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为什么中国做不了高端示波器?

半导体行业观察 ·2017-06-17 12:06·半导体行业观察
阅读:2741

来源:本文授权转载自知乎,作者膜人的小妖精和MIKA 谢谢。

示波器作为电测行业最基本的综合性仪器,设计和制造他所涉及的领域也十分广泛,从半导体到特种材料,从机加工到电子设计无所不涉及。这就需要强大完善的工业体系作为支撑。迄今为止,只有少数几个具备完整工业体系的国家做起来。可能有人会问,苏联早期无不具有这一切?为什么苏联没有做起来呢?因为市场对这个也是很关键的。


仅依靠国家力量,可能能在短时间内集中攻关力量解决一个难题,随后投入其他难题的处理中。有些事情并不能持续的深入研究,唯有市场的持续需求不断刺激技术进步,就像战争那样,技术才可能有巨大的飞跃。另外,一些其他技术的进步,比如电子计算机,也与仪器的发展相辅而成,这也带来了思维的全面改观。


示波器的起源


电子示波器的起点并不容易查证,所以史前时代由示波器的操作特性来划分。


如今我们最常使用的可能是边沿触发模式,甚至通常认为这就是示波器的一部分基本功能。实际上在TEK 511之前,示波器并不具备触发能力。此时的示波器为了稳定显示波形,采用了一种叫做同步扫描的技术。示波器以固定的频率进行自由扫描,从而显示波形。为了使波形稳定,他也具有简单的比较器控制,来确定何时开始扫描。不过由于扫描时间的不定性,示波管的时间轴也不稳定。这种示波器不能进行精确的时间测量,也不能观察非周期性信号。


现代示波器的起点:Tektronix 511


我们共和国尚未成立的1947年,泰克发布了他的第一个产品:511型示波器。 与他的前辈最大的不同之处在于,他首次拥有了精确的触发系统,其实就是我们今日所能见到的每一台示波器都具有的边沿电平触发。


当输入波形满足触发比较器设定的极性与门限时,示波器开始按照时基旋钮所设定的时间完成一次扫描。这样可以通过调节触发电平来确定每次扫描在波形上的起点,同时每一次扫描的时间又是已知的,通过数屏幕上的格子就可以对被测信号进行准确的时域分析。这是一个巨大的飞跃,其中简单的原理已然成为今日每一台示波器所必需的功能,不得不说他是现代示波器的起点。


涉及到示波器相关的具体技术,从60年代以前,一般来说我国和外国的差距不是特别的大,因为大家都用电子管,这个东西无非对工业机械设备有一定的要求,主要是冲压和焊接等等,另外电子管特殊的阴极涂层材料也对性能影响至关重要,这一切都不是遥不可及的。此外这个时期的示波器带宽通常还没有超过40MHz,确实难度不是特别大,这个阶段我们和技术储备方面没有太大差距,主要是因为需求也不是太多,导致产品无论从工艺还是结构,都有些落后。


图:TEK 511示波器的局部,可以看到底板上还印有很多文字提示,比较精细。


顺便说一说这个时代的制造工艺,因为电子管本身体积较大,而且多半随着高压大电流,所用的器件体积也很大,无论国内还是国外都是这样安装元器件的,也就是元件安装在支架上,然后用线相互连接。这种方式国内俗称搭棚焊接。


60年代的示波器:固态化、小型化


60年代初,随着晶体管的量产难题被逐渐解决,开始了仪器固态化的进程,此时泰克推出321型示波器。他几乎全部使用晶体管制作,早期型号内尚有一部分电子管工作在高压区域,后期型号通过新型的晶体管进一步取代了他们。这个阶段的示波器缩小,重量减轻。终于可以从推车上拿下来,放在桌面上,或者轻松的移动到一些特殊的测量现场。


泰克推出321型示波器


进入60年代中期,一些半导体器件开始逐渐取代电子管的地位,此时示波器的带宽开始达到100MHz。在这个时期电子计算机的应用也开始逐渐推广开,这导致对示波器有更多的需求。


在这个时期,射频半导体技术也突飞猛进,像HP和TEK这样的公司都迫切需要高性能的固态放大器以及各种电子管的替代器件,由于通用器件公司不能提供这些部件,他们分别建立自己的研发部门满足内需。由于军方也有巨大的需求量所以最重要的资金自然不是问题。以示波器来说,要把带宽做高,需要亮度更高,聚焦更精确,摆率更快的示波管,同样也需要高速的前置放大器/Y轴放大器。从60年代开始,除了示波管以外的其他电子管,都将被晶体管和集成电路取代。


