扫描频率示波器

美国加州大学洛杉矶分校17日表示，该校纳米系统科学主任保罗维斯领导的研究小组开发出了研究纳米级材料相互作用的工具——双扫描隧道显微和微波频率探针，可用于测量单个分子和接触基片表面的相互作用。　　过去50年中，电子工业界努力遵循着摩尔定律：每两年集成电路上晶体管的尺寸将缩小大约50%。随着电子产品尺寸的不断缩小，目前已到了需要制作纳米级晶体管才能继续保持摩尔定律正确性的地步。　　由于纳米级材料和大尺寸材料所展现的特性存在差异，因此人们需要开发新的技术来探索和认识纳米级材料的新特征。然而，研究人员在研发纳米级电子元器件方面遇到的障碍是，人们没有相应的能力去观察如此小尺寸材料的特性。　　元器件间的连接是纳米级电子产品至关重要的部分。就分子设备而言，分子极化性测量的范围涉及到电子与单个分子接触的相互作用。极化性测量有两个重要方面，它们分别是接触表面以次纳米分辨率精度进行测量的能力，以及认识和控制分子开关两个状态的能力。　　为测量单个分子的极化性，研究小组研发出能够同时进行扫描隧道显微镜测量和微波异频测量的探针。借助探针的微波异频测探，研究人员将能确定单个分子开关在基片上的位置，即使开关处于“关”的状态也不例外。在开关定位后，研究人员便可利用扫描隧道显微镜变换开关的状态，并测量每个状态下单分子和基片之间的相互作用。　　维斯说，新开发的探针能够获取单分子和基片之间物理、化学和电子相互作用以及相互接触的数据。维斯同时还是著名的化学和生化以及材料科学和工程教授。参与研究工作的还有美国西北大学的理论化学家马克瑞特奈和莱斯大学合成化学家詹姆斯图尔。　　据悉，研究小组新的测量探针所提供的信息集中在电子产品的极限范围，而不是针对要生产的产品。此外，由于探针有能力提供多参数的测量，它有可能被研究人员用来鉴定复杂生物分子的子分子结构。

示波器概述示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器是电子信息工业的基础设备，是应用最广泛的通用电子测试测量仪器，被誉为电子工程师的眼睛，其主要通过采集电路中的电信号并存储和显示，并对信号进行测量、分析和处理，主要用于研发领域。示波器可分为模拟示波器和数字示波器，数字示波器可以分为数字存储示波器（DSO），数字荧光示波器（DPO）和采样示波器等。主要参数1、带宽：输入一个正弦波，保持幅度不变，增加信号频率，当示波器上显示的信号是实际信号幅度的70.7%(即3dB衰减)的时候，该对应的频率就等于示波器带宽。100MHz的带宽在测量100MHz的正弦波时，幅度会下降到原来的0.7，但是100mhz带宽的示波器不能测100mhz的方波，因为方波由基波和奇次谐波组成，5次以下的谐波对方波波形影响很大，所有要较好的看清楚方波，示波器带宽至少要比待测波形频率大5倍。2、采样率：每秒采样多少个样点。根据香农定理，为了避免波形混叠，采样率应该大于波形频率的2倍。一般来说采样率是带宽的5倍即可，比如200M带宽的示波器，配1G采样率就可以了。追求更高的采样率无非为了抓小毛刺，但是这些高频毛刺在带宽层已经被滤掉了，更高的采样率并不能带来很好的收益。3、存储深度：表示示波器可以保存的采样点的个数。4、最高波形捕获率：波形捕获率表示示波器单位时间内捕获多少次波形，其单位在英文中写作“wfm/s”（wfm是waveform的简写）,中文现在一般就写作“次/秒”、“帧/秒”。 波形捕获率的倒数就是捕获周期。5、死区时间：数字示波器对波形样本后处理所需要的时间7、通道数：通道的数量8、底噪：在不连接任何信号的情况下，通过示波器测量得到的噪声一般被称作仪器的底噪声。底噪声的大小对测量微弱信号很重要，如果底噪声较大，达到了和被测信号类似的大小，信号将淹没在噪声中，无法得到有价值的信息。9、触发类型：由于信号无时无刻都在变化，如果一股脑的都把他们显示在示波器上，就会很乱，根本无法让我们看清楚，从而也就无法观察信号来解决问题。考虑到信号大多数时候都是以某种规律周期性出现的，因此我们只要找到他重复的规律，把每一次重复叠加显示在示波器上，信号就可以稳定观察了。这种把信号稳定显示就是触发，也叫同步扫描。仪器配件探头（电压探头、电流探头等）信号通过探头衰减成合适比例送入示波器前端。示波器能测多大电压一般取决于探头，探头通过衰减可以把上万伏的电压信号变成几十伏。模拟示波器早期的示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点（这是传统的模拟示波器的工作原理）。