稱為數位儲存示波器 (DSO)。其顯示通常依賴於光柵型螢幕，而不是舊式類比示波器中的發光磷光體。
DSO 可讓您擷取和查看可能只發生一次的事件 (稱為暫態)。由於波形資訊以數位形式存在，是一系列儲存的二進位值，因此可以在示波器本身或外部電腦內對其進行分析、存檔、列印和其他處理。
波形不必是連續出現，即使訊號消失也能顯示。與類比示波器不同，DSO 可提供永久訊號儲存和廣泛的波形處理。但是，DSO 通常沒有即時強度分級。因此，無法在即時訊號中表達不同的強度等級。
DSO 中的一些子系統與類比示波器中的子系統相似。但是，DSO 包含額外的資料處理子系統，用於收集和顯示整個波形的資料。DSO 採用串列處理架構來擷取訊號並將其顯示在其螢幕上，如圖 12 所示。

圖 12: 數位儲存示波器 (DSO) 的串列處理架構。

串列處理架構

與類比示波器一樣，DSO 的第一個 (輸入) 階段是垂直放大器。垂直控制項允許您在此階段調整振幅和位置範圍。接下來，水平系統中的類比/數位轉換器 (ADC) 在離散時間點對訊號進行取樣，並將這些點處的訊號電壓轉換為數位值 (稱為取樣點)。這個過程稱為訊號數位化。
水平系統的取樣時脈決定了 ADC 取樣的頻率。此速率稱為取樣率，以每秒取樣數 (S/s) 表示。
來自 ADC 的取樣點會儲存在擷取記憶體中 (儲存為波形點)。多個取樣點可以構成一個波形點。所有波形點則會構成一個波形記錄。用於建立波形記錄的波形點數稱為記錄長度。觸發系統確定記錄的開始點和結束點。
DSO 的訊號路徑包括一個微處理器，量測訊號會透過微處理器傳送到顯示器。此微處理器處理訊號、協調顯示活動、管理前面板控制等。然後訊號透過顯示記憶體並顯示在示波器螢幕上。
根據示波器的功能，可能會對取樣點進行額外的處理，進而增強顯示效果。您也許可使用前置觸發來查看觸發點之前的事件。大多數的數位示波器還提供一系列自動參數量測，進而簡化了量測過程。
DSO 可在單次多通道儀器中提供高效能 (圖 13)。這些儀器是低重複率或單次、高速、多通道設計應用的理想選擇。在數位設計的現實世界中，工程師通常要同時檢查四個或更多訊號，因此 DSO 便成為量測時的重要夥伴。

圖 13: 數位儲存示波器提供跨多個通道的高速單次擷取，提升擷取難以捉摸的突波和暫態事件的可能性

數位螢光示波器 (DPO)

數位螢光示波器 (DPO) 為示波器架構提供了一種新方法。這種架構使其能夠提供獨特的擷取和顯示功能，以準確地重建訊號。DSO 使用串列處理架構來擷取、顯示和分析訊號，而 DPO 則使用並行處理架構來執行這些功能 (圖 14)。

圖 14: 數位螢光示波器 (DPO) 的並行處理架構。

DPO 架構採用獨特的 ASIC 硬體來擷取波形影像，提供高波形擷取率，進而達成更高層級的訊號可視化。這種效能增加了見證數位系統中發生的暫態事件 (例如矮波脈衝、突波和轉換錯誤) 的可能性，並實現了額外的分析能力。

並行處理架構

DPO 的第一個 (輸入) 階段類似於類比示波器 (垂直放大器)，而其第二個階段則類似於 DSO (ADC)。但是，在類比/數位轉換之後，DPO 與前代產品有很大的不同。
對於任何示波器而言，不論是類比、DSO 或 DPO，總有一個延遲時間，在此期間儀器會處理最近擷取的資料，重設系統，並等待下一個觸發事件。在此期間，示波器對所有的訊號活動都將視而不見。看到不頻繁或低重複事件的機率隨著延遲時間的增加而降低。
僅透過查看顯示更新速率無法確定擷取的機率。如果僅依靠更新速率，很容易誤以為示波器正在擷取有關波形的所有相關資訊，而實際上並非如此。
DSO 會串列處理擷取的波形。其微處理器的速度是此程序的瓶頸，因為會限制波形擷取率。DPO 將數位化波形資料光柵化為數位磷光體資料庫。每隔 1/30 秒 (大約與人眼可以感知的速度一樣快)，儲存在資料庫中的訊號影像的快照將直接透過管道傳輸到顯示器。這種波形資料的直接光柵化處理以及從資料庫直接複製到顯示記憶體，消除了其他架構中固有的資料處理瓶頸。結果是增強的「即時」和生動的顯示更新。即時擷取訊號的詳細資訊、間歇性事件和訊號的動態特性。DPO 的微處理器與該整合擷取系統並行運作，用於顯示管理、量測自動化和儀器控制，因此不會影響示波器的擷取速度。
DPO 忠實地模擬類比示波器的最佳顯示屬性，以三個維度：時間、振幅和振幅隨時間的分佈。一切資料均即時呈現。
與類比示波器依賴化學螢光粉不同，DPO 使用純電子數位螢光粉，這實際上是一個不斷更新的資料庫。此資料庫對於示波器顯示器中的每個像素都有一個單獨的資訊「單元」。每次擷取波形時 (亦即，每次示波器觸發時)，都會被映射到數位螢光資料庫的單元格中。代表螢幕位置並被波形觸碰的每個單元格都使用強度資訊進行了增強，而其他單元格則沒有。因此，強度資訊在波形最常透過的單元格中積累。
當數位磷光體資料庫被饋送到示波器的顯示器時，顯示器會顯示出增強的波形區域，與訊號在每個點的出現頻率成比例，很類似度類比示波器的強分級特性。與類比示波器不同，DPO 還可在顯示器上以對比色顯示變化的發生頻率資訊。使用 DPO，很容易看出幾乎每次觸發發生的波形與每 100 次觸發發生的波形之間的差異。
DPO 打破了類比和數位示波器技術之間的障礙。這些同樣適用於即時查看高頻和低頻、重複波形、暫態和訊號變化。只有 DPO 可以即時提供傳統 DSO 所沒有的 Z 軸 (強度)。
DPO 非常適合需要最佳通用設計和疑難排解工具來滿足各種應用的需求 (圖 15)。DPO 是進階分析、通訊遮罩測試、間歇訊號數位除錯、重複數位設計和時序應用的典範。

