示波器发展历史:一次与模拟的告别

2016-07-26 14:30:00
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        模拟示波器向数字示波器的转变,只花了10年时间。

       

        1980至1990年是模拟示波器向数字示波器转变的过渡期。HP花了10年时间,改变了示波器的定义和设计。在1983年之后,HP再没推出过任何新的模拟示波器。也正是这一年,第一款基于计算机架构的示波器,HP1980被正式推出(同时期发生在机算机领域的大事有,Intel推出80286CPU以及苹果推出了第一台图形化界面的计算机Lisa),虽然HP1980还不是一台数字采样示波器,但是它可以编程控制,为系统应用而设计,打开了现代示波器的大门。

        

        HP1745A是HP历史上最后一款模拟示波器

       

        最后的模拟示波器

       

        最后两款模拟示波器在1983年HP的产品目录中进行了介绍。1745A和1746A都是1740A双踪示波器的小改款。

        1745A就是1740A加了一块大的CRT显示屏。同时推出的1746A,增加了双marker功能,可以更准确测量两个marker之间的时间间隔。如果选了数字电压表选件,时间间隔的测量结果可以直接以数字的形式显示出来。所有其他的规格与HP1740A完全一样,最高可以到100MHz带宽,这是当时主流模拟示波器的配置。

        

        HP1980是第一款采用计算机架构设计的示波器

       

        HP1980开始的革命

       

        奠定现代示波器架构的产品是HP1980,它所带来的一些技术创新,在今天仍然是现代示波器体架构的核心。ZvonkoFazarinc是HP1980的产品负责人,同时也是大名鼎鼎的HPLabs科学家。(HPLabs是HP的机密实验室,只有200人左右,却花费HP总研发成本的20%,专门为各个产品线的重要产品提供创新技术)

        与其他仪器不同,HP在示波器市场一直很被动(据说触发功能一直有问题)。Tektronix才是这一市场的主宰,从1947年推出第一款示波器开始,一直遥遥领先。BillHewlett和DavePackard一度不愿进入这个市场,在没有任何创新的情况下跟在别人后面做一款MeToo产品让他们觉得没有意义。

        但随着示波器市场的扩大,1956年HP的创始人终于坐不住了(有关HP为什么进入示波器市场是另外一个故事,以后有机会再讲)。《惠普之道》一书中写道,HP的第一款示波器HP150不太不可靠,一直到1980年,HP示波器的市场占有率可能只有15%左右。

        为了扭转示波器的落后局面,Zvonko和工程师们被要求针对示波器做一些创新。不过当时的ADC技术还太烂,没办法一下子做出100MHz带宽的数字示波器。HP当时的计算机业务发展很好,他们想也许可以将传统示波器设计成计算机架构,做一个由数字量控制的模拟示波器。它具备一定的数字自校准能力和可编程功能。而当时的传统示波器完全依靠旋钮产生的模拟量控制,而且不具备编程控制

        他们同时重新设计了UI,比如用更多的数字按键代替旋钮,同时用数字屏幕显示设置值。经过一系列的修改后,原型机被拿给BillHewlett看,当即得到了老大的认可。Bill希望在一年之内看到原型机,但他们花了整整3年时间才推出HP1980。

        HP1980的推出是具备历史意义的。虽然指标上与传统的100MHz双通道模拟示波器没什么区别,但它自带CPU(intel8085,8bitCPU,最高主频6MHz)和操作系统,使用了17块自己设计的IC芯片混合处理模拟和数字电路,实现了观察,测量,数据读取的自动化,第一次为示波器加入了HP-IB接口,允许通过程序控制示波器完成复杂的测量。这时Packard先生才敢说HP示波器有了可以跟Tek较量的资本

        HP1980是第一款在架构上由CPU控制的示波器,带有8个功能模块,与今天示波器的内部结构一致

        HP1980的数字电路板和HP-IB接口板。可以看到大量的IC芯片已经运用在电路中

       

        数字化仪的出现

       

        

        数字化仪

        因为80年代ADC能力不足,计算机处理能力太差,以及内存芯片价格昂贵,HP在1983年还无力推出价格合理的数字示波器,所以他们使用了变通的方式推出一种新品类的仪器:数字波形记录仪。它结合了存储示波器和数字电压表的功能,使用ADC将捕捉到的模拟波形数字化并保存下来。

        数字波形记录仪有一个很好的特点,就是能记录触发信号之前的波形。这得益于它的数字化设计,采样数据一直源源不断的进入内存中,并与触发电平进行比较,符合触发条件的部分(前后的数据)都可以直接被保留下来。这是传统示波器无法做到的事情。

        另外被采样下来的波形还可以在CRT显示屏上复现出来,波形还可以局部放大,数据能被保存在磁盘中。这些现在看起来理所应当的功能在当时都是重要的创新。

        HP5180A的采样速率是20MSa/s,10bit分辨率,存储深度16K(基本上是一台高速三位半数字电压表)。触发电平可以精确的使用数字设置,能够实现电平触发或者外部信号触发。在5180A推出后,HP还要还要再等5年时间,才能看到250MS/s采样率(对应100MHz带宽)的ADC芯片。

        盼星星盼月亮,随着芯片技术的发展,1988年终于出现了250MSa/s采样的,8bit分辨率的ADC芯片。

        作为台式仪器的5183/5185波形记录仪,可以配合显示器成为台式仪器供研发工程师使用,也可以去掉显示器,作为高速数采在自动测试系统里使用,节省测试系统空间。

        为了更好的应对系统测试需求,1986年推出的模块化仪器系统HP70000系 列,同时包含时域信号分析和频域信号分析模块,可以组成复杂的测试系统。沿着这一方向,HP的模块化仪器逐渐成为一个独立的产品系列。后来发展出的VXI模块化测试系统,将模块化仪器的概念进一步强化,并出现了VXI板卡式的示波器。

       

        真正的数字示波器

       

        

        而第一款真正意义上的数字通用示波器,是HP54500,已经非常具有现代示波器的样子。它推出的时候已经到了1990年。4通道100MHz带宽,完全可编程操作,价格是3465美元。

        HP54600是1992年推出的100MHz数字示波器。在HPJournal1992年2月期刊上,用了大半本介绍这款产品。它使用了Motorola的68000CPU(16/32bit,最高主频16.6MHz),另外还有HP自己设计的ADC和波形处理芯片。还加入了FFT计算,可以将时域信号转变为频域显示。这是在这个价位的示波器上首次出现的功能。

        随着数字技术的发展,在1992年,HP第一次可以在示波器广告中使用了这样的宣传口号:模拟的感受,数字的性能。在推出HP54600系列之后,100MHz数字示波器的成本已经与一台100MHz模拟示波器,比如HP1741A差不多了。伴随这种戏剧性的突破,HP1741A成为HP历史上最后一款模拟示波器产品,数字示波器的时代正式开启。之后没过几年HP推出里自己的MegaZoom芯片,进一步提高了数字示波器的综合性能,自此世界与模拟示波器彻底告别。

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updated: 2020-09-20 00:30:43