用示波器的第三維發(fā)現(xiàn)問題
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引言
示波器的顯示質(zhì)量極大影響能否有效進行設(shè)計查錯。如果您的示波器只有低質(zhì)量的顯示，您就不可能看到關(guān)鍵的信號異常。能示出信號亮度等級的示波器也能展示重要的波形細節(jié)，包括揭示各種模擬和數(shù)字應(yīng)用中的信號異常。
本文比較最新一代混合信號示波器（MSO）、較老的數(shù)字存儲示波器（DSO）和傳統(tǒng)模擬示波器所得到各種模擬和數(shù)字信號的顯示質(zhì)量。除了主觀比較示波器顯示質(zhì)量外，我們還討論比較不同示波器顯示質(zhì)量的客觀方法。
第三維：亮度調(diào)制
工程師一般認為數(shù)字存儲示波器（DSO）是一種用圖形方式顯示電壓—時間關(guān)系的二維儀器。但示波器實際存在著第三維：Z軸。第三維示出連續(xù)波形亮度等級，它是信號在特定X-Y位置所產(chǎn)生頻度的函數(shù)。在模擬示波器中，亮度調(diào)制是電子束掃描示波器矢量型顯示的自然現(xiàn)象。由于早期受到數(shù)字顯示技術(shù)的限制，在數(shù)字示波器代替模擬示波器的同時，也丟失了這第三維的亮度調(diào)制。現(xiàn)在正是失而復(fù)得的良機。
當您查找信號異常，特別是在觀察復(fù)合調(diào)制模擬信號，如視頻信號，磁頭讀寫信號和數(shù)控馬達驅(qū)動信號時，顯示亮度等級是非常重要的。對于汽車、工業(yè)和消費品市場中各式各樣的嵌入式微處理器和微控制器混合信號應(yīng)用，亮度等級也是極有幫助的。即使您是觀看純數(shù)字波形，亮度等級也能給出有關(guān)沿抖動、垂直噪聲和異常事件出現(xiàn)率等統(tǒng)計信息。
近來，所有主要數(shù)字示波器廠商都已開始提供Z軸亮度等級，以仿效模擬示波器的顯示質(zhì)量，并取得不同程度的成功。
復(fù)合調(diào)制的模擬信號應(yīng)用
如果您的工作要用到復(fù)合調(diào)制信號，您就需要有足夠顯示質(zhì)量的示波器，使您能首先觀看大的圖景，然后通過放大察看信號細節(jié)。
復(fù)合電視信號
許多工程師都熟悉標準NTSC和PAL復(fù)合電視信號，該信號屬于復(fù)合調(diào)制模擬信號。圖1是模擬示波器所捕獲一幀復(fù)合電視信號的照片。當您以5ms/div觀看該波形時，即使存在顯示“閃爍”，仍可得到埋入在所顯示波形包絡(luò)內(nèi)的重要信息。有經(jīng)驗的電視設(shè)計師能從該顯示迅速判定所產(chǎn)生模擬信號的質(zhì)量。
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| 圖1. 100MHz 模擬示波器上顯示的復(fù)合電視信號全幀 | 圖2. 無亮度等級能力較老數(shù)字示波器上顯示的復(fù)合電視信號全幀 |
圖2是無Z軸亮度調(diào)制較老數(shù)字示波器的顯示。雖然該示波器甚至在5ms/div時仍有捕獲信號細節(jié)的足夠采樣率和存儲器深度，但所有捕獲點的顯示亮度相同。這就在視覺上丟失了信號包絡(luò)內(nèi)的波形細節(jié)。因此在選擇模擬示波器技術(shù)還是選擇較老的數(shù)字顯示技術(shù)上，不應(yīng)對今天視頻實驗室中充斥模擬示波器感到驚奇！
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| 圖3. Agilent 6000 系列示波器上顯示的復(fù)合電視信號全幀 | 圖4. 使用Agilent 6000 系列示波器對電視行信號的放大顯示 |
今天市場上的典型便攜式示波器只有有限的采集存儲器深度，不能在保存和放大該特定信號后顯示如圖4所示程度的波形細節(jié)。例如僅有10k采集存儲器的示波器在放大后只能顯示20個寬間距點。