此时(大约1965年),HP公司也发布HP-IB总线,后来这种技术在70年代标准化成为IEEE488也就是GPIB。通过这种控制总线,计算机可以控制电子仪器工作,采集仪器的数据并且进行分析。这使得我们对数据的使用和理解上升到一个新的高度,同时催生了自动化测量系统的概念,他带来了更高的效率和更好的精确性。


巨量的市场需求刺激他们自己开发所需的一切配件,并且带动了一些其他工业项目,比如玻璃的精密加工设备,金属的冲压设备。60年代末期美国佬已经可以制造精密的内刻线示波管。即示波管屏幕上的格子是刻在示波管内部的玻璃面上的。这样读数误差更小。而同年代国产示波器全部都是刻在压克力片上然后放在荧光屏前边,从不同角度看就有不同的误差。再加上没有实际的需求,一直到80年代后期可能才生产了小部分内刻线示波管,主要用于超声波探伤仪。


内刻示波器


而此时国内仍未太多进步。高带宽示波管对加工技术和设计提出了十分高的要求,电子计算机更是全国都没有多少。


由于晶体管缩小了体积和功耗,印刷电路板技术开始推广,通过PCB板,电子元件可以被快速有序的安装,同时减小了寄生参数。于是电路板的制造工业技术也同步跟进发展。


70年代的示波器:高度集成化


进入70年代,我国处于一个特殊阶段,而美国人的微波半导体技术则在这个阶段突飞猛进,微电子集成电路技术更是日新月异,这个时段常规示波器带宽到达350MHz,特种示波器可达1GHz。同时半导体技术的更进一步发展使得示波器完全可程控化,也可以进行数字化采集。


比如同年代的模拟示波器已经具有微处理器了,可以在荧光屏上直观的读出测量参数,又可以将参数和波形传递给计算机。直到几十年后国产的模拟示波器才开始具有这种能力。而此时我们半导体工业止步不前,还只能生产普通逻辑门电路。当然8086一类的CPU也仿制出来过,不过想想也是,1没人会用,2成本高得吓人,3利用这些东西去做测量仪器,极大的增加仪器成本和复杂程度,却没有足够的计算机与之相配套。


此时的测量需求主要依靠进口满足(中美关系还凑合)。在此时代,由于仪器以及军方需求,美国人开始制作4层电路板,并且使用了早期的计算机进行EDA辅助电路设计


此时生产的一些示波器已经有了集成电路。1978年,泰克生产了485,带宽350MHz,在当时属于国产货望尘莫及的境界。并且内部十分的复杂,制造工艺相当精良。遗憾的时候有一天我在摆弄他的时候,突然就黑屏了,风扇也不再转动。怀疑是开关电源出了问题(没错,1972年的时候已经用上了开关电源)。然后现场拆解准备检修,拆开发现这也太复杂了。整个机子里里外外都被PCB板包裹,电源在中心...于是草草拍了些照片给装回去了。送回仓库睡觉。好了不再废话了,上图:


70年代示波器的开机图


示波器内部


内部细节


1970年代中期,各方面条件具备,时机成熟.泰克推出了7000系列模块化示波器.再一个主机显示单元内安装各种模块来定义仪器的各种功能。它具有各种各样的模块:


比如示波器所需的水平与垂直模块,频域与时域相交叉的TDR模块,射频所需要的频率计,频谱分析仪模块。当时数字电路验证所需的逻辑分析仪模块....


当然,无论他如何魔改,他还是模拟示波器。模拟示波器有诸多不便,比如带宽较低,无法存储等,在高速数字模拟转换器尚不发达的70年代,高能物理实验以及微波和雷达系统的测量迫切需要高带宽,能存储的模拟示波器。于是产生了一些真正的黑科技产物(绝对不同于某米宣传的那些)。


先说带宽,常规的模拟示波器,就是说用人眼看屏幕的那种,最高纪录保持者是日本岩崎公司的产品(应该也是80年代末)(型号我实在是没记住),他带宽高达470MHz!而80年代泰克的产品实际上只能到达400MHz(2467B型)。由于普通台式示波器的示波管显示面积较大,电子束行程较长,Y轴驱动能力不可能无限制的加大,因而限制了示波器的总体带宽,所以有些示波管的带宽可以达到600MHz,但是驱动电路很难做到这样的水平。