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打到屏幕上，屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就会发出光来。模拟示波器的组成1、显示电路：显示电路包括示波管及其控制电路两个部分。示波管是一种特殊的电子管，是示波器一个重要组成部分。示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏3个部分组成。阴极射线示波管2、Y轴放大电路：由于示波管的偏转灵敏度甚低，所以一般的被测信号电压都要先经过垂直放大电路的放大，再加到示波管的垂直偏转板上，以得到垂直方向的适当大小的图形。3、X轴放大电路：由于示波管水平方向的偏转灵敏度也很低，所以接入示波管水平偏转板的电压（锯齿波电压或其它电压）也要先经过水平放大电路的放大以后，再加到示波管的水平偏转板上，以得到水平方向适当大小的图形。4、扫描同步电路：扫描电路产生一个锯齿波电压。该锯齿波电压的频率能在一定的范围内连续可调。锯齿波电压的作用是使示波管阴极发出的电子束在荧光屏上形成周期性的、与时间成正比的水平位移，即形成时间基线。这样，才能把加在垂直方向的被测信号按时间的变化波形展现在荧光屏上。5、电源供给电路：供给垂直与水平放大电路、扫描与同步电路以及示波管与控制电路所需的负高压、灯丝电压等。模拟示波器的特点模拟示波器天生具备概率显示的特点，由于荧光屏的余辉暂留，不同概率出现的波形事件会以不同亮度出现在屏幕上，但由于波形的再现过程无法停止，某些偶然出现的单次事件因不具备一定的持续性而无法显示。概率显示是一个很有用的功能，比如某个波形上一个不是每次都出现的毛刺，如果用DSO，则这个毛刺的显示会不停的抖动，如果你暂停显示，则可能没有毛刺，也可能有毛刺，你无法判断毛刺出现的概率，如果用ART，则这个毛刺的出现概率会以不同亮度显示，因为这个特性，目前在开关电源开发领域，模拟示波器以其低廉的价格被广泛使用。数字示波器数字示波器是由模拟前端、ADC、触发电路、数据处理和波形显示几部分组成。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。目前高端数字示波器主要依靠美国技术，对于300MHz带宽之内的示波器，目前国内品牌的示波器在性能上已经可以和国外品牌抗衡，且具有明显的性价比优势。数字示波器的组成现代数字示波器主要由以下5个部分构成：一、信号调理部分。信号调理部分主要由衰减器和放大器组成。信号通过探头或者测试电缆进入示波器内部后，首先经过的是衰减器和放大器，先进行衰减再进行放大。衰减器可以调节，当衰减比调节的较大时，可以测试大幅度的信号，当衰减比调节的较小时，通过放大器的放大作用可以测试小幅度的信号。使用示波器时经常会调整垂直刻度旋钮，其实就是在调整示波器前端的放大器和衰减器。对于数字示波器来说，其前端的衰减器、放大器等电路都是模拟电路，而这些模拟电路决定了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放大器等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。二、采集部分。采集部分由模数转换器（ADC）组成。通过前端的衰减器和放大器把信号调整到合适的幅度后，信号就进行数字化。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。三、存储部分。存储部分由存储器组成。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。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。四、触发部分。触发部分主要有触发电路组成。触发是示波器非常重要的特征，因为示波器具有强大的触发功能，所以能够用于异常信号的捕获和电路故障的调试。五、波形的重建与显示部分。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，采集的数据传递到数据处理器，要先进行Sin（x）/x的正弦内插，或线性内插进行波形的重建，重建后的波形可以进行各种各样的参数测量、信号运算和分析等。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。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，现代的示波器显示屏幕主要是液晶显示屏。