數(shù)字示波器尋源錄 | 儀器行業(yè)中浪訪談（上）

“科學(xué)源于測量，沒有測量，就沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)。”——門捷列夫

1、測量的科學(xué)觀

科學(xué)總是探索和解讀客觀世界的新現(xiàn)象，研究和掌握新規(guī)律，總是在不懈地追求真理?？茖W(xué)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、客觀的、可重復(fù)的、可量化的、實(shí)事求是的，與此同時(shí)，科學(xué)研究又是充滿創(chuàng)造性的?？茖W(xué)，尤其是自然科學(xué)，其最重要的目標(biāo)之一，就是追尋自然界運(yùn)行的最本質(zhì)的規(guī)律?？茖W(xué)的這種不懈追求精神，是人類進(jìn)步的一種最基本的動力源泉。

哲學(xué)早于科學(xué)，很多哲學(xué)思辨后來被科學(xué)測量取代。“現(xiàn)代化學(xué)之父”拉瓦錫有一個(gè)信條：“必須用天平進(jìn)行精確測定來確定真理。”在研究燃燒等一系列的化學(xué)反應(yīng)過程中，拉瓦錫通過定量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了極其重要的質(zhì)量守恒定律。質(zhì)量守恒定律奠定了化學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。

科學(xué)源于測量，從觀測微觀的納米尺度到宏觀的宇宙大小，從弱相互作用力到引力波測量，從質(zhì)量到能量、時(shí)間到空間，測量無所不在。測量的進(jìn)步就是科學(xué)的進(jìn)步，測量能力決定科學(xué)研究高度。

圖1：安托萬·拉瓦錫，法國著名化學(xué)家、生物學(xué)家，被后世稱為"現(xiàn)代化學(xué)之父"。

圖2：在研究“燃燒”的一系列實(shí)驗(yàn)中，拉瓦錫通過精確的測量，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)雖然在一系列化學(xué)反應(yīng)中改變了狀態(tài)，但參與反應(yīng)的物質(zhì)的總量在反應(yīng)前后都是相同的。這便是化學(xué)反應(yīng)的基本定律——質(zhì)量守恒定律

科學(xué)是從定量的觀察和實(shí)驗(yàn)發(fā)展出來的，衡量一個(gè)目標(biāo)的多少、大小，最關(guān)鍵的動作就是測量。測量科學(xué)的先驅(qū)凱爾文說“一個(gè)事物你如果能夠測量它, 并且能用數(shù)字來表達(dá)它,你對它就有了深刻的了解,但如果你不知道如何測量它,且不能用數(shù)字表達(dá)它,那么你的知識可能就是貧瘠的,是不令人滿意的。”測量是知識的起點(diǎn),也是進(jìn)入科學(xué)殿堂的開端。測量的邊界就是客觀世界的邊界，測量的準(zhǔn)確就是對“存在”最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x。我們對世界的認(rèn)識是由可量化的實(shí)驗(yàn)與測量推進(jìn)的，而測量在認(rèn)知世界時(shí)更具有本源性方向。任何科學(xué)理論都得從“可測量”開始，是各種可量化的科學(xué)模型與科學(xué)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了我們的世界觀。測量就是科學(xué)的世界觀。

2、數(shù)字示波器“鴻蒙初辟”

電子測試測量儀器是電子工程師進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)證不可或缺的工具，示波器作為其中最核心的一員，一直見證和推動著電子測試測量行業(yè)的發(fā)展。

圖3：數(shù)字示波器里程碑產(chǎn)品編年史

我們從一切的起源——晶體管開始講起。

電子工業(yè)大約始于一個(gè)世紀(jì)之前，無線電電臺和雷達(dá)這兩種代表性產(chǎn)品，在第二次世界大戰(zhàn)期間通信中發(fā)揮了重要作用。早期的電子系統(tǒng)采用了“真空管”，即在真空室中控制極板板間的電子流動實(shí)現(xiàn)信號處理功能的器件。然而，真空管使用壽命短、體積大、功耗高，研究人員繼續(xù)不斷尋求具有更好性能的電子器件。第一個(gè)晶體管是在20世紀(jì)40年代發(fā)明的，它的使用壽命非常長，并且體積要小得多。晶體管出現(xiàn)后迅速取代了真空管。

直到20世紀(jì)60年代，微電子學(xué)，即研究和制造微米和亞微米尺度電路的科學(xué)開始發(fā)展，工程師們將由多個(gè)微型晶體管和無源元件組成的電路集成在單個(gè)半導(dǎo)體襯底上制成集成電路，大幅縮小了電路體積并且提高了性能。20世紀(jì)70年代，高速ADC技術(shù)以及數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)字示波器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖4：早期的真空管（左）、世界上第一個(gè)鍺晶體管（右）

1971年，LeCroy（力科）制造了世界上第一臺實(shí)時(shí)數(shù)字示波器——WD 2000，具有100MHz帶寬。值得一提的是，這臺示波器僅用1ns的時(shí)間就收集了20個(gè)信號樣本，換句話說，LeCroy早在上世紀(jì)70年代就實(shí)現(xiàn)了1GSa/s采樣率，領(lǐng)先了行業(yè)20年！

