2．数字存储示波器
如前所述，模拟示波器的带宽受到了CRT显示屏扫描速度的制约因而很难超过几百MHz。在20世纪80年代，随着高速ADC芯片以及数字处理技术的发展，数字示波器开始崭露头角，并以很快的发展速度在带宽、触发、分析能力等方面全面超越了模拟示波器。
早期的数字示波器由于显示技术的制约，仍然使用CRT的显示屏，其工作原理如图2.4所示，这种数字示波器与模拟示波器最大的区别在于输入信号并不是直接调制到显示屏上，而是通过高速ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）芯片对输入信号进行采样和数字化，并把数字化样点先保存到缓存（Memory）中；然后通过信号处理电路把缓存里的数据读出，通过DAC（Digital to Analog Converter，数模转换器）芯片把相应的数字量转换成模拟量，并显示在CRT显示屏上。
图2.4 早期的数字示波器结构框图（来源：http://e-i notes.blogspot.in）
虽然同样采用CRT显示屏，但是由于信号经过了数字化—存储—显示的过程，所以CRT显示屏的扫描速度不会再直接制约输入信号的带宽。例如，当输入信号频率比较高时，只要前端放大器带宽足够，且ADC的采样率足够，就可以对信号进行一段时间的高速采样。如果不考虑噪声和失真的影响，可以认为缓存中包含了输入信号完整的信息。这样，即使CRT显示器的扫描速度较慢，也只需要将缓存中的数据读出来慢慢回放显示就可以了。可以说，正是由于数字示波器的数字化和存储功能，使得高速的信号输入和相对较慢的显示扫描匹配起来，这也是数字示波器的正式名称——数字存储示波器（Digital Storage Oscilloscope）的来源。从此，数字示波器的带宽可以和前端放大器及ADC采样技术一起发展，而不再受限于显示的扫描和更新速度。图2.5是HP公司在20世纪末期生产的54600系列数字示波器。
但是凡事都有好坏，从此以后，数字示波器就只能采样并存储一段波形，再读出数据并放到屏幕上显示。由于读取和显示的速度远慢于数据采集的速度，必须等待读取和数据处理完成才能开始下一段波形数据的采集。在这段等待时间中，就会造成波形遗漏，而且通常遗漏的波形时间远大于被采集显示的波形的时间。因此，所谓的“实时示波器”也失去了其“实时”的原始含义。现代的实时示波器通常是指采用满足香农采样定理的实时采样方式的示波器，以区分于采用等效采样技术的采样示波器。关于这点，后面还会反复提到。
图2.5 早期的数字示波器
随着技术的发展，传统的CRT显示屏已经被淘汰，现代的数字示波器普遍采用了液晶显示屏，甚至很多都提供了触控功能。但是液晶显示屏只是减小了示波器的体积并增强了用户观察波形的体验，同时不需要再把数字样点重新变回模拟量显示。从示波器本身的功能结构来说，采用CRT显示屏的数字示波器与采用液晶显示屏的示波器并没有本质区别，业界也不以采用CRT显示屏或液晶显示屏作为区分模拟示波器和数字示波器的标准。
同时，随着芯片技术的进步，现代的示波器功能变得越来越复杂，可以提供更强大的性能以及更多的测量分析功能，所以现代的高性能数字示波器已经是一套非常复杂的信号采集和处理显示系统。图2.6是一个现代数字示波器的结构框图。
图2.6 现代数字存储示波器的结构框图
现代的数字示波器主要由以下5个主要部分构成：
|放大器和衰减器（Vertical Pre-Amp/Attenuator）：信号通过探头或者测试电缆进入示波器内部后，首先经过的是放大器和衰减器。对于数字示波器来说，其前端的放大器、衰减器等电路还都是模拟电路，这部分的原理与模拟示波器区别不大，它们会决定数字示波器最关键的指标——带宽。示波器带宽的单位为Hz，通常所说的示波器的硬件带宽就是指数字示波器前端这些模拟电路组成的系统的带宽，它决定该示波器能够测量到的最高的信号频率范围。目前，市面上数字实时示波器的最高带宽已经可以做到几十GHz，超过100GHz带宽的实时示波器也正在研发过程中。由于示波器是通用的测量仪器，可能会对大信号也可能会对小信号进行测量，所以用户可以根据需要选择示波器的测量量程。使用示波器时经常会调整垂直刻度旋钮，这就是在调整示波器前端的放大器和衰减器。大部分示波器在调整量程时不会影响带宽，但也有些示波器在小量程下时带宽会下降。
