示波器為什么那么貴？
發(fā)布日期:2024-10-23
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示波器即簡(jiǎn)單又復(fù)雜！但示波器為什么那么貴？大多都幾千上萬(wàn)，為什么會(huì)那么貴？
數(shù)字示波器的結(jié)構(gòu)
說(shuō)示波器簡(jiǎn)單的原因是示波器是一種能顯示電壓信號(hào)動(dòng)態(tài)波形的測(cè)試計(jì)量?jī)x器。示波器將時(shí)變的電壓信號(hào)在時(shí)域上轉(zhuǎn)換成曲線(xiàn)，將原來(lái)看不見(jiàn)的電信號(hào)在二維平面上轉(zhuǎn)換成直觀的可見(jiàn)光信號(hào)，因此可以分析電信號(hào)的時(shí)域性質(zhì)。先進(jìn)的示波器甚至可以分析輸入時(shí)間信號(hào)的頻譜，反映輸入信號(hào)的頻域特征。
是德科技示波器圖片
但示波器也是復(fù)雜的?。?！
示波器之所以?xún)r(jià)格昂貴，主要原因在于其高精度測(cè)量、高性能采樣率、大容量存儲(chǔ)以及復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由於被測(cè)信號(hào)頻率可能很高，這就要求示波器的速度很快。我們都知道采樣速率決定示波器時(shí)間維度（水平）相關(guān)測(cè)量精度。
采樣原理
奈奎斯特采樣定理 - 如果被測(cè)信號(hào)的帶寬是有限的，那么在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和量化時(shí)，如果采樣率是被測(cè)信號(hào)帶寬的2倍以上，就可以完全重建或恢復(fù)出信號(hào)中承載的信息。
示波器的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中涉及到的精密技術(shù)和復(fù)雜工藝。示波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括傳輸、衰減、放大、低通濾波、硬件觸發(fā)、采樣、運(yùn)算等部分，每個(gè)部分都需要高精度的設(shè)計(jì)和制造，以確保最終的測(cè)量精度和性能。
以數(shù)字示波器為例，單純按照采樣定理＋計(jì)算，采樣速度至少要達(dá)到被測(cè)信號(hào)頻率的2倍，那么如果我要測(cè)一個(gè)10MHz的信號(hào)，ADC采樣速度就至少要20MSa/s，就是至少每秒鐘要讀萬(wàn)用表示數(shù)20000000次（兩千萬(wàn)次)，這個(gè)速度就很?chē)樔肆?。高端示波器擁有更驚人的采樣速率。
示波器驚人的采樣速率?。?！
舉個(gè)例子，是德科技 Keysight 的DSOZ634A示波器，標(biāo)稱(chēng)最高采樣速率160GSa/s，這是什么概念？一秒鐘要測(cè)量輸入信號(hào)的電壓160000000000次（—干六百億次），嚇不嚇人？按照每次采樣只產(chǎn)生1字節(jié)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，1秒鐘就能產(chǎn)生149 GB的數(shù)據(jù)，示波器還要對(duì)這海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)行一些數(shù)學(xué)計(jì)算，并將其轉(zhuǎn)化為圖形顯示出來(lái)，149 GB/s數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度對(duì)于酷睿i9來(lái)說(shuō)也是一場(chǎng)史詩(shī)級(jí)的DDoS洪水攻擊，所以示波器不僅有速度驚人的ADC器件，還要有運(yùn)算能力超強(qiáng)的處理器來(lái)消化ADC傳回的海量數(shù)據(jù)，這些都是尖端技術(shù)能實(shí)現(xiàn)這些功能的元器件也自然價(jià)格不菲！
示波器波形的重建和顯示
數(shù)字示波器先把數(shù)據(jù)存在高速緩存，然后由CPU把緩存里的數(shù)據(jù)取出再分析、顯示。高端示波器大多加入ASIC芯片，是德科技使用FPGA等。這里值錢(qián)的部分是FPGA（ASIC），這個(gè)稍微高端一點(diǎn)的，國(guó)內(nèi)做不出來(lái)，并且可以預(yù)料在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都做不出來(lái)，而且大多數(shù)情況下，所使用的FPGA、ASIC量都很少，流一次片的成本或多或少大家都聽(tīng)過(guò)，也就可以想象每個(gè)FPGA、ASIC能貴到什么程度了。