不同种类的数字示波器数字存储示波器（DSO）数字存储示波器和模拟示波器电路类似，分为水平控制部分和垂直控制部分，比模拟示波器多了显示处理部分。垂直控制部分包括信号前置预处理电路（放大或者衰减）、垂直方向预放大电路、ADC、存储单元、数据处理部分；水平控制部分包括衰减和放大电路、触发比较电路、延迟电路以及采样控制电路；显示处理部分主要将采样数据经过处理后输出到显示器上。数字荧光示波器（DPO）DPO在示波器技术上有了新的突破，能够实时显示、存储和分析复杂信号，利用三维信息(振幅、时间、及多层次辉度，用不同的辉度显示幅度分量出现的频率)充分展现信号的特征，尤其采用的数字荧光技术，通过多层次辉度或彩色能够显示长时间内信号的变化情况。DSO采用串行处理结构捕获、显示和分析信号，DPO则采用并行处理结构执行这些功能。DPO结构要求使用独特的ASIC硬件采集波形图像，提供高波形捕获速率，实现更高的信号查看水平。这种性能提高了看到数字系统中发生的瞬态事件的概率，如欠幅脉冲、毛刺和跳变错误，实现了进一步的分析功能。混合域示波器（MDO）2011年8月31日，示波器的发明者泰克公司推出了全球第一款革新性的新类型仪器——该新类型示波器集示波器和频谱仪于一体，泰克公司给这种新类型示波器命名为混合域示波器（Mixed Domain Oscilloscope），它可以帮助工程师捕获时间相关的模拟、数字和射频信号，从而获得完整的系统级观测，帮助工程师快速解决复杂的设计问题。混合信号示波器（MSO）混合信号示波器，简称MSO（Mixed-Signal Oscilloscopes）。混合信号示波器这个称呼沿袭了原HP（今Agilent）在1996年推出54645D时的说法，当时混合信号mcu正在兴起，HP正是看好这个机会才推出了混合示波器，当时HP的宣传是，首先它是一台示波器，其次还能添加逻辑分析功能。可是在之后的10年时间内只有Agilent一家在推MSO，别的示波器厂家似乎无动于衷，就是Agilent自己也只是从Mega-Zoom1进化到Mega-Zoom2。直到2006年Tektronix推出MSO4000，经过铺天盖地的宣传，MSO才逐渐得到了重视，所有厂家的热情似乎也被点燃。大家争相推出新的型号，完整的低速串行协议的触发和解码功能也被引进，逻辑分析的功能得到了大大的加强。目前除了传统的示波器4强，一些新兴的厂商也推出了MSO，比如国内的Rigol、Owon，德国的Hameg，更有厂商推出了基于PC的MSO。采样示波器采样示波器的全名为等效时间采样示波器，主要针对周期信号测量设计。与实时示波器不同，采样示波器在每次触发信号到来时只对数据采样一次，下次触发时，在触发信号后添加一个很小的延迟对信号再进行采样，直到采样到一个完整的周期波形。所以采样示波器在采样时，必须有一个触发事件。采样示波器的优点是宽带高、成本低（不需要ADC芯片）、精度高以及可以直接进行光信号的测量。行业与上下游的关系资料来源：公开资料整理、Frost & Sullivan 《全球和中国电子测量仪器行业独立市场研究报告》电子测量仪器行业上游供应商主要有电子元器件厂商、电子材料厂商、机电产品厂商、机械加工厂商和电子组装厂商等。电子元器件方面涉及主动电子元器件与被动电子元器件两大类。主动电子元器件，即能够执行数据运算、处理的组件，在测量仪器中主要起到电信号的激发放大、振荡、电流控制等功能，其在示波器、波形发生器等电子测量仪器中广泛使用，主要包括 IC 芯片、二极管、三极管等，其特点是等效电路均含有受控电源，其中 IC 芯片对电子测量仪器的基本功能进行模块化整合，是实现测量及相关处理功能的重要核心单元。目前电子测量仪器芯片的供应商以国外厂商为主。被动电子元器件，即不含有受控电源的电路组件，主要包括 RCL（电阻、电容、电感）及被动射频元器件两大类，其中 RCL 可以在测试测量仪器中起到分压分流、滤波、稳流等功能，是电路的基本组成元件，被动射频元件包含滤波器、变压器、震荡器等，在射频类仪器、电源及电子负载中被广泛应用。电子测量仪器行业下游即应用市场。电子测量仪器客户群极其广泛，所有与电子设备有关的企业，几乎都需要使用电子测量仪器。典型的下游应用领域主要包括教育与科研、工业生产、通信行业、航空航天、交通与能源、消费电子等。市场概况示波器是应用最广泛的测量仪器产品，而其中数字示波器在市场规模、应用范围上均占主导地位。数字示波器自上个世纪七十年代诞生以来，其应用越来越广泛，已成为测试工程师必备的工具之一。