圖5： LeCroy-WD2000，將實(shí)時(shí)ADC、存儲器、顯示器集成到一個(gè)盒子中的波形數(shù)字化儀，是世界上第一臺實(shí)時(shí)數(shù)字示波器。

圖6： LeCroy-WD2000的心臟-數(shù)據(jù)采集板（這是基于LeCroy應(yīng)用于核物理采集卡中的電流采樣ADC而研發(fā)出來的）

18年后，另一家電子科技電子公司Hewlett-Packard（惠普，HP）也推出了其第一款同樣具有100MHz帶寬的數(shù)字示波器。不久后，在1992年，Tektronix（泰克）以500MHz帶寬，1GSa/s采樣率，開始了其對于數(shù)字示波器的探索之旅。

圖7：HP-HP54501A（左）、Tektronix-TDS500（右）

早期的數(shù)字示波器仍然使用CRT顯示屏，其與模擬示波器的不同在于對被測信號的處理方式。得益于集成電路（IC）技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字示波器使用寬帶放大器、高速ADC（Analog to Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、存儲器（Memory）對輸入信號進(jìn)行調(diào)理、采樣、量化、存儲和顯示等一系列處理，實(shí)現(xiàn)了模擬示波器所不具備的更高帶寬和波形存儲回放能力。

集成電路（IC）實(shí)現(xiàn)這些功能的核心。所謂IC，就是利用半導(dǎo)體工藝在單個(gè)半導(dǎo)體襯底上制作多個(gè)二極管、三極管及電阻、電容等元器件件，并連接成可實(shí)現(xiàn)特定電路功能的器件。

圖8： 1947年在貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）誕生的世界上第一個(gè)鍺晶體管（左）、1954年美國德州儀器（Texas Instruments）制造的二極管（中）、1961年美國仙童公司（(Fairchild）制造的MOSFET（右）

1958年，一位德州儀器公司的工程師Jack Kilby用幾根凌亂的導(dǎo)線將五個(gè)均由半導(dǎo)體材料制成的電子元件連接在一起，就形成了世界上第一個(gè)集成電路，這是集成電路技術(shù)的歷史性一步。

隨后，集成電路技術(shù)迅速發(fā)展，1965年Intel公司戈登·摩爾提出摩爾定律（Moore’s Law），預(yù)測單位面積上集成的晶體管數(shù)量每18個(gè)月提高一倍。1971年，Intel®（英特爾）發(fā)布了全球第一個(gè)微處理器4004，一個(gè)由2300個(gè)晶體管組成的集成電路，與世界上第一臺數(shù)字示波器同年誕生。

到了20世紀(jì)70年代末，64KB動態(tài)隨機(jī)存儲器誕生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14萬個(gè)晶體管，標(biāo)志著超大規(guī)模集成電路（VLSI）時(shí)代的來臨。

圖9：世界上第一塊集成電路板（左）、Intel®4004微處理器（右）

圖10： Intel®聯(lián)合創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore），于1965年提出了摩爾定律：集成電路上單位面積可以容納的晶體管數(shù)目大約每經(jīng)過18個(gè)月便會增加一倍

芯片中晶體管數(shù)量的劇增得益于工藝制程的進(jìn)步。半導(dǎo)體工藝制程是指集成電路產(chǎn)業(yè)晶圓制造中最為頂尖的若干個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)，隨著時(shí)間不斷演變升級。根據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)線路圖（ITRS）的規(guī)定，制程節(jié)點(diǎn)代數(shù)通常以晶體管的半節(jié)距或柵極長度等特征尺寸來表示，以衡量集成電路的工藝水平。

圖11：集成電路制程節(jié)點(diǎn)演進(jìn)

為了實(shí)現(xiàn)更高的測量帶寬，相比于電腦CPU等芯片而言，數(shù)字示波器芯片更關(guān)心半導(dǎo)體工藝的速度，而不僅是晶體管密度。通常工藝的速度用晶體管截止頻率（fT ）來衡量，它是晶體管電流增益下降到1倍的邊界頻率。隨著半導(dǎo)體加工工藝精細(xì)程度的提高，SiGe、InP等高電子遷移率半導(dǎo)體材料的使用，器件結(jié)構(gòu)的持續(xù)革新，使得芯片上晶體管截止頻率不斷攀升，這也為高帶寬示波器的研制創(chuàng)造了條件。

圖12：fT 工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn)

隨著半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步，相同面積的芯片上可安放元件越來越多，集成電路的集成度也大大提高，促使數(shù)字示波器的芯片性能越來越強(qiáng)大。作為電子測量領(lǐng)域最廣泛使用的測量工具，現(xiàn)代的示波器已經(jīng)是一套非常復(fù)雜的信號采集和處理顯示系統(tǒng)，也是工程師做電路調(diào)試分析的有效工具。

3、數(shù)字示波器“百家爭鳴”