數(shù)字控制馬達驅(qū)動信號
復(fù)雜模擬信號的另一例子是數(shù)字控制馬達驅(qū)動信號。馬達不同時間的起動周期可歸入單次現(xiàn)象。圖5示出采用高分辨率顯示技術(shù)的示波器如何可靠捕獲單次起動馬達驅(qū)動信號的一相。您也能用混合信號示波器的數(shù)字?邏輯通道同步和觸發(fā)對基于馬達數(shù)字控制信號的波形捕獲。在您試圖同步對開機序列，或是對特定馬達定位命令的采集時，這一能力是極端重要的。雖然圖中沒有示出，但該示波器能使用它的4個模擬采集通道，容易地同時捕獲馬達驅(qū)動信號的所有三相。
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| 圖5. 由數(shù)字控制信號觸發(fā)的馬達驅(qū)動信號起動序列，以及用Agilent 6000系列MSO不同級別的放大展現(xiàn)“矮”脈沖 |
圖5中也示出由相同單次采集放大得到的兩幅圖像。通過采用該示波器的高分辨率顯示技術(shù)，我們能在經(jīng)放大100倍的中間圖像中看到明亮的垂直矢量（靠近顯示中心）。對脈寬調(diào)制（PWM）突發(fā)的進一步波形擴充（20,000:1）揭示在右面有一個毛刺。而只有淺存儲器深度的其它便攜式DSO不能示出如這些屏幕圖像所示水平的細節(jié)。
同樣，由于不同時間的馬達起動信號屬單次應(yīng)用，傳統(tǒng)模擬示波器技術(shù)也不能充分捕獲和顯示這些波形。把一臺模擬示波器設(shè)置為以100ms/div掃描捕獲單次信號，您會觀察到一條垂直光帶在一秒內(nèi)掠過示波器顯示。由于傳統(tǒng)模擬示波器沒有存儲能力，因此放大保存波形是不可能的。
數(shù)字信號應(yīng)用
當您觀察復(fù)合調(diào)制模擬信號，如前述組合電視信號和馬達驅(qū)動信號時，數(shù)字示波器亮度分級能力具有鮮明的視覺效果。在您調(diào)試數(shù)字電路時，亮度等級對于發(fā)現(xiàn)信號異常也極端重要。圖6是發(fā)現(xiàn)嵌入在脈寬調(diào)制信號（PWM）中矮脈沖的例子?？拷魍话l(fā)中心處的亮點表明示波器已捕獲到信號異常。通過在一個亮點上放大，我們能清楚看到如圖7所示的信號異常細節(jié)。雖然模擬示波器也能通過重復(fù)掃描顯示亮點，但模擬示波器不能保存和放大波形。
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| 圖6. 放大“亮點”揭示矮脈沖 | 圖7. Agilent 6000 系列示波器展現(xiàn)嵌入在各數(shù)字突發(fā)內(nèi)的“亮點” |
典型便攜式數(shù)字存儲示波器因顯示質(zhì)量不夠而不能以1ms/div展示亮點，也因存儲器深度不足而不能以500ns/div展示矮脈沖細節(jié)。在經(jīng)2000倍（由1ms/div至500ns/div）放大后，僅有10k采集存儲器的示波器只能顯示5個數(shù)字化點（10 k/2000）。
當您觀看包含抖動、噪聲和間歇事件的波形時，具有顯示亮度等級能力也是非常重要的。不同顯示亮度能幫助您解釋信號異常的相對發(fā)生頻率，有時還能根據(jù)顯示亮度分布目測確定系統(tǒng)中的抖動或噪聲類型，而不必借助復(fù)雜的波形分析軟件。
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| 圖8. Agilent 6000 系列示波器顯示亮度等級示出抖動、噪聲和信號異常的特性。 | 圖9. 模擬示波器不能示出極少出現(xiàn)的毛刺 。 |
圖8示出一個包括定時抖動（靠近屏幕左邊）、垂直噪聲（波頂和波底）和偶發(fā)毛刺（靠近屏幕中心）的數(shù)字信號。由于所顯示毛刺相對暗，我們知道這一特定毛刺很少出現(xiàn)。我們也能看到該毛刺的特性很復(fù)雜，可能包括大的確定性抖動（DJ）成分。如果信號沿的顯示亮度分布呈Gaussian分布，就能猜測該抖動主要為隨機抖動（RJ）。