圖 15: 有些 DPO 可以在短短幾秒鐘內擷取數百萬個波形，進而顯著增加擷取間歇性和難以捉摸的事件並揭示動態訊號行為的可能性。

混合域示波器 (MDO)

混合域示波器 (MDO)將射頻頻譜分析儀與 MSO 或 DPO 相結合，以提供從數位域、類比域到射頻域的訊號的相關視圖。例如，MDO 允許您查看嵌入式設計中通訊協定、狀態邏輯、類比和射頻訊號的時間相關顯示。這顯著地減少了洞察時間和跨域事件之間的量測不確定性。

瞭解嵌入式射頻設計中微處理器命令和射頻事件之間的時間延遲可以簡化測試設定，並在工作台上就能執行複雜的量測。對於嵌入式無線電，例如圖 16 中所示的 Zigbee 設計，您可以觸發射頻事件的開啟並查看微處理器控制器解碼的 SPI 控制線的命令行延遲、開啟期間的汲極電流和電壓，以及由此產生的任何光譜事件。在一個顯示畫面中，您現在可以看到無線電所有域的時間相關視圖：通訊協定 (數位)、類比和射頻。

圖 16: Zigbee 無線電的微處理器 SPI (MOSI) 和 (MISO) 控制線的時間相關顯示，量測無線電 IC 的汲極電流和電壓以及開啟期間的頻譜。

混合訊號示波器 (MSO)

混合訊號示波器 (MSO) 將 DPO 的效能與 16 通道邏輯分析儀的基本功能相結合，包括並列/串列匯流排通訊協定解碼和觸發。
MSO 的數位通道將數位訊號視為邏輯高或邏輯低，就像數位電路查看訊號一樣。這意味著只要振鈴、過衝和接地雜訊不會引起邏輯轉換，MSO 就不會考慮這些類比特性。如同邏輯分析儀，MSO 使用閾值電壓來確定訊號是邏輯高或是邏輯低。
MSO 是利用其強大的數位觸發、高解析度擷取能力和分析功能快速除錯數位電路的首選工具工具。透過分析訊號的類比和數位表示，可以更快速地查明許多數位問題的根本原因，如圖 17 所示，進而使 MSO 成為驗證和除錯數位電路的理想選擇。

圖 17: MSO 提供 16 個整合數位通道，能夠查看和分析與時間相關的類比和數位訊號。

數位取樣示波器

與數位儲存和 DPO 架構相比，數位取樣示波器的架構顛倒了衰減器/放大器和取樣電橋的位置 (圖 18)。在執行任何衰減或放大之前對輸入訊號進行取樣。然後可以在取樣橋接之後使用低頻寬放大器，因為訊號已經被取樣閘極轉換為較低的頻率，進而產生更高頻寬的儀器。

圖 18: 數位取樣示波器的架構

然而，這種高頻寬的代價是取樣示波器的動態範圍有限。由於取樣閘極前沒有衰減器/放大器，因此無法縮放輸入。取樣橋接必須能夠隨時輸入的完整動態範圍。因此，大多數取樣示波器的動態範圍被限制在大約 1 V 峰對峰值。另一方面，數位儲存和 DPO 可以處理 50 到 100 伏的電壓。
此外，不能在取樣橋接前面放置保護二極體，因為這會限制頻寬。與其他示波器上可用的 500 V 相比，這將取樣示波器的安全輸入電壓降低到大約 3 V。
在量測高頻訊號時，DSO 或 DPO 可能無法在一次掃描中收集足夠的取樣。數位取樣示波器是準確擷取頻率分量遠高於示波器取樣率的訊號的理想工具 (圖 19)。該示波器能夠以比任何其他示波器快一個數量級的速度量測訊號。對於重複訊號，則可以提供比其他示波器高十倍的頻寬和高速時序。提供頻寬高達 80 GHz 的順序等時取樣示波器。

圖 19: 來自數位取樣示波器的時域反射計 (TDR) 顯示。