示波器的发展史

鸣涧

示波器的发展史

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。

本文转载自知乎，作者膜人的小妖精和MIKA。