圖9是在模擬示波器上顯示的同樣信號。我們在這里不能示出抖動沿，因為它產(chǎn)生在觸發(fā)參考點（上升沿）之前。但能觀察到信號沿有時產(chǎn)生間歇毛刺。我們不能用模擬示波器觀察毛刺，因為對常規(guī)模擬示波器顯示而言，它出現(xiàn)次數(shù)太少，即使把顯示亮度調(diào)到最亮。
除顯示質(zhì)量外，示波器能夠捕獲和顯示如間歇性亞穩(wěn)狀態(tài)這類事件的另一極重要特性是波形更新率。特別是對數(shù)字信號中每50,000周期約產(chǎn)生一次的毛刺。當示波器使用每秒100,000波形的實時波形更新率時，就可用信號上升沿觸發(fā)在每秒鐘內(nèi)約捕獲2個毛刺。這一檔次的典型數(shù)字示波器有每秒3500波形的最大更新率，為捕獲一個毛刺需連續(xù)采集14秒以上（平均）。對于在每個測試點用探頭檢測幾秒鐘的一般調(diào)試方法來說，使用相對慢更新率的示波器很可能會丟失異常事件。
客觀評估示波器顯示質(zhì)量
示波器的顯示質(zhì)量首先是一個主觀性的問題。比較各種數(shù)字示波器顯示質(zhì)量的最好方法是把它們并排放在一起，用各種信號進行視覺比較，就如我們在本文所做的工作。但并排評估不同廠商數(shù)字示波器的方法并非始終可行。雖然今天不存在量化示波器顯示質(zhì)量的單一指標，但在評估示波器性能時，示波器有三個對顯示質(zhì)量有貢獻的特性。即顯示分辨率，像素亮度等級數(shù)，以及采集存儲器。Agilent技術(shù)資料中規(guī)定了所有這些示波器特性。
在技術(shù)資料中，通常按顯示器類型規(guī)定顯示分辨率，如XGA顯示（768 X 1024）或VGA顯示（640 X 480）。顯示分辨率為您提供用于波形顯示像素數(shù)的相對提示。雖然您可直接推導(dǎo)出XGA顯示有786,000像素的顯示分辨率，但并非所有像素都實際用于波形顯示。一些保留像素用于柵格外的菜單圖形和ADC的8bit垂直分辨率，可能768個像素中只有256垂直像素用于實時?非平均的波形顯示。
除了示波器的最大X-Y顯示分辨率外，另一項重要因素是各像素的亮度等級數(shù)（Z軸）。如果沒有Z軸亮度調(diào)制，復(fù)雜波形將以固定亮度顯示，就像圖2所示的屏幕照片，而無論示波器規(guī)定的是何種顯示X-Y分辨率（XGA，VGA等）Agilent 6000系列示波器能以256級不同亮度顯示復(fù)雜波形。而這一檔次的其它示波器只能達到16級像素亮度。
最后一項考慮因素是采集存儲器深度。雖然某些示波器用重復(fù)取樣技術(shù)在示波器顯示上“填充” 復(fù)雜波形，但Agilent 6000系列示波器能在每次采集后將多達8,000,000點映射到顯示器。這一采集存儲器量遠遠超過波形顯示可用的最大像素數(shù)。這意味著在各采集周期期間，許多像素收到多次“采樣”。例如若某特定像素僅得到一次采樣，它接收到的是最小可觀察亮度。收到256或更多采樣的像素接收到最大的亮度級。
總結(jié)
當您考慮購買下一臺數(shù)字示波器時，不僅僅要考慮帶寬、采樣率、通道數(shù)和存儲器深度。另一項重要標準是顯示質(zhì)量。示波器的第三維Z軸按出現(xiàn)頻度示出信號的亮度等級，可揭示許多重要的波形細節(jié)，包括各種模擬和數(shù)字應(yīng)用中的信號異常。在本文中，作者嘗試把Agilent最新一代混合信號示波器的顯示技術(shù)與模擬示波器技術(shù)及較老數(shù)字存儲示波器技術(shù)作定性比較。此外，我們還討論評估示波器顯示質(zhì)量時應(yīng)考慮的示波器三項重要特性。
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