新凱來的高端示波器，是什么水平？

新凱來旗下子公司萬里眼發(fā)布全球領(lǐng)先90GHz超高速實(shí)時(shí)示波器，成為近期市場(chǎng)的焦點(diǎn)之一。

報(bào)道顯示，萬里眼示波器具有三大特色，首先是超強(qiáng)性能：帶寬高達(dá)90GHz，位居全球第二，每通道采樣率達(dá)200GSa/s，存儲(chǔ)深度4Gpts，為同級(jí)別產(chǎn)品兩倍。其次是超高智能，是全球首個(gè)超高速智能示波器，首創(chuàng)了智能參數(shù)尋優(yōu)功能，并且支持智能噪聲抑制。滿足高精度測(cè)試需求。第三，則是使用體驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化，作為全球首個(gè)全面屏示波器，具有極致簡(jiǎn)約設(shè)計(jì)美學(xué)，以及智能終端式的交互。

從市場(chǎng)參與者來看，歐美廠商占據(jù)示波器市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，行業(yè)內(nèi)優(yōu)勢(shì)企業(yè)包括是德科技、泰克、力科、羅德與施瓦茨、橫河等企業(yè)壟斷了大部分市場(chǎng)份額，國(guó)內(nèi)參與者有普源精電、鼎陽股份、電科思儀等，正在逐步縮小與國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)的差距。萬里眼的加入，繼續(xù)壯大了國(guó)產(chǎn)陣營(yíng)。

基礎(chǔ)儀器市場(chǎng)規(guī)模占比情況

作為電子產(chǎn)業(yè)最基礎(chǔ)的工具之一，在研發(fā)及生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要作用，另外，值得重要的一點(diǎn)是，中國(guó)市場(chǎng)長(zhǎng)期受西方出口管制制約，帶寬60GHz以上的實(shí)時(shí)示波器被禁止進(jìn)入中國(guó)，部分單位甚至無法獲取20GHz以上設(shè)備。這讓我們必須沖擊高端示波器市場(chǎng)，也是萬里眼公司的價(jià)值。

示波器分類與市場(chǎng)情況

示波器主要分為模擬示波器和數(shù)字示波器兩大類，其中數(shù)字示波器在市場(chǎng)規(guī)模和應(yīng)用范圍上均占據(jù)主導(dǎo)地位。自上世紀(jì) 70 年代數(shù)字示波器誕生以來，其應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展，現(xiàn)已成為測(cè)試工程師工作中不可或缺的工具之一。

隨著電子工藝的持續(xù)高速發(fā)展，信息技術(shù)產(chǎn)品在智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及集成化方面的程度逐步提升，同時(shí)在半導(dǎo)體、5G、人工智能、新能源、航天航空等行業(yè)的推動(dòng)下，示波器面臨著因接口速率提升而帶來的更高測(cè)試要求，向中高端化發(fā)展已成為必然趨勢(shì)。另外，則是電子、半導(dǎo)體和汽車行業(yè)正在迅速發(fā)展，研發(fā)投資不斷增加，特別是在高速度電路驗(yàn)證和自動(dòng)化測(cè)試中示波器的需求在提升。同時(shí)，一些現(xiàn)場(chǎng)診斷類應(yīng)用的改變，使得便攜式產(chǎn)品的需求不斷增長(zhǎng)。

2025年全球示波器市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)在20-35億美元之間，未來年均增速超過8%。

關(guān)于示波器核心性能指標(biāo)

萬里眼強(qiáng)調(diào)了三個(gè)性能指標(biāo)，接下來就來盤點(diǎn)一下帶寬、采樣率和存儲(chǔ)深度，這三項(xiàng)指標(biāo)共同決定了示波器的測(cè)量能力與精度。

萬里眼與是德科技Infiniium UXR系列產(chǎn)品

帶寬

帶寬是示波器最核心的性能指標(biāo)，對(duì)示波器測(cè)量信號(hào)的基本能力起著決定性作用。

當(dāng)在示波器輸入端通入正弦波信號(hào)時(shí)，該正弦波幅度衰減至 - 3dB（即原幅度的 70.7%）時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)，就是該示波器的帶寬。

帶寬直接決定了示波器能夠測(cè)量信號(hào)的頻率范圍，而示波器前端通道的放大器是影響帶寬乃至垂直系統(tǒng)性能的核心元器件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，示波器前端通道開始采用鍺硅和磷化銦集成電路制程，這一技術(shù)改進(jìn)使得示波器能夠獲得更低的本地噪聲和更寬的帶寬。