再说存储,各位都知道:模拟示波器如果使用单次触发,波形从荧光屏上一扫而过,经过几个ms的余辉以后就永远的消逝了。于是技术出现了两种方向,一种是示波器照相机。这种专用的相机安装在示波器屏幕上并保持快门一直打开,示波器触发结束以后再关闭快门完成一次曝光。这是一种机灵的做法,但是每次想看到记录下的波形都需要冲洗胶片。


带照相机的示波器


出于示波器相机繁琐的使用方式,所以还具另一种技术,也就是记忆示波管。这种示波管在荧光屏后方安装了特殊的存储栅极,同时示波管内有专用的读出电子枪。在主电子枪完成一次扫描后,栅极上留下电子空隙。然后读出电子枪打开,向存储栅极均匀的发射电子幕,一部分被存储栅极阻挡,另一部分透过栅极照射到荧光屏上,存储的波形被复现出来。



存储示波管的结构简图,可以看出来他多了两个FLOOD GUNS以及一组置于荧光屏后边的栅极。


不过这种示波管只能存储几分钟,随后就因为电子泄露而模糊掉。后期代表型号有HP公司的1741A型。这种特殊的电子管也被用于雷达显示屏和早期计算机的RAM存储器。这种示波管对机械结构要求更加精密一些,带宽不高的管子我们国内也能成功生产



存储示波管的结构简图,可以看出来他多了两个FLOOD GUNS以及一组置于荧光屏后边的栅极。


不过这种示波管只能存储几分钟,随后就因为电子泄露而模糊掉。后期代表型号有HP公司的1741A型。这种特殊的电子管也被用于雷达显示屏和早期计算机的RAM存储器。这种示波管对机械结构要求更加精密一些,带宽不高的管子我们国内也能成功生产


我国1973年生产的SC-7存储管,他将荧光粉换成了电子靶,用于记录和读出数据。


80/90年代的示波器:进入了数字年代


进入了80年代初在此时代得益于众多行业对超大规模电路的需求,由于雷达等特殊需求,砷化镓半导体技术快速成长,同时应用在网络分析仪,频谱分析仪等射频测量仪器内。这些其他领域的技术铺垫为高性能数字示波器铺平了道路。


另外,电子计算机也小型化,他们被更多的应用在测量的控制与分析领域。这就需要电子仪器可以记录他的测量结果并且数字化。对于示波器这似乎是个难题,因为当时并不能生产出高带宽高采样的ADC。此时美国佬又动起了歪脑筋,这次,泰克公司研发出了7912型(大约1973年)数字化仪(Digitizer)。


他仍然使用模拟示波管,带宽高达1GHz,如果等效到数字示波器的采样率,则大约是2Gsa。同时能够提供大约12bit动态范围的数字化波形输出。他是怎么做到的呢?泰克使用了扫描变换管技术(Scan conversation tube).这是一种颇为奇妙的示波管,他有两头,一头是示波管,负责波形扫描,另一边是摄像管,用于图像记录(CCD尚未大批量应用之前的产物)。两个管子的中央是记录靶。示波管发射扫描电子束到记录靶,然后由摄像管和低速AD转换器输出,完成对于高速信号的记录。



除了数字化仪,当时也有一些结构正统的数字示波器。其中数字示波器的先驱据说是英国的Nicolet公司,他们制造了第一台数字示波器,使用磁带存储数据。不过这些信息并不十分明确,我也没找到第一台数字示波器的图片。上边这个数字示波器是Nicolet在80年代初期的产物。很时髦的用了一个5寸软驱来存储波形。


到了80年代后期,泰克和HP纷纷停产模拟示波器,投身到数字示波器中。其中HP最先推出的是54500系列,采样率都不是太高,几百M的范围。不过对于很多应用场合都能够满足记录要求,随着90年代初高采样率ADC的实用化,泰克也推出了十分经典的TDS500系列示波器,并且定义了未来几十年后的数字示波器基本架构


而国内由于相关产业稀缺,在此时出现了极大的技术断层,并且直到今天也未能追上。


如果有兴趣的话可以看看80年代的美国各种小霸王,有用各种各样的CPU的,比如Z80,MC6800,MC68000,6502等等。不得不说市场起了巨大作用,由于制造这些消费电子产品,对于电测仪器自然也有巨大的需求了。在这个时期,元器件密度极大的提高,也促进了SMD表面贴装技术的成熟,这代表着电路的集成度,稳定性,生产速度的大幅度提高。


