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“科學(xué)源于測(cè)量，沒(méi)有測(cè)量，就沒(méi)有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)。”——門捷列夫
1、測(cè)量的科學(xué)觀
科學(xué)總是探索和解讀客觀世界的新現(xiàn)象，研究和掌握新規(guī)律，總是在不懈地追求真理?？茖W(xué)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、客觀的、可重復(fù)的、可量化的、實(shí)事求是的，與此同時(shí)，科學(xué)研究又是充滿創(chuàng)造性的?？茖W(xué)，尤其是自然科學(xué)，其最重要的目標(biāo)之一，就是追尋自然界運(yùn)行的最本質(zhì)的規(guī)律。科學(xué)的這種不懈追求精神，是人類進(jìn)步的一種最基本的動(dòng)力源泉。
哲學(xué)早于科學(xué)，很多哲學(xué)思辨后來(lái)被科學(xué)測(cè)量取代。“現(xiàn)代化學(xué)之父”拉瓦錫有一個(gè)信條：“必須用天平進(jìn)行精確測(cè)定來(lái)確定真理。”在研究燃燒等一系列的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，拉瓦錫通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了極其重要的質(zhì)量守恒定律。質(zhì)量守恒定律奠定了化學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。
科學(xué)源于測(cè)量，從觀測(cè)微觀的納米尺度到宏觀的宇宙大小，從弱相互作用力到引力波測(cè)量，從質(zhì)量到能量、時(shí)間到空間，測(cè)量無(wú)所不在。測(cè)量的進(jìn)步就是科學(xué)的進(jìn)步，測(cè)量能力決定科學(xué)研究高度。
圖1：安托萬(wàn)·拉瓦錫，法國(guó)著名化學(xué)家、生物學(xué)家，被后世稱為"現(xiàn)代化學(xué)之父"。
圖2：在研究“燃燒”的一系列實(shí)驗(yàn)中，拉瓦錫通過(guò)精確的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)雖然在一系列化學(xué)反應(yīng)中改變了狀態(tài)，但參與反應(yīng)的物質(zhì)的總量在反應(yīng)前后都是相同的。這便是化學(xué)反應(yīng)的基本定律——質(zhì)量守恒定律
科學(xué)是從定量的觀察和實(shí)驗(yàn)發(fā)展出來(lái)的，衡量一個(gè)目標(biāo)的多少、大小，最關(guān)鍵的動(dòng)作就是測(cè)量。測(cè)量科學(xué)的先驅(qū)凱爾文說(shuō)“一個(gè)事物你如果能夠測(cè)量它, 并且能用數(shù)字來(lái)表達(dá)它,你對(duì)它就有了深刻的了解,但如果你不知道如何測(cè)量它,且不能用數(shù)字表達(dá)它,那么你的知識(shí)可能就是貧瘠的,是不令人滿意的。”測(cè)量是知識(shí)的起點(diǎn),也是進(jìn)入科學(xué)殿堂的開(kāi)端。測(cè)量的邊界就是客觀世界的邊界，測(cè)量的準(zhǔn)確就是對(duì)“存在”最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x。我們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)是由可量化的實(shí)驗(yàn)與測(cè)量推進(jìn)的，而測(cè)量在認(rèn)知世界時(shí)更具有本源性方向。任何科學(xué)理論都得從“可測(cè)量”開(kāi)始，是各種可量化的科學(xué)模型與科學(xué)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了我們的世界觀。測(cè)量就是科學(xué)的世界觀。
2、數(shù)字示波器“鴻蒙初辟”
電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器是電子工程師進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)證不可或缺的工具，示波器作為其中最核心的一員，一直見(jiàn)證和推動(dòng)著電子測(cè)試測(cè)量行業(yè)的發(fā)展。
圖3：數(shù)字示波器里程碑產(chǎn)品編年史
我們從一切的起源——晶體管開(kāi)始講起。
