示波器为什么那么贵？
发布日期:2024-10-23
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示波器即简单又复杂！但示波器为什么那么贵？大多都几千上万，为什么会那么贵？
数字示波器的结构
说示波器简单的原因是示波器是一种能显示电压信号动态波形的测试计量仪器。示波器将时变的电压信号在时域上转换成曲线，将原来看不见的电信号在二维平面上转换成直观的可见光信号，因此可以分析电信号的时域性质。先进的示波器甚至可以分析输入时间信号的频谱，反映输入信号的频域特征。
是德科技示波器图片
但示波器也是复杂的！！！
示波器之所以价格昂贵，主要原因在于其高精度测量、高性能采样率、大容量存储以及复杂的内部结构。由於被测信号频率可能很高，这就要求示波器的速度很快。我们都知道采样速率决定示波器时间维度（水平）相关测量精度。
采样原理
奈奎斯特采样定理 - 如果被测信号的带宽是有限的，那么在对信号进行采样和量化时，如果采样率是被测信号带宽的2倍以上，就可以完全重建或恢复出信号中承载的信息。
示波器的设计和制造过程中涉及到的精密技术和复杂工艺。示波器的内部结构包括传输、衰减、放大、低通滤波、硬件触发、采样、运算等部分，每个部分都需要高精度的设计和制造，以确保最终的测量精度和性能。
以数字示波器为例，单纯按照采样定理＋计算，采样速度至少要达到被测信号频率的2倍，那么如果我要测一个10MHz的信号，ADC采样速度就至少要20MSa/s，就是至少每秒钟要读万用表示数20000000次（两千万次)，这个速度就很吓人了。高端示波器拥有更惊人的采样速率。
示波器惊人的采样速率！！！
举个例子，是德科技 Keysight 的DSOZ634A示波器，标称最高采样速率160GSa/s，这是什么概念？一秒钟要测量输入信号的电压160000000000次（—干六百亿次），吓不吓人？按照每次采样只产生1字节数据来计算，1秒钟就能产生149 GB的数据，示波器还要对这海量的数据进行分析处理，进行一些数学计算，并将其转化为图形显示出来，149 GB/s数据产生速度对于酷睿i9来说也是一场史诗级的DDoS洪水攻击，所以示波器不仅有速度惊人的ADC器件，还要有运算能力超强的处理器来消化ADC传回的海量数据，这些都是尖端技术能实现这些功能的元器件也自然价格不菲！
示波器波形的重建和显示
数字示波器先把数据存在高速缓存，然后由CPU把缓存里的数据取出再分析、显示。高端示波器大多加入ASIC芯片，是德科技使用FPGA等。这里值钱的部分是FPGA（ASIC），这个稍微高端一点的，国内做不出来，并且可以预料在很长一段时间内都做不出来，而且大多数情况下，所使用的FPGA、ASIC量都很少，流一次片的成本或多或少大家都听过，也就可以想象每个FPGA、ASIC能贵到什么程度了。
模拟转换器（ADC）
通过模拟转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。数字示波器捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止，随后，数字示波器重构波形。ADC位数决定示波器最小检测到的电平信号（垂直维度）。每个卖示波器的厂都是从做ADC开始的，贵的原因同样就是设计难，还不外销，量极少。
滤波器的重要性
奈奎斯特频率（Nyquist频率）是离散信号系统采样频率的一半，因哈里·奈奎斯特（HarryNyquist）或奈奎斯特－香农采样定理得名。采样定理指出，只要离散系统的奈奎斯特频率高于被采样信号的最高频率或带宽，就可以避免混叠现象。
从理论上说，即使奈奎斯特频率恰好大于信号带宽（但不可相等），也足以通过信号的采样重建原信号。但是，重建信号的过程需要以一个低通滤波器或者带通滤波器将在奈奎斯特频率之上的高频分量全部滤除，同时还要保证原信号中频率在奈奎斯特频率以下的分量不发生畸变，而这是不可能实现的。在实际应用中，为了保证抗混叠滤波器的性能，接近奈奎斯特频率的分量在采样和信号重建的过程中可能会发生畸变。因此实际应用中信号带宽并不能无限接近奈奎斯特频率，具体的情况要看所使用的滤波器的性能。
采样率与频率响应的关系
这个滤波器要有好看的频响曲线，还要很精密的且难实现的，高速的前端当然贵。
Keysight的Infiniium UXR系列实时示波器提供了13至110 GHz的实时带宽，10位ADC和优异的ENOB性能，以及超低本底噪声和抖动，这些高性能参数保证了测量的准确性和可靠性，但同时也增加了制造成本。那么，价值百万的示波器到底是什么样子的？下面這就是Keysight Infiniium UXR 系列实时示波器图片。
Keysight Infiniium UXR 系列实时示波器（原安捷伦示波器）
■ 提供13至110 GHz 实时带宽，实现下一代的技术突破
■ 提供高分辨率10位模拟ADC数字转换器和优异的ENOB性能，支持更高阶的调制标准
■ 本底噪声超低，噪声小于 1 mVrms，使您可以观察信号的真实特征
■ 超低抖动，固有抖动小于 25 fs（rms），通道间抖动小于 10 fs（rms）
■ 在一个仪器中提供 4 个全带宽通道，降低双偏振相干调制的计时误差
■ 业内超级精确的实时示波器
■ Keysight Infiniium UXR 系列实时示波器超高性能，可以提供更高的可视性、更高的精度以及更快的测试速度
终极的采集处理 - Infiniium示波器界面
对于价值百万的是德科技的示波器大家的评价是：
"人类科技智慧的结晶，这才是物有所值”
"有幸用过一台贵司千万级的示波器，当时搬的时候感觉搬了好几套房子，要是弄坏了给公司打一辈子工都赔不起"
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