随着近几年来电子技术取得突破性的发展，全世界数字示波器市场进一步扩大，而作为在世界经济发展中扮演重要角色的中国，飞速发展的电子产业也催生了更庞大的数字示波器需求市场。数字示波器作为主要的通用电子测量设备，在工业生产与制造中被广泛应用。根据Frost & Sullivan《全球和中国电子测量仪器行业独立市场研究报告》，全球示波器市场规模 2019 年达到 78.30 亿元，预计 2025 年将达到 113.01 亿元，年均复合增长率6.31%；中国示波器市场规模从2015年的19.97亿元增长至2019年的26.56亿元，年均复合增长率7.39%，预计将在2025年达到42.15亿元，年均复合增长率8.00%。随着电子工业的持续高速发展，信息技术产品的智能化、网络化以及集成化程度逐步提高以及半导体、5G、人工智能、新能源、航天航空等行业驱动，数字示波器具有良好的发展前景。全球示波器市场统计及预测（2015-2025E）（亿元）中国示波器市场统计及预测（2015-2025E）（亿元）数据来源：Frost&Sullivan《全球和中国电子测量仪器行业独立市场研究报告》行业竞争情况示波器行业市场较为集中，根据 Frost&Sullivan《全球和中国电子测量仪器行业独立市场研究报告》，2019年，排名前五的企业占据了全球市场的50.40%，占据了中国市场的43.1%。从全球市场销量来看，行业内优势企业是德科技、泰 克、力科、罗德与施瓦茨等企业垄断了大部分市场份额。由于半导体工艺、单功能模块技术、系统架构技术等限制，国际巨头凭借着多年的积累有着良好的优势，占据着市场前四的份额。随着电子产业测试需求的进步，特别是5G、云服务、视频流、物联网、新能源、消费电子等新兴领域市场的工业客户都需要面临接口速率提升所带来的更高测试要求，因此对中高端示波器产品的需求将与日俱增。由于2GHz带宽以上示波器核心芯片无法通过公开市场进行采购，国内示波器厂商主要集中在中低端示波器产品领域。随着中国加大对上游 ADC 芯片、FPGA等领域的投资，上游芯片供应商发展逐步崛起，国内示波器厂商正逐渐从经济型示波器向中高端型市场发展。国内已经有示波器厂商通过自研示波器核心芯片，特别是在模拟前端芯片和ADC芯片上，具有了自主研发芯片的能力，突破了带宽和采样率的技术壁垒，突破了示波器4GHz 带宽、20GSa/s 采样率的技术限制，初步具备在高端型4GHz以上带宽市场与国外龙头厂商竞争的能力。部分示波器企业介绍公司名称简介是德科技是德科技公司的业务起源于美国惠普公司，是惠普公司电子测量集团1999年经重组成为安捷伦科技、2014年再次分拆在纽交所上市（股票代码：KEYS）而成立的一家高科技跨国公司。公司总部位于美国加州圣罗莎市。业务涉及电子测量仪器、系统和相关软件，软件设计工具和服务等。泰克泰克成立于1946年，是世界第一台触发式示波器的发明者。泰克于2016年7月加入福迪威集团（英文名Fortive Corporation，美国纽交所上市代码FTV）成为该集团测试测量业务板块的重要组成部分。罗德&施瓦茨1933年罗德与施瓦茨公司(R&S)正式成立，总部位于德国。1985年起在北京正式开展技术服务并设立了第一家代表处，是在中国最早设立代表机构的100家外资企业之一。R&S公司向中国市场提供了众多高科技、高精度、高质量的无线通信，测试与测量和广播电视产品及解决方案。力科LeCroy成立于1964年，是一家专业生产示波器厂家。旗下生产有数字示波器、SDA系列数字示波器、混合信号示波器、模块化仪器、任意波形发生器。1976年公司将总部搬到了纽约州Chestnut Ridge地区并保持至今。2012年，力科与世界著名的高科技公司Teledyne合并，力科公司名称由LeCroy改名为Teledyne LeCroy。福禄克福禄克电子仪器仪表公司于1948年成立，Fortive 集团的全资子公司。福禄克总部设在美国华盛顿州的埃弗里特市。普源精电普源精电（RIGOL）创立于1998年，主要产品包括数字示波器、波形发生器、射频类仪器、电源及电子负载、万用表及数据采集器等。2019年公司推出了 “凤凰座 ”数字示波器核心芯片组，并成功实现了产品产业化。2022年3月1日，证监会同意普源精电首次公开发行股票的注册申请。鼎阳科技2002年，鼎阳科技创业者们成立研发工作室开始研发自主示波器。2007年与力科成为战略合作伙伴。2021年成功登录科创板，成为通用电子测试测量仪器行业首家A股上市公司。