為了研發(fā)出更高帶寬的示波器產(chǎn)品，各大廠商紛紛投入技術(shù)研發(fā)。2012 至 2017 年期間，是德科技率先采用 RealEdge 技術(shù)，將示波器帶寬提升到 63GHz；隨后，泰克和力科分別采用異步時(shí)序交織（ATI）技術(shù)和數(shù)字寬帶交織（DBI）技術(shù)，成功將示波器的帶寬提升至 70GHz 和 100GHz。這三種技術(shù)的基本原理相似，均是通過混頻器或取樣器將高頻段的頻譜搬移到低頻段，再傳輸?shù)胶蠖说哪?shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行數(shù)字化處理，最后在數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）中對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的還原。2018 年，是德科技采用磷化銦集成電路工藝，將前置放大器、觸發(fā)和采樣器進(jìn)行集成開發(fā)，研制出了帶寬達(dá)到 110GHz 的高性能示波器模擬前端模塊。

在選用示波器時(shí)，主要遵循 “五倍法則”，即示波器的帶寬應(yīng)大于或等于 5 倍的信號(hào)最高頻率。按照這一原則選擇的示波器，在測(cè)量過程中通常能夠提供小于 2% 的誤差，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

帶寬不足的影響

若示波器帶寬不足，會(huì)對(duì)信號(hào)的捕獲產(chǎn)生不良影響，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

被測(cè)信號(hào)的上升沿會(huì)變緩，無法準(zhǔn)確反映信號(hào)的變化速度；

信號(hào)的高頻分量會(huì)減少，導(dǎo)致方波信號(hào)出現(xiàn)失真；

信號(hào)的相位會(huì)出現(xiàn)失真，影響對(duì)信號(hào)相位關(guān)系的準(zhǔn)確判斷。

采樣率

采樣率是示波器的第二核心指標(biāo)，直接關(guān)系到示波器對(duì)波形捕獲的精確度。

采樣率也被稱為采樣速度或采樣頻率，它定義了每秒從連續(xù)信號(hào)中提取并組成離散信號(hào)的個(gè)數(shù)，直接決定了示波器模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的水平量化精度和能力。一般而言，示波器的采樣率越高，所捕獲的波形就越接近信號(hào)的真實(shí)波形。

與帶寬的關(guān)系

根據(jù)奈奎斯特采樣定律，為了在所需帶寬內(nèi)準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)所有信號(hào)內(nèi)容，示波器的采樣率必須超過帶寬的兩倍，這是保證信號(hào)能夠被準(zhǔn)確采集和還原的重要依據(jù)。

技術(shù)演進(jìn)

隨著示波器帶寬的不斷提升，對(duì)采樣率的要求也日益提高。而示波器前端 ADC 的性能決定了采樣率的大小，目前在提高采樣率方面主要采用的技術(shù)有時(shí)間交織采樣技術(shù)（TIS）、數(shù)字帶寬交織技術(shù)（DBI）和異步時(shí)序交織技術(shù)（ATI）。

時(shí)間交織采樣技術(shù)（TIS）：是德科技在其高端示波器中采用了該技術(shù)，使示波器的采樣率達(dá)到 256GSa/s。該技術(shù)的核心是一塊具有 24 層的采集板，采集板由四個(gè)采樣率為 64GSa/s 的 ADC 陣列、四個(gè) 100 萬門的存儲(chǔ)控制器、兩個(gè)信號(hào)處理可編程邏輯陣列（FPGA）、大容量的超高速存儲(chǔ)器以及用戶可選的硬件帶寬限制濾波器等部分組成，并且支持對(duì)幅度和相位的平坦頻率響應(yīng)進(jìn)行校正。

數(shù)字帶寬交織技術(shù)（DBI）：力科在其高端示波器中應(yīng)用了該技術(shù)，采樣率可達(dá) 240GSa/s。數(shù)字帶寬交織技術(shù)又稱為下變頻混頻技術(shù)，其工作原理是采用一組 ADC 陣列采集示波器通道的上半部分信號(hào)，同時(shí)使用另一組 ADC 陣列采集示波器通道的下半部分信號(hào)，之后在 DSP 中將兩部分信號(hào)進(jìn)行拼接，從而重建完整的波形。簡(jiǎn)單來說，就是將高頻段的頻譜搬移到低頻段，以滿足后端 ADC 對(duì)采樣率的需求。

異步時(shí)序交織技術(shù)（ATI）：泰克的高端示波器采用了該技術(shù)，采樣率能夠達(dá)到 200GSa/s。異步時(shí)序交織技術(shù)也稱為下變頻取樣技術(shù)，它同樣采用兩組 ADC 陣列分別采集示波器通道上下兩部分的信號(hào)，再在 DSP 中完成信號(hào)拼接與波形重建。與數(shù)字帶寬交織技術(shù)不同的是，它會(huì)將高頻段和低頻段的頻譜同時(shí)進(jìn)行搬移，以此滿足后端 ADC 采樣率的要求。由于異步時(shí)序交織技術(shù)的上下兩條信號(hào)采集路徑采用完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，采集通道兩側(cè)之間的傳播延時(shí)或相移沒有明顯差異，噪聲的功率頻譜密度能夠均勻地分布到總采樣率中。