90年代的示波器:混合信号示波器


90年代初,随着计算机以及各种网络系统的日益复杂,对于测量仪器也提出了更高的要求。这时以HP54600系列和泰克TDS500系列为主要代表的高性能数字示波器登场。


回头看一下,使用模拟示波器观察视频信号,它具有细腻的亮度变化,这是因为信号自身的扫描速度不同所引起的。视频信号的同步周期是50或者60Hz,而宽阔的方块区域是颜色扫描信号,他的频率远高于同步信号周期,而模拟示波器的Y轴带宽恒定的,不受扫描速度影响,所以可精细的展现这些波形。


而普通数字示波器在较长的时基下一般也会使用较低的采样率。这导致在波形密集区域发生混叠,最后只能采集到一些错误的低频混叠波形



左侧就是一般数字示波器观察视频信号的效果。丢失了大量的细节,右侧是数字荧光示波器,他非常接近模拟示波器的效果,这个后边谈到。


目前的低端国产示波器依然如此,从屏幕上无法获得波形的叠加层次信息,测量开关电源带有尖峰的振荡波形,示波器也无法记录细节。经常看不到细微的毛刺脉冲。这是因为传统示波器每次触发以后就停止采集,然后CPU开始读出采样内存并且更新到显存中,耽误大量的时间。在数据处理的过程中示波器可能错过大量的关键波形。


针对这些问题,泰克从1996年开始推出带有instaVu技术的TDS500B/700A型示波器。他的做法比较简单暴力,相比以前数字示波器每一挡时基所用的采样率、instaVu示波器使用更高的采样率去连续不断的采集波形,避免混叠,并且叠加在RAM中,然后每30ms更新一次屏幕,这样经过大量叠加的波形能携带更多的偶发信息,进一步接近模拟示波器的效果。到了97年,发布了改进型的instaVu示波器:TDS500C/700C,比起上一代,他每秒最多可以捕获40万个波形!而模拟示波器受限于回扫时间,大约可以等效到20万波形/秒。


此时数字示波器只剩最后一个难点,也就是模拟示波器可以提供的余辉信息,余辉可以告诉我们波形出现的频率和速度,例如模拟示波器不容易看到方波那快速陡峭的上升沿,因为电子束在边沿驻留的时间不多,无法充分激发荧光粉。于是泰克进一步努力,在1998年发布具有划时代意义的TDS500D/700D系列数字荧光示波器(Digital Phosphor Oscilloscope).他是instaVu的进一步改进,依托处理能力更强大的DPX荧光处理器,在叠加波形的同时也计算出波形每一处的重叠率,于是数字示波器首次拥有了X和Y轴以外的Z轴,即亮度轴,此时数字示波器也可以从三维角度进行观察。


以上是90年代泰克示波器的主要发展路线,不过这并不是90年代的全部。在90年代示波器领域出现了一些新的概念,在当时受限于多种技术限制并未能带来很好的实用效果。不过在近期这些技术重新投入市场,使得示波器的观测能力进一步扩展。


比如:混合信号示波器。混合信号示波器的概念最早由HP公司提出。主实现方式是将示波器与逻辑分析仪一体化生产,逻辑图与波形图同时显示,相互参考。在数模结合系统或者数字系统的物理层验证中发挥了很大的作用。


全球第一部混合信合示波器


在HP推出MSO之前,我们还有这样一款火星级产品——TLS216.它是一台有16个模拟通道的示波器...泰克管它叫做LogicScope。具体应该是92年发布TDS500系列架构取得成功以后,利用TDS500的框架设计出来的怪物。他有2Gsa的采样率却要被16个通道平分。再加上他没有协议解析能力,屏幕分辨率只有VGA水平。导致他是一个彻底的失败产物。不过他给HP提供了设计MSO的好思路——即数字和模拟应该分开,要增加协议分析能力,而不是追求大量的模拟通道。


经过长期的技术积累,此时的数字示波器融合了先进的半导体技术,比如微计算机,DSP,CPLD,以及专门设计的ASIC和代表核心技术的ADC,触发控制器等等。在软件方面也是各种先进测量算法的集合。可以说无论从哪一方面,在那个年代我们的差距不是一点半点。毕竟造个286的零件都不能完全国产化,何谈更先进的示波器呢?