电科思仪电科思仪原为中电科仪器仪表有限公司，成立于2015年5月8日，本部位于山东青岛，2020年3月31日完成混改工商变更，成为混合所有制形式下的（国有控股）有限责任公司，2020年12月31日完成股改工商变更，更名为“中电科思仪科技股份有限公司”，成为股份有限公司,主要从事微波/毫米波、光电、通信、基础通用类测量仪器以及自动测试系统、微波毫米波部件等产品的研制、开发和批量生产，并为军、民用电子元器件、组件、整机和系统的研制、生产提供检测与应用，致远电子广州致远电子有限公司创立于2001年，作为智能物联生态系统产品与解决方案供应商，专注服务工业领域企业类用户，提供从感知控制、互联互通、边缘计算到ZWS IoT-PaaS云平台的产品与系统化方案。固纬电子固纬电子成立于1975年，是电子测试测量仪器领域的专业制造商，由最初的电源迅速发展到高精度电子测试测量仪器领域。如今，固纬电子涉及了从示波器、频谱分析仪、信号发生器、电源、基本测试测量仪器到电池测试系统等400多种产品。

成果名称基于光纤激光器的可见光频率梳、20GHz可见光波段天文光学频率梳单位名称北京大学联系人马靖联系邮箱mj@labpku.com成果成熟度□研发阶段 □原理样机 &radic 通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介：光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。利用频率梳测量频率时，需要频率梳的频率间隔在200MHz以上，以便波长计数器计量波数。特别地，类地行星观测需要20GHz以上频率间隔的频率梳来定标光谱仪，这个频率间隔一般的光纤激光器无法达到，目前只能依靠法布里-珀罗（FP）滤波装置进行频率倍增。由于FP透射光谱的有限线宽会导致边模泄露，从而影响天文光谱仪的定标精度，因此需要源激光频率梳本身的频率间隔尽量大，以抑制边模。可见，研制高重复频率（大频率间隔）的频率梳已经成为国际激光器和频率梳领域研究的热点和难点。目前该产品的国内市场基本上被德国Menlo System公司生产的基于掺镱光纤激光器的可见光域频率梳垄断，我国亟需研制出具有自主知识产权的光梳设备。2011年，北京大学信息学院张志刚教授申请的&ldquo 基于光纤激光器的可见光频率梳&rdquo 得到第三期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在基金经费支持下，通过关键配件的购置和加工，该项研究得以顺利开展。课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作，包括：（1）搭建高重复频率、1um波长的锁模光纤激光器，作为频率梳&ldquo 种子源&rdquo ；（2）研究初始频率和腔内色散的关系，以得到更高信噪比的初始频率信号；（3）利用合适的色散补偿元件对种子源输出的脉冲进行色散补偿，并进行多级反向放大，使其输出功率满足频率梳要求；（4）试验多种光子晶体光纤，以获得更宽的、覆盖可见光域的光谱。通过以上工作的开展，课题组成功研制出了国际首创的500MHz光学频率梳样机，而Menlo公司同类产品重复频率仅为250M。这一技术的产品化将打破外国公司在国内市场的垄断，填补国内外市场的空白。在第三期项目工作的基础上，张志刚课题组的王爱民副教授申请的&ldquo 20GHz可见光波段天文光学频率梳的研制&rdquo 项目在2012年得到了第四期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在第四期基金的支持下，项目组发展了前期500MHz高重复频率的光学频率梳的研究成果，开展了更加深入的工作，包括：（1）利用FP技术对500MHz重复频率的稳定光梳进行倍频，获得20GHz、1m波段的稳定光学频率梳；（2）对20GHz光学频率梳进行功率放大、脉冲压缩和倍频，实现515nm波段的蓝光飞秒光梳源；（3）利用拉锥光子晶体光纤对飞秒蓝光光梳进行可见光扩谱，达到400-750nm的光谱覆盖。通过这些工作，课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。这两期项目目前已经结题，其成果已进入产品化阶段，科技转化前景良好。相关成果受到了北京市科委的高度重视。课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作。课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。应用前景：光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。