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公司新闻

数字示波器寻源录 | 仪器行业中浪访谈(上)
2021-03-31
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“科学源于测量,没有测量,就没有严谨的科学。”——门捷列夫



1、测量的科学观


科学总是探索和解读客观世界的新现象,研究和掌握新规律,总是在不懈地追求真理。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,科学研究又是充满创造性的。科学,尤其是自然科学,其最重要的目标之一,就是追寻自然界运行的最本质

的规律。科学的这种不懈追求精神,是人类进步的一种最基本的动力源泉。


哲学早于科学,很多哲学思辨后来被科学测量取代。“现代化学之父”拉瓦锡有一个信条:“必须用天平进行精确测定来确定真理。”

在研究燃烧等一系列的化学反应过程中,拉瓦锡通过定量实验证实了极其重要的质量守恒定律。质量守恒定律奠定了化学发展的基础。


科学源于测量,从观测微观的纳米尺度到宏观的宇宙大小,从弱相互作用力到引力波测量,从质量到能量、时间到空间,测量无所

不在。测量的进步就是科学的进步,测量能力决定科学研究高度。



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图1:安托万·拉瓦锡,法国著名化学家、生物学家,被后世称为"现代化学之父"。


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图2:在研究“燃烧”的一系列实验中,拉瓦锡通过精确的测量,发现物质虽然在一系列化学反应中改变了状态,

但参与反应的物质的总量在反应前后都是相同的。这便是化学反应的基本定律——质量守恒定律


科学是从定量的观察和实验发展出来的,衡量一个目标的多少、大小,最关键的动作就是测量。测量科学的先驱凯尔文说“一个事

物你如果能够测量它, 并且能用数字来表达它,你对它就有了深刻的了解,但如果你不知道如何测量它,且不能用数字表达它,那么你的知

识可能就是贫瘠的,是不令人满意的。”测量是知识的起点,也是进入科学殿堂的开端。测量的边界就是客观世界的边界,测量的准确

就是对“存在”最严谨的定义。我们对世界的认识是由可量化的实验与测量推进的,而测量在认知世界时更具有本源性方向。任何科

学理论都得从“可测量”开始,是各种可量化的科学模型与科学实验构建了我们的世界观。测量就是科学的世界观。



2、数字示波器“鸿蒙初辟”


电子测试测量仪器是电子工程师进行产品设计和验证不可或缺的工具,示波器作为其中最核心的一员,一直见证和推动着电子测试

测量行业的发展。


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图3:数字示波器里程碑产品编年史


我们从一切的起源——晶体管开始讲起。


电子工业大约始于一个世纪之前,无线电电台和雷达这两种代表性产品,在第二次世界大战期间通信中发挥了重要作用。早期的电

子系统采用了“真空管”,即在真空室中控制极板板间的电子流动实现信号处理功能的器件。然而,真空管使用寿命短、体积大、

功耗高,研究人员继续不断寻求具有更好性能的电子器件。第一个晶体管是在20世纪40年代发明的,它的使用寿命非常长,并且体

积要小得多。晶体管出现后迅速取代了真空管。


直到20世纪60年代,微电子学,即研究和制造微米和亚微米尺度电路的科学开始发展,工程师们将由多个微型晶体管和无源元件

组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并且提高了性能。20世纪70年代,高速ADC技术以及数

字处理技术的发展,为数字示波器的发展奠定了基础。


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图4:早期的真空管(左)、世界上第一个锗晶体管(右)


1971年,LeCroy(力科)制造了世界上第一台实时数字示波器——WD 2000,具有100MHz带宽。值得一提的是,这台示波器

仅用1ns的时间就收集了20个信号样本,换句话说,LeCroy早在上世纪70年代就实现了1GSa/s采样率,领先了行业20年!


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图5: LeCroy-WD2000,将实时ADC、存储器、显示器集成到一个盒子中的波形数字化仪,是世界上第一台实时数字示波器。


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图6: LeCroy-WD2000的心脏-数据采集板(这是基于LeCroy应用于核物理采集卡中的电流采样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,开始了其对于数字示波器的探索之旅。


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图7:HP-HP54501A(左)、Tektronix-TDS500(右)


早期的数字示波器仍然使用CRT显示屏,其与模拟示波器的不同在于对被测信号的处理方式。得益于集成电路(IC)技术的发展,

数字示波器使用宽带放大器、高速ADC(Analog to Digital Converter,模数转换器)、存储器(Memory)对输入信号进行调

理、采样、量化、存储和显示等一系列处理,实现了模拟示波器所不具备的更高带宽和波形存储回放能力。


集成电路(IC)实现这些功能的核心。所谓IC,就是利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,并连接成可实现特定电路功能的器件。


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图8: 1947年在贝尔实验室(Bell Labs)诞生的世界上第一个锗晶体管(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用几根凌乱的导线将五个均由半导体材料制成的电子元件连接在一起,就形成了