電子工業(yè)大約始于一個(gè)世紀(jì)之前，無(wú)線電電臺(tái)和雷達(dá)這兩種代表性產(chǎn)品，在第二次世界大戰(zhàn)期間通信中發(fā)揮了重要作用。早期的電子系統(tǒng)采用了“真空管”，即在真空室中控制極板板間的電子流動(dòng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能的器件。然而，真空管使用壽命短、體積大、功耗高，研究人員繼續(xù)不斷尋求具有更好性能的電子器件。第一個(gè)晶體管是在20世紀(jì)40年代發(fā)明的，它的使用壽命非常長(zhǎng)，并且體積要小得多。晶體管出現(xiàn)后迅速取代了真空管。
直到20世紀(jì)60年代，微電子學(xué)，即研究和制造微米和亞微米尺度電路的科學(xué)開(kāi)始發(fā)展，工程師們將由多個(gè)微型晶體管和無(wú)源元件組成的電路集成在單個(gè)半導(dǎo)體襯底上制成集成電路，大幅縮小了電路體積并且提高了性能。20世紀(jì)70年代，高速ADC技術(shù)以及數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)字示波器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
圖4：早期的真空管（左）、世界上第一個(gè)鍺晶體管（右）
1971年，LeCroy（力科）制造了世界上第一臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)字示波器——WD 2000，具有100MHz帶寬。值得一提的是，這臺(tái)示波器僅用1ns的時(shí)間就收集了20個(gè)信號(hào)樣本，換句話說(shuō)，LeCroy早在上世紀(jì)70年代就實(shí)現(xiàn)了1GSa/s采樣率，領(lǐng)先了行業(yè)20年！
圖5： LeCroy-WD2000，將實(shí)時(shí)ADC、存儲(chǔ)器、顯示器集成到一個(gè)盒子中的波形數(shù)字化儀，是世界上第一臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)字示波器。
圖6： LeCroy-WD2000的心臟-數(shù)據(jù)采集板（這是基于LeCroy應(yīng)用于核物理采集卡中的電流采樣ADC而研發(fā)出來(lái)的）
18年后，另一家電子科技電子公司Hewlett-Packard（惠普，HP）也推出了其第一款同樣具有100MHz帶寬的數(shù)字示波器。不久后，在1992年，Tektronix（泰克）以500MHz帶寬，1GSa/s采樣率，開(kāi)始了其對(duì)于數(shù)字示波器的探索之旅。
圖7：HP-HP54501A（左）、Tektronix-TDS500（右）
早期的數(shù)字示波器仍然使用CRT顯示屏，其與模擬示波器的不同在于對(duì)被測(cè)信號(hào)的處理方式。得益于集成電路（IC）技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字示波器使用寬帶放大器、高速ADC（Analog to Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、存儲(chǔ)器（Memory）對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、采樣、量化、存儲(chǔ)和顯示等一系列處理，實(shí)現(xiàn)了模擬示波器所不具備的更高帶寬和波形存儲(chǔ)回放能力。
集成電路（IC）實(shí)現(xiàn)這些功能的核心。所謂IC，就是利用半導(dǎo)體工藝在單個(gè)半導(dǎo)體襯底上制作多個(gè)二極管、三極管及電阻、電容等元器件件，并連接成可實(shí)現(xiàn)特定電路功能的器件。
圖8： 1947年在貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）誕生的世界上第一個(gè)鍺晶體管（左）、1954年美國(guó)德州儀器（Texas Instruments）制造的二極管（中）、1961年美國(guó)仙童公司（(Fairchild）制造的MOSFET（右）
1958年，一位德州儀器公司的工程師Jack Kilby用幾根凌亂的導(dǎo)線將五個(gè)均由半導(dǎo)體材料制成的電子元件連接在一起，就形成了世界上第一個(gè)集成電路，這是集成電路技術(shù)的歷史性一步。
隨后，集成電路技術(shù)迅速發(fā)展，1965年Intel公司戈登·摩爾提出摩爾定律（Moore’s Law），預(yù)測(cè)單位面積上集成的晶體管數(shù)量每18個(gè)月提高一倍。1971年，Intel®（英特爾）發(fā)布了全球第一個(gè)微處理器4004，一個(gè)由2300個(gè)晶體管組成的集成電路，與世界上第一臺(tái)數(shù)字示波器同年誕生。