进入了新世纪,示波器的带宽和采样率依然没有停止增长。除此之外,一些示波器也增加了时域测量以外的功能,比如MSO可以分析逻辑信号的状态与时序。而更进一步的MDO混合域示波器则加入了一个宽带频谱分析仪,使得示波器可以从时域/频域/调制域的角度重新审视信号,为测量人员开辟一片新的天地(然而这么NB的示波器我并买不起,所以什么具体评测拆机上图啥的免了)。


说这么多,其实是想用实际的设备来看到前辈们是如何一个一个脚印走过来的。其中一些过渡技术早已被淘汰,被人遗忘。但回首这些技术,仍然闪烁着智能的光芒。


总结:


正如知乎另一位答主MIKA所说,为什么中国人做不了高端示波器?主要是由以下原因导致的:


1.材料与器件材料严重依赖工业基础,高端示波器中高速adc不是常规硅材料,有些是砷化镓,磷化铟等,比较超前,国内在消费电子的硅材料上补功课,那个量大,这个没跟上呢。


高速adc不仅应用于示波器,还有导弹姿态,红外夜视,跟踪瞄准等。军事的限制大家都懂,所以较为严格。传说中某单位买了别人高端示波器拆了几颗adc,把剩余的丢了,成为笑谈。


另外不只adc,示波器中需要的fpga也只有少数几家能做出来,都是在美国。国内做的最好的一家经营不善,貌似在重组,我用过,狠狠得坑了我一次,产品刚做完,它就破产我很伤心π_π现在fpga还不算最严重的瓶颈,但是adc有可能国内做出来,fpga可能性很小,被专利和技术难度束缚,虽然近些年fpga符合增长率惊人,但国内技术太不成熟,你给他机会选用它的器件,它就会狠狠的伤你的心……


2.电子技术人才少,技术积累少


大神们都懂,我国受教育数量和质量差强人意,国外从电子管晶体管一路走来技术积累快百年,他们走的路我们都要走,山寨也要改明白,弄通原理,这都要时间。


现实是,留给中国队的时间不多了→_→我们很少有人懂电路,尤其是模拟电路。举例来说,示波器信号链调整,触发,时钟分配都很难。因为仪表体量不大,器件只能选用其他领域的,比如通信的,借用一下,单独开发不会干,成本也花不起,所以信号链得调整多数时候用的都是管子,不知道有多少知乎大神能用管子搭出来宽带程控pga,能搭出来请看下一条。


3人工太贵


示波器另一难点是算法,这是一个示波器最高的追求,无论是简单的算个rms,滤波,还是搞个余晖,追求波形刷新率,这个算法在fpga上实现,fpga的工程师好贵,比硬件贵多了,一些成熟能干活的算法工程师在北京房屋公积金是能交够上限的。


成熟的硬件工程师可能需要至少三五年的工作经验,工资也不过一万出头,还不如互联网入门工资。


全球电测仪器市场容量大致300~400亿,示波器一项更没多少钱,整个国内示波器厂家市场占有率粗估不到2%(没数据支持),拿什么钱支撑研发成本呢?不能说我供职的公司,国内市场占有率第二的公司,销售额几千万而已,低端市场毛利不到5成,所以,做示波器的都是为了情怀,无论公司还是个人。


以上都是具体原因,从历史发展的角度看,也有时代的因素。


1.当年的电视收音机的生产和维修都是严重依赖示波器等电测仪器,高速发展中的家电行业给电测输入了很多推新的动力。得益于数字化的发展,现在用量少了很多,维修减少了,生产用的示波器不多,研发和教育量也没多大。


2.行业的兴起与政策关系密切,当年不管是惠普还是fluke都卖给了军方甚多,这是一本万利的买卖,包括当年的军备竞赛和太空竞赛,这些公司都从中捞了一大笔,直到现在很多文档还在吹各种上过太空的仪器。


3.我国公司还年轻,改革开放以来,资本不断积累,慢慢才有了这些仪器公司,我供职的公司成立还不到20年,成长需要时间,在应用领域,公司的技术会慢慢超过科研机构,比如近几年科研很火的毫米波,惠普的商用网分都超过1THz了。盈利是资本最大的推动力,假以时日,会发展的,应该1年内,国产示波器就会发布带宽有较大进步的产品


作者:膜人的小妖精和MIKA

链接:https://www.zhihu.com/question/28183297/

来源:知乎

著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。


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