世界上第一个集成电路,这是集成电路技术的历史性一步。


随后,集成电路技术迅速发展,1965年Intel公司戈登·摩尔提出摩尔定律(Moore’s Law),预测单位面积上集成的晶体管数量

每18个月提高一倍。1971年,Intel®(英特尔)发布了全球第一个微处理器4004,一个由2300个晶体管组成的集成电路,与世

界上第一台数字示波器同年诞生。


到了20世纪70年代末,64KB动态随机存储器诞生,不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管,标志着超大规模集成电路

(VLSI)时代的来临。


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图9:世界上第一块集成电路板(左)、Intel®4004微处理器(右)


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图10: Intel®联合创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore),于1965年提出了摩尔定律:

集成电路上单位面积可以容纳的晶体管数目大约每经过18个月便会增加一倍


芯片中晶体管数量的剧增得益于工艺制程的进步。半导体工艺制程是指集成电路产业晶圆制造中最为顶尖的若干个工艺节点,随

着时间不断演变升级。根据国际半导体技术线路图(ITRS)的规定,制程节点代数通常以晶体管的半节距或栅极长度等特征尺寸

来表示,以衡量集成电路的工艺水平。


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图11:集成电路制程节点演进


为了实现更高的测量带宽,相比于电脑CPU等芯片而言,数字示波器芯片更关心半导体工艺的速度,而不仅是晶体管密度。通常

工艺的速度用晶体管截止频率(fT )来衡量,它是晶体管电流增益下降到1倍的边界频率。随着半导体加工工艺精细程度的提高,

SiGe、InP等高电子迁移率半导体材料的使用,器件结构的持续革新,使得芯片上晶体管截止频率不断攀升,这也为高带宽示波

器的研制创造了条件。


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图12:fT 工艺节点演进


随着半导体制造工艺的进步,相同面积的芯片上可安放元件越来越多,集成电路的集成度也大大提高,促使数字示波器的芯片性

能越来越强大。作为电子测量领域最广泛使用的测量工具,现代的示波器已经是一套非常复杂的信号采集和处理显示系统,也是

工程师做电路调试分析的有效工具。



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。此后,这两项指标成为了各个厂商争相追逐的目标,数字示波器行业“百家争鸣”的时代就此到来。


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图13:LeCroy-LC584/LC684


此后,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,一直占据着当时的行业领军地位。直到2002年,蛰伏数年,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系列数字示波器打破了这一局面。其于2004年问世的DSO80000B系列产品以13GHz带宽,40GSa/s

采样率引领了数字示波器向10GHz+带宽方向发展。


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


你方唱罢我登场,这期间各家公司陆续推出代表着自己最高技术的产品,争夺行业王座。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。而后的近十年,LeCroy不停地更新换代,从WaveMaster

系列到LabMaster系列,其高带宽实时示波器的带宽已经达到了100GHz,采样率也达到了240GSa/s,在测试测量行业中占据了一席之地。


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


目前市场上高端数字示波器的发展趋势在于其带宽、采样率在朝更高方向攀越。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)公司不断创新,在2018年发布的具有110GHz带宽和256GSa/s采样率的UXR系列数

字示波器代表着目前行业的最高水准。


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


近些年来,随着通信、消费、存储、云计算、物联网等领域的发展,对速度和带宽密集型应用的要求不断提高,信号速率也在

快速提升。这对数字示波器等测量仪器的性能需求更为苛刻,带宽的高低直接决定了能够测量到的信号速率上限以及被测信号

的真实性,高带宽实时数字示波器的出现成为必然。“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

试测量行业先行者们,还是一些后起之秀,都在用他们的智慧不断创新、追逐突破,满足电子行业快速变化带来的高要求测量

需求。


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图17:数字示波器带宽突破


对于从事电子行业的研发、设计、制造、维护人员来说,数字示波器是一个不可或缺的工具。然而,数字示波器的用途并不局

限在电子领域。在安装合适的传感器时,数字示波器也可以测量各种非电学量。传感器是将被测量(如声音、机械压力、压强、

光线或热量)转换为电信号的装置,比如麦克风就是将声音转换为电信号的传感器。汽车工程师使用数字示波器将传感器发来

的模拟数据与引擎控制单元的串行数据关联起来;医疗研究员使用数字示波器来测量脑波……从物理学家到维修技术人员,从

工业类电子到消费类电子,数字示波器可供各行各业各类人员使用。


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图18:数字示波器在各行业的应用


从1971年数字示波器问世至今,示波器产品技术不断更新换代,小到前端模拟运放,大到核心信号处理芯片组,无一不是几代

人积累下来的测量成果。然而,与这些行业顶尖产品工艺进行对比,我国的测试测量仪器依然有着明显的差距。模拟高速芯片

工艺、微组装工艺,高性能的模拟数字转换芯片(ADC)以及高效的算法等等都是国人需要努力追赶的方向。


随着国家科技实力的发展,5G和新能源技术不断地进步,而测量的进步,正是国家科技研究提升的基础。

“博观而约取,厚积而薄发”,中国也涌现出一些优秀的电子测量仪器生产厂家,坚信通过我们的硬核科技创新、核心技术

突破,必将推进中国测试测量行业的蓬勃发展,进而成就中国科技探索的无限可能







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