到了20世紀(jì)70年代末，64KB動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器誕生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14萬(wàn)個(gè)晶體管，標(biāo)志著超大規(guī)模集成電路（VLSI）時(shí)代的來(lái)臨。
圖9：世界上第一塊集成電路板（左）、Intel®4004微處理器（右）
圖10： Intel®聯(lián)合創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore），于1965年提出了摩爾定律：集成電路上單位面積可以容納的晶體管數(shù)目大約每經(jīng)過(guò)18個(gè)月便會(huì)增加一倍
芯片中晶體管數(shù)量的劇增得益于工藝制程的進(jìn)步。半導(dǎo)體工藝制程是指集成電路產(chǎn)業(yè)晶圓制造中最為頂尖的若干個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)，隨著時(shí)間不斷演變升級(jí)。根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)線路圖（ITRS）的規(guī)定，制程節(jié)點(diǎn)代數(shù)通常以晶體管的半節(jié)距或柵極長(zhǎng)度等特征尺寸來(lái)表示，以衡量集成電路的工藝水平。
圖11：集成電路制程節(jié)點(diǎn)演進(jìn)
為了實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量帶寬，相比于電腦CPU等芯片而言，數(shù)字示波器芯片更關(guān)心半導(dǎo)體工藝的速度，而不僅是晶體管密度。通常工藝的速度用晶體管截止頻率（fT ）來(lái)衡量，它是晶體管電流增益下降到1倍的邊界頻率。隨著半導(dǎo)體加工工藝精細(xì)程度的提高，SiGe、InP等高電子遷移率半導(dǎo)體材料的使用，器件結(jié)構(gòu)的持續(xù)革新，使得芯片上晶體管截止頻率不斷攀升，這也為高帶寬示波器的研制創(chuàng)造了條件。
圖12：fT 工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn)
隨著半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步，相同面積的芯片上可安放元件越來(lái)越多，集成電路的集成度也大大提高，促使數(shù)字示波器的芯片性能越來(lái)越強(qiáng)大。作為電子測(cè)量領(lǐng)域最廣泛使用的測(cè)量工具，現(xiàn)代的示波器已經(jīng)是一套非常復(fù)雜的信號(hào)采集和處理顯示系統(tǒng)，也是工程師做電路調(diào)試分析的有效工具。
3、數(shù)字示波器“百家爭(zhēng)鳴”
1996年，LeCroy推出了擁有最高1.5GHz帶寬，8GSa/s采樣率的數(shù)字示波器系列LC584/LC684，拉開(kāi)了高帶寬、高采樣率的高性能數(shù)字示波器的序幕。此后，這兩項(xiàng)指標(biāo)成為了各個(gè)廠商爭(zhēng)相追逐的目標(biāo)，數(shù)字示波器行業(yè)“百家爭(zhēng)鳴”的時(shí)代就此到來(lái)。
圖13：LeCroy-LC584/LC684
此后，Tektronix分別于1998年和2000年推出了具有最高2GHz帶寬的TDS500D/TDS700D和具有4GHz帶寬的TDS7000系列數(shù)字示波器，一直占據(jù)著當(dāng)時(shí)的行業(yè)領(lǐng)軍地位。直到2002年，蟄伏數(shù)年，已從HP拆分出的Agilent（安捷倫）公司推出的最高7GHz帶寬，20GSa/s采樣率的54850系列數(shù)字示波器打破了這一局面。其于2004年問(wèn)世的DSO80000B系列產(chǎn)品以13GHz帶寬，40GSa/s采樣率引領(lǐng)了數(shù)字示波器向10GHz+帶寬方向發(fā)展。
圖14： Tektronix-TDS500D/TDS700D（左）、Tektronix-TDS7000（中）、Agilent-DSO80000B（右）
你方唱罷我登場(chǎng)，這期間各家公司陸續(xù)推出代表著自己最高技術(shù)的產(chǎn)品，爭(zhēng)奪行業(yè)王座。到了2009年，LeCroy公司新推出WaveMaster 8 Zi系列，提供了高達(dá)45GHz的帶寬，120GSa/s的采樣率。而后的近十年，LeCroy不停地更新?lián)Q代，從WaveMaster系列到LabMaster系列，其高帶寬實(shí)時(shí)示波器的帶寬已經(jīng)達(dá)到了100GHz，采樣率也達(dá)到了240GSa/s，在測(cè)試測(cè)量行業(yè)中占據(jù)了一席之地。