1996年，LeCroy推出了擁有最高1.5GHz帶寬，8GSa/s采樣率的數(shù)字示波器系列LC584/LC684，拉開了高帶寬、高采樣率的高性能數(shù)字示波器的序幕。此后，這兩項(xiàng)指標(biāo)成為了各個(gè)廠商爭相追逐的目標(biāo)，數(shù)字示波器行業(yè)“百家爭鳴”的時(shí)代就此到來。

圖13：LeCroy-LC584/LC684

此后，Tektronix分別于1998年和2000年推出了具有最高2GHz帶寬的TDS500D/TDS700D和具有4GHz帶寬的TDS7000系列數(shù)字示波器，一直占據(jù)著當(dāng)時(shí)的行業(yè)領(lǐng)軍地位。直到2002年，蟄伏數(shù)年，已從HP拆分出的Agilent（安捷倫）公司推出的最高7GHz帶寬，20GSa/s采樣率的54850系列數(shù)字示波器打破了這一局面。其于2004年問世的DSO80000B系列產(chǎn)品以13GHz帶寬，40GSa/s采樣率引領(lǐng)了數(shù)字示波器向10GHz+帶寬方向發(fā)展。

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

你方唱罷我登場，這期間各家公司陸續(xù)推出代表著自己最高技術(shù)的產(chǎn)品，爭奪行業(yè)王座。到了2009年，LeCroy公司新推出WaveMaster 8 Zi系列，提供了高達(dá)45GHz的帶寬，120GSa/s的采樣率。而后的近十年，LeCroy不停地更新?lián)Q代，從WaveMaster系列到LabMaster系列，其高帶寬實(shí)時(shí)示波器的帶寬已經(jīng)達(dá)到了100GHz，采樣率也達(dá)到了240GSa/s，在測試測量行業(yè)中占據(jù)了一席之地。 

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

目前市場上高端數(shù)字示波器的發(fā)展趨勢在于其帶寬、采樣率在朝更高方向攀越。除了上文提到的LeCroy，作為行業(yè)領(lǐng)軍者的Tektronix也在2015年推出了其最高性能的DPO70000SX系列數(shù)字示波器（70GHz帶寬，200GSa/s采樣率）；而Keysight（是德科技，于2013年從Agilent拆分）公司不斷創(chuàng)新，在2018年發(fā)布的具有110GHz帶寬和256GSa/s采樣率的UXR系列數(shù)字示波器代表著目前行業(yè)的最高水準(zhǔn)。

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

近些年來，隨著通信、消費(fèi)、存儲、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展，對速度和帶寬密集型應(yīng)用的要求不斷提高，信號速率也在快速提升。這對數(shù)字示波器等測量儀器的性能需求更為苛刻，帶寬的高低直接決定了能夠測量到的信號速率上限以及被測信號的真實(shí)性，高帶寬實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的出現(xiàn)成為必然。“凡諸子百家，蜂出并作，各引一端，崇其所善”。無論是上文提到的測試測量行業(yè)先行者們，還是一些后起之秀，都在用他們的智慧不斷創(chuàng)新、追逐突破，滿足電子行業(yè)快速變化帶來的高要求測量需求。

圖17：數(shù)字示波器帶寬突破

對于從事電子行業(yè)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)人員來說，數(shù)字示波器是一個(gè)不可或缺的工具。然而，數(shù)字示波器的用途并不局限在電子領(lǐng)域。在安裝合適的傳感器時(shí)，數(shù)字示波器也可以測量各種非電學(xué)量。傳感器是將被測量（如聲音、機(jī)械壓力、壓強(qiáng)、光線或熱量）轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，比如麥克風(fēng)就是將聲音轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。汽車工程師使用數(shù)字示波器將傳感器發(fā)來的模擬數(shù)據(jù)與引擎控制單元的串行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來；醫(yī)療研究員使用數(shù)字示波器來測量腦波……從物理學(xué)家到維修技術(shù)人員，從工業(yè)類電子到消費(fèi)類電子，從教育實(shí)驗(yàn)到航空航天，數(shù)字示波器可供各行各業(yè)各類人員使用。

圖18：數(shù)字示波器在各行業(yè)的應(yīng)用

從1971年數(shù)字示波器問世至今，示波器產(chǎn)品技術(shù)不斷更新?lián)Q代，小到前端模擬運(yùn)放，大到核心信號處理芯片組，無一不是幾代人積累下來的測量成果。然而，與這些行業(yè)頂尖產(chǎn)品工藝進(jìn)行對比，我國的測試測量儀器依然有著明顯的差距。模擬高速芯片工藝、微組裝工藝，高性能的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片（ADC）以及高效的算法等等都是國人需要努力追趕的方向。

隨著國家科技實(shí)力的發(fā)展，航空航天、國防、5G和新能源技術(shù)不斷地進(jìn)步，而測量的進(jìn)步，正是國家科技研究提升的基礎(chǔ)。“博觀而約取，厚積而薄發(fā)”，中國也涌現(xiàn)出一些優(yōu)秀的電子測量儀器生產(chǎn)廠家，堅(jiān)信通過我們的硬核科技創(chuàng)新、核心技術(shù)突破，必將推進(jìn)中國測試測量行業(yè)的蓬勃發(fā)展，進(jìn)而成就中國科技探索的無限可能！