|模数转换（Analog to Digital Converter, ADC）：通过前端的放大器和衰减器把信号调整到合适的幅度后，就进入数字示波器的下一个环节——数字化。数字化的过程是通过ADC（模数转换器）完成的，数字示波器以很高的采样率对被测信号进行采样，把输入的连续变化的电压信号转换成一个个离散的数字化样点。经过模数转换后，所有的数据波形的处理和测量、分析等工作都是在数字域完成的。数字示波器对被测信号进行模数转换的最高速率称为采样率，这是数字示波器除带宽外的第二个关键指标，其单位为Sa/s（Sample/s，即每秒钟可以采样多少个样点），它决定了该示波器是否可以对输入的高频信号进行足够充分的采样。目前市面上数字实时示波器的最高采样率已经可以做到160GSa/s，而超过240GSa/s采样率的实时示波器也在研发中。高带宽示波器的采样率都很高，如果在设计示波器时一片ADC的采样率不够用，也会采用多片ADC芯片拼接的方式提高采样率。
|存储器（Memory）：数字示波器的采样率都很高，通常都在每秒钟几十亿次甚至几百亿次，虽然现在FPGA、DSP、CPU的工作速度和数据处理能力已经非常强大，但是以现有的技术仍然做不到在一秒钟内实时处理完几十亿甚至几百亿个样点的数据。因此，数字示波器在ADC后面都有高速缓存，用来临时存储采样的数据，这些缓存有时也称为数字示波器的内存。缓存的大小通常称为内存深度，是数字示波器第三个关键指标，其单位是Sample，即样点数，它决定了示波器一次连续采集所能采到的最大样点数。目前，市面上数字示波器的内存深度最高可以做到每通道2G样点。数字示波器的内存是非常高速的缓存，或者是通过高速解复用芯片控制的高速存储器，单位存储空间的实现成本很高，因此扩展存储深度的价格非常贵，完全不同于通常意义上所说的计算机的内存。
|波形重建（Waveform Reconstruction and Display）：数字示波器先把一段数据采集到其高速缓存中，然后停止采集，再由后面的处理器将缓存中的数据取出进行内插、分析、测量、显示。高速数字示波器进行数据处理的处理器可以采用多种方式实现，一些便携式示波器采用嵌入式微处理器，而很多Windows平台的示波器则会使用X86平台的通用CPU。但是仅仅依靠商用的微处理器或CPU无法满足实时示波器快速处理大量数据的需求，所以一些注重使用体验的示波器会使用DSP、FPGA甚至专门研发的ASIC芯片辅助进行数据处理，以加快波形处理或显示的速度。采用专用ASIC芯片进行数据处理的最典型例子是Keysight公司的MegaZoom芯片以及Tek公司的DPX芯片。
|波形显示（Display）：数据经过处理器处理后，最终要显示在示波器的屏幕上才能被人眼观察到。前面已经介绍过，数字示波器的显示屏幕可以采用传统的CRT显示屏或者液晶显示屏。
对于数字示波器来说，正是由于后面处理速度的制约，实时示波器看起来不那么“实时”了。因为它并不能保证被测信号的波形能够连续不断地“实时”地显示在屏幕上，显示的相邻的两个波形间实际上有大量的遗漏信息，这是数字示波器相对于模拟示波器最大的一个缺点。数字示波器自从20世纪80年代出现以来，历经了多年的改进和革新，除了带宽、采样率、存储深度的提升以外，还有很大一部分工作是改进数字示波器的这个缺点。图2.7是一款便携式示波器，其采用12.1in的容性触摸屏，最高带宽1.5GHz，最大采样率5GSa/s，最大内存深度4M样点，采用了专门的ASIC技术，可以在使用深存储的时候提供了每秒100万次的波形更新速度和迅捷的波形缩放速度，并可以模仿出类似模拟示波器的多级辉度显示效果。
图2.7 高波形捕获率的数字存储示波器
目前市面上，数字示波器的发展趋势主要有以下几个方面：对于高端示波器（10GHz以上）来说，其带宽、采样率在朝更高方向发展，例如现在高带宽实时示波器的带宽已经超过了60GHz，而在不远的将来会达到100GHz以上，其采样率会达到240GSa/s以上；对于中端示波器（1～10GHz）来说，其分辨率、底噪声、抖动等指标再进一步优化，以提高测量精度和分析能力，例如目前市面上已经出现带宽8GHz，采用10bit ADC采样的示波器，而未来这种更高分辨率的采样技术也可以向高带宽示波器移植；对于经济型示波器（＜1GHz）来说，主要针对的是外场测试、教学、生产以及简单的研发测试，其发展方向是更加便携并集成多种测量功能，例如很多公司会在示波器中集成数字逻辑通道、频谱仪通道、函数发生器等。