圖15：LeCroy – WaveMaster 8Zi(BW:45G|120GSa/s)(左)、LabMaster10Zi(BW:65G|160GSa/s)(中)、LabMaster10-100Zi(BW:100G|240GSa/s)(右)
目前市場(chǎng)上高端數(shù)字示波器的發(fā)展趨勢(shì)在于其帶寬、采樣率在朝更高方向攀越。除了上文提到的LeCroy，作為行業(yè)領(lǐng)軍者的Tektronix也在2015年推出了其最高性能的DPO70000SX系列數(shù)字示波器（70GHz帶寬，200GSa/s采樣率）；而Keysight（是德科技，于2013年從Agilent拆分）公司不斷創(chuàng)新，在2018年發(fā)布的具有110GHz帶寬和256GSa/s采樣率的UXR系列數(shù)字示波器代表著目前行業(yè)的最高水準(zhǔn)。
圖16： Tektronix–DPO70000SX（左）、Keysight-UXR系列（右）
近些年來(lái)，隨著通信、消費(fèi)、存儲(chǔ)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)速度和帶寬密集型應(yīng)用的要求不斷提高，信號(hào)速率也在快速提升。這對(duì)數(shù)字示波器等測(cè)量?jī)x器的性能需求更為苛刻，帶寬的高低直接決定了能夠測(cè)量到的信號(hào)速率上限以及被測(cè)信號(hào)的真實(shí)性，高帶寬實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的出現(xiàn)成為必然。“凡諸子百家，蜂出并作，各引一端，崇其所善”。無(wú)論是上文提到的測(cè)試測(cè)量行業(yè)先行者們，還是一些后起之秀，都在用他們的智慧不斷創(chuàng)新、追逐突破，滿足電子行業(yè)快速變化帶來(lái)的高要求測(cè)量需求。
圖17：數(shù)字示波器帶寬突破
對(duì)于從事電子行業(yè)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)人員來(lái)說(shuō)，數(shù)字示波器是一個(gè)不可或缺的工具。然而，數(shù)字示波器的用途并不局限在電子領(lǐng)域。在安裝合適的傳感器時(shí)，數(shù)字示波器也可以測(cè)量各種非電學(xué)量。傳感器是將被測(cè)量（如聲音、機(jī)械壓力、壓強(qiáng)、光線或熱量）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，比如麥克風(fēng)就是將聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。汽車工程師使用數(shù)字示波器將傳感器發(fā)來(lái)的模擬數(shù)據(jù)與引擎控制單元的串行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)；醫(yī)療研究員使用數(shù)字示波器來(lái)測(cè)量腦波……從物理學(xué)家到維修技術(shù)人員，從工業(yè)類電子到消費(fèi)類電子，從教育實(shí)驗(yàn)到航空航天，數(shù)字示波器可供各行各業(yè)各類人員使用。
圖18：數(shù)字示波器在各行業(yè)的應(yīng)用
從1971年數(shù)字示波器問(wèn)世至今，示波器產(chǎn)品技術(shù)不斷更新?lián)Q代，小到前端模擬運(yùn)放，大到核心信號(hào)處理芯片組，無(wú)一不是幾代人積累下來(lái)的測(cè)量成果。然而，與這些行業(yè)頂尖產(chǎn)品工藝進(jìn)行對(duì)比，我國(guó)的測(cè)試測(cè)量?jī)x器依然有著明顯的差距。模擬高速芯片工藝、微組裝工藝，高性能的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片（ADC）以及高效的算法等等都是國(guó)人需要努力追趕的方向。
隨著國(guó)家科技實(shí)力的發(fā)展，航空航天、國(guó)防、5G和新能源技術(shù)不斷地進(jìn)步，而測(cè)量的進(jìn)步，正是國(guó)家科技研究提升的基礎(chǔ)。“博觀而約取，厚積而薄發(fā)”，中國(guó)也涌現(xiàn)出一些優(yōu)秀的電子測(cè)量?jī)x器生產(chǎn)廠家，堅(jiān)信通過(guò)我們的硬核科技創(chuàng)新、核心技術(shù)突破，必將推進(jìn)中國(guó)測(cè)試測(cè)量行業(yè)的蓬勃發(fā)展，進(jìn)而成就中國(guó)科技探索的無(wú)限可能！
