现代数字存储示波器的工作原理

示波器是一种应用广泛的电子测量仪器。俗话说，电是看不见摸不着的。但示波器可以帮助我们看到电信号，方便人们研究各种电现象的变化过程。因此，示波器的核心功能，就像他的名字一样，是显示电信号波形的仪器，供工程师查找定位问题或评估系统性能等。

波形有很多定义，比如时域或频域的波形。对于示波器，大多数时候测量电压随时间的变化，即时域的波形。因此，示波器可以分析被测点电压的变化，广泛应用于各种电子行业和领域。

一般来说，我国示波器的分类仅根据模拟示波器和数字示波器进行分类。一些制造商可能会将其命名为其他名称，以突出其示波器的功能，如数字荧光示波器。但其本质原理仍然无法逃脱这两类示波器。

模拟示波器是一种早期示波器，主要基于阴极射线管（又称显像管，广泛应用于早期电视和显示器）。电子束通过水平偏转和垂直偏转系统在屏幕荧光物质上显示波形。

然而，到目前为止，模拟示波器的剩余优势似乎只有价格。它没有存储数据和分析波形的能力，触发功能有限，捕获单次和偶尔信号的能力不好。而且由于内部使用了大量的模拟器件，这些器件会随着时间和温度的变化而变化，所以性能不稳定。模拟示波器在现代电子测量中几乎被淘汰，所以我们今天主要讨论AO7413数字示波器。

由于显示技术的限制，早期的数字示波器仍然使用模拟示波器上的CRT(CathodeRayTube，阴极射线管)显示屏。数字示波器与模拟示波器的最大区别在于，输入的信号不再直接击中显示屏，而是通过ADC(AnalogtoDigitalConverter，模数转换器)对信号进行采样和数字处理，然后存储在高速缓存中，然后通过信号处理电路读取数据。

由于早期的数字示波器使用CRT显示，因此需要通过DAC数模转换器将数字转换为模拟显示器。大多数现代数字示波器不再使用CRT显示屏，而是使用液晶显示屏，这不仅大大降低了体积，而且提供了更方便的触摸功能，不再需要将数字采样点转换为模拟信号。由于两者在功能结构上没有本质区别，行业内一般没有CRT示波器和LCD示波器的名称。

数字示波器通常被称为数字存储示波器，因为数字示波器的重要组成部分是存储ADC收集的数据。通过麦科信STO1104C智能示波器主板直观了解现代数字示波器数据采集的主要过程：

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①信号通过探头衰减成适当比例送入示波器前端。示波器能测量多少电压一般取决于探头，探头可以通过衰减将数万伏的电压信号变成几十伏。

②信号通过耦合电路到达前衰减器和放大器。示波器软件表现为调整垂直齿轮，使波形尽可能覆盖整个屏幕，从而提高垂直精度，使测量更加准确。示波器的第一个指标是前端部分：带宽。

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③ARM处理器控制FPGA调整ADC模数转换器的采样率。示波器软件显示调整时基。由于存储深度为固定值，采样率=存储深度÷波形记录时间，通常通过改变采样率来实现时基设置的变化。因此，制造商标记的采样率通常在特定的时基设置下有效。由于存储深度的影响，采样率必须降低。ADC模数转换器和RAM高速存储器影响示波器的另外两个指标：采样率和存储深度。

④接下来，FPGA驱动ADC同步采样，ADC将采集到的数据进行二进制数据化，并写入高速缓存。存储器缓存是存储深度。一般来说，存储器的大小是示波器识别存储深度的四倍。由于FPGA无法控制示波器的触发，收集的信号必须是识别存储深度的两倍，然后根据触发筛选一个波形，因此示波器可以在触发位置之前看到波形。由于示波器在筛选前采集的波形时不能停止采集，否则会导致波形捕获率过低，因此需要继续采集相同长度的采样点，这是重复的四倍。

⑤收到触发指令后，存储器将数据交给ARM处理器进行处理。

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⑥ARM处理器通过显示接口将数据输出到显示屏显示给用户。通过计算，示波器还可以模拟类似模拟示波器的多级辉度显示，以及数字示波器独特的色温显示效果和余晖显示效果。

⑦示波器处理数据后，可以将当前的波形图像或数据存储在存储器中。需要注意的是，这里的存储与存储深度的高速存储缓慢完全不同。大多数示波器使用U盘、SD卡、计算机等外部存储器。现在一些现代示波器会内置大存储，可以直接存储在示波器中。

在此过程中，②③④均并行处理。

由于数字示波器处理速度的限制，不能保证被测信号的波形能够连续实时地显示在屏幕上。显示的两个波形之间会有波形数据丢失，即死区时间，这也是数字示波器与模拟示波器相比的最大缺点。然而，随着示波器计算能力的提高和波形捕获率的上升，这一缺点正在慢慢得到弥补。