模擬轉(zhuǎn)換器（ADC）
通過(guò)模擬轉(zhuǎn)換器（ADC）把被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。數(shù)字示波器捕獲的是波形的一系列樣值，并對(duì)樣值進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)限度是判斷累計(jì)的樣值是否能描繪出波形為止，隨后，數(shù)字示波器重構(gòu)波形。ADC位數(shù)決定示波器最小檢測(cè)到的電平信號(hào)（垂直維度）。每個(gè)賣(mài)示波器的廠都是從做ADC開(kāi)始的，貴的原因同樣就是設(shè)計(jì)難，還不外銷(xiāo)，量極少。
濾波器的重要性
奈奎斯特頻率（Nyquist頻率）是離散信號(hào)系統(tǒng)采樣頻率的一半，因哈里·奈奎斯特（HarryNyquist）或奈奎斯特－香農(nóng)采樣定理得名。采樣定理指出，只要離散系統(tǒng)的奈奎斯特頻率高于被采樣信號(hào)的最高頻率或帶寬，就可以避免混疊現(xiàn)象。
從理論上說(shuō)，即使奈奎斯特頻率恰好大于信號(hào)帶寬（但不可相等），也足以通過(guò)信號(hào)的采樣重建原信號(hào)。但是，重建信號(hào)的過(guò)程需要以一個(gè)低通濾波器或者帶通濾波器將在奈奎斯特頻率之上的高頻分量全部濾除，同時(shí)還要保證原信號(hào)中頻率在奈奎斯特頻率以下的分量不發(fā)生畸變，而這是不可能實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證抗混疊濾波器的性能，接近奈奎斯特頻率的分量在采樣和信號(hào)重建的過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生畸變。因此實(shí)際應(yīng)用中信號(hào)帶寬并不能無(wú)限接近奈奎斯特頻率，具體的情況要看所使用的濾波器的性能。
采樣率與頻率響應(yīng)的關(guān)系
這個(gè)濾波器要有好看的頻響曲線(xiàn)，還要很精密的且難實(shí)現(xiàn)的，高速的前端當(dāng)然貴。
Keysight的Infiniium UXR系列實(shí)時(shí)示波器提供了13至110 GHz的實(shí)時(shí)帶寬，10位ADC和優(yōu)異的ENOB性能，以及超低本底噪聲和抖動(dòng)，這些高性能參數(shù)保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性，但同時(shí)也增加了制造成本。那么，價(jià)值百萬(wàn)的示波器到底是什么樣子的？下面這就是Keysight Infiniium UXR 系列實(shí)時(shí)示波器圖片。
Keysight Infiniium UXR 系列實(shí)時(shí)示波器（原安捷倫示波器）
■ 提供13至110 GHz 實(shí)時(shí)帶寬，實(shí)現(xiàn)下一代的技術(shù)突破
■ 提供高分辨率10位模擬ADC數(shù)字轉(zhuǎn)換器和優(yōu)異的ENOB性能，支持更高階的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)
■ 本底噪聲超低，噪聲小于 1 mVrms，使您可以觀察信號(hào)的真實(shí)特征
■ 超低抖動(dòng)，固有抖動(dòng)小于 25 fs（rms），通道間抖動(dòng)小于 10 fs（rms）
■ 在一個(gè)儀器中提供 4 個(gè)全帶寬通道，降低雙偏振相干調(diào)制的計(jì)時(shí)誤差
■ 業(yè)內(nèi)超級(jí)精確的實(shí)時(shí)示波器
■ Keysight Infiniium UXR 系列實(shí)時(shí)示波器超高性能，可以提供更高的可視性、更高的精度以及更快的測(cè)試速度
終極的采集處理 - Infiniium示波器界面
對(duì)于價(jià)值百萬(wàn)的是德科技的示波器大家的評(píng)價(jià)是：
"人類(lèi)科技智慧的結(jié)晶，這才是物有所值”
"有幸用過(guò)一臺(tái)貴司千萬(wàn)級(jí)的示波器，當(dāng)時(shí)搬的時(shí)候感覺(jué)搬了好幾套房子，要是弄壞了給公司打一輩子工都賠不起"
聲明：
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