用示波器的第三維發(fā)現問題
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引言
示波器的顯示質量極大影響能否有效進行設計查錯。如果您的示波器只有低質量的顯示，您就不可能看到關鍵的信號異常。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字應用中的信號異常。
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字信號的顯示質量。除了主觀比較示波器顯示質量外，我們還討論比較不同示波器顯示質量的客觀方法。
第三維：亮度調制
工程師一般認為數字存儲示波器（DSO）是一種用圖形方式顯示電壓—時間關系的二維儀器。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位置所產生頻度的函數。在模擬示波器中，亮度調制是電子束掃描示波器矢量型顯示的自然現象。由于早期受到數字顯示技術的限制，在數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制?，F在正是失而復得的良機。
當您查找信號異常，特別是在觀察復合調制模擬信號，如視頻信號，磁頭讀寫信號和數控馬達驅動信號時，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用，亮度等級也是極有幫助的。即使您是觀看純數字波形，亮度等級也能給出有關沿抖動、垂直噪聲和異常事件出現率等統(tǒng)計信息。
近來，所有主要數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量，并取得不同程度的成功。
復合調制的模擬信號應用
如果您的工作要用到復合調制信號，您就需要有足夠顯示質量的示波器，使您能首先觀看大的圖景，然后通過放大察看信號細節(jié)。
復合電視信號
許多工程師都熟悉標準NTSC和PAL復合電視信號，該信號屬于復合調制模擬信號。圖1是模擬示波器所捕獲一幀復合電視信號的照片。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內的重要信息。有經驗的電視設計師能從該顯示迅速判定所產生模擬信號的質量。
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| 圖1. 100MHz 模擬示波器上顯示的復合電視信號全幀 | 圖2. 無亮度等級能力較老數字示波器上顯示的復合電視信號全幀 |
圖2是無Z軸亮度調制較老數字示波器的顯示。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內的波形細節(jié)。因此在選擇模擬示波器技術還是選擇較老的數字顯示技術上，不應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。
數字控制馬達驅動信號
復雜模擬信號的另一例子是數字控制馬達驅動信號。馬達不同時間的起動周期可歸入單次現象。圖5示出采用高分辨率顯示技術的示波器如何可靠捕獲單次起動馬達驅動信號的一相。您也能用混合信號示波器的數字?邏輯通道同步和觸發(fā)對基于馬達數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動信號的所有三相。
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| 圖5. 由數字控制信號觸發(fā)的馬達驅動信號起動序列，以及用Agilent 6000系列MSO不同級別的放大展現“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，我們能在經放大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用，傳統(tǒng)模擬示波器技術也不能充分捕獲和顯示這些波形。把一臺模擬示波器設置為以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。
數字信號應用
當您觀察復合調制模擬信號，如前述組合電視信號和馬達驅動信號時，數字示波器亮度分級能力具有鮮明的視覺效果。在您調試數字電路時，亮度等級對于發(fā)現信號異常也極端重要。圖6是發(fā)現嵌入在脈寬調制信號（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 系列示波器展現嵌入在各數字突發(fā)內的“亮點” |
典型便攜式數字存儲示波器因顯示質量不夠而不能以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。我們也能看到該毛刺的特性很復雜，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，因為它產生在觸發(fā)參考點（上升沿）之前。但能觀察到信號沿有時產生間歇毛刺。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，它出現次數太少，即使把顯示亮度調到最亮。
除顯示質量外，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。特別是對數字信號中每50,000周期約產生一次的毛刺。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)在每秒鐘內約捕獲2個毛刺。這一檔次的典型數字示波器有每秒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量
示波器的顯示質量首先是一個主觀性的問題。比較各種數字示波器顯示質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量有貢獻的特性。即顯示分辨率，像素亮度等級數，以及采集存儲器。Agilent技術資料中規(guī)定了所有這些示波器特性。
在技術資料中，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的相對提示。雖然您可直接推導出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（Z軸）。如果沒有Z軸亮度調制，復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取樣技術在示波器顯示上“填充” 復雜波形，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。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
當您考慮購買下一臺數字示波器時，不僅僅要考慮帶寬、采樣率、通道數和存儲器深度。另一項重要標準是顯示質量。示波器的第三維Z軸按出現頻度示出信號的亮度等級，可揭示許多重要的波形細節(jié)，包括各種模擬和數字應用中的信號異常。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與模擬示波器技術及較老數字存儲示波器技術作定性比較。此外，我們還討論評估示波器顯示質量時應考慮的示波器三項重要特性。
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