存儲(chǔ)深度

存儲(chǔ)深度是示波器的第三核心指標(biāo)，決定了示波器所能捕捉信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。存儲(chǔ)深度表示示波器可以保存的采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

從物理介質(zhì)角度來看，存儲(chǔ)深度實(shí)際上是某種存儲(chǔ)器的容量，可將其簡(jiǎn)單理解為一個(gè)環(huán)形存儲(chǔ)器。在示波器工作過程中，不斷采樣得到的新采樣點(diǎn)會(huì)填充到存儲(chǔ)器中，而存儲(chǔ)器中原本存儲(chǔ)的老采樣點(diǎn)則會(huì)自動(dòng)溢出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)新信號(hào)的持續(xù)捕捉。

存儲(chǔ)深度、采樣率和采樣時(shí)間三者之間存在一個(gè)重要的公式關(guān)系：存儲(chǔ)深度 = 采樣率 × 采樣時(shí)間。這一公式表明，當(dāng)需要測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)的信號(hào)時(shí)，由于示波器的存儲(chǔ)深度是固定不變的，為了滿足測(cè)量時(shí)長(zhǎng)的要求，只能降低采樣率。但采樣率的降低會(huì)導(dǎo)致所捕獲的波形細(xì)節(jié)減少，從而降低波形質(zhì)量，因此在實(shí)際測(cè)量中需要根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)和測(cè)量需求，合理平衡采樣率和存儲(chǔ)深度。

國(guó)產(chǎn)陣營(yíng)：從 “跟跑” 到 “并跑”

除了萬里眼，其他國(guó)產(chǎn)公司也在朝著高端市場(chǎng)進(jìn)軍。

普源精電

2023年，普源精電發(fā)布DS80000系列數(shù)字示波器，是自主研發(fā)的第八代數(shù)字示波器，基于StationMAX II代平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了最高40GSa/s實(shí)時(shí)采樣率、13GHz模擬帶寬。除硬件指標(biāo)的提升，DS80000系列數(shù)字示波器還提供了多種人性化設(shè)計(jì)，保證了高質(zhì)量的客戶體驗(yàn)。

值得一提的是，由于各廠商均采用通用芯片和通用示波器方案，導(dǎo)致低端示波器市場(chǎng)門檻較低，而高端示波器的 ADC 芯片需要自研，RIGOL于2007年開始自研示波器芯片，是國(guó)內(nèi)唯一一家擁有搭載自研核心芯片組示波器并成功產(chǎn)業(yè)化的公司。

鼎陽股份

鼎陽股份的SDS8000A系列高分辨率數(shù)字示波器，最大帶寬16 GHz，采樣率40 GSa/s，具有12-bit垂直分辨率、優(yōu)秀的本底噪聲性能和垂直測(cè)量精度，提供4個(gè)模擬通道，存儲(chǔ)深度可達(dá)2 Gpts/通道，能滿足更高帶寬、更高精度的測(cè)量需求。

示波器的戰(zhàn)爭(zhēng)同樣是芯片能力的戰(zhàn)爭(zhēng)

專有芯片的戰(zhàn)略正在推進(jìn)示波器行業(yè)的發(fā)展，從是德科技的磷化銦，到泰克最新7系列示波器定制的Tek079 與 Tek085 ASIC芯片組，再到R&S最新3系列成本優(yōu)化型示波器所采用的MXO-EP 專用芯片，大家都瞄準(zhǔn)了專用芯片的差異化。國(guó)內(nèi)則是以RIGOL為代表的企業(yè)很早前就進(jìn)行了芯片的研發(fā)。此次萬里眼90GHz示波器的發(fā)布盡管沒有公布任何芯片細(xì)節(jié)，相信也代表了我國(guó)基礎(chǔ)儀器用芯片正在突破。

總結(jié)

展望未來，隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)在核心技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域持續(xù)深耕，以新凱來萬里眼為代表的創(chuàng)新力量不斷崛起，國(guó)產(chǎn)示波器在中高端市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將持續(xù)增強(qiáng)。在國(guó)家政策扶持與市場(chǎng)需求升級(jí)的雙重引擎驅(qū)動(dòng)下，本土企業(yè)正以破竹之勢(shì)突破高端示波器核心部件的技術(shù)封鎖，加速實(shí)現(xiàn)從 “跟跑者” 到 “并跑者” 乃至 “領(lǐng)跑者” 的跨越。可以預(yù)見，國(guó)產(chǎn)示波器將在全球市場(chǎng)版圖中占據(jù)更大份額，不僅成為推動(dòng)電子產(chǎn)業(yè)革新的中堅(jiān)力量，更將作為 “中國(guó)智造” 的卓越典范，激勵(lì)更多國(guó)產(chǎn)高科技企業(yè)勇立潮頭，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)舞臺(tái)上綻放中國(guó)創(chuàng)新的璀璨光芒。

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