示波器顯示質量對發現信號異常能力的影響
引言
示波器的顯示質量極大影響您有效進行設計查錯的能力。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，包括揭示各種模擬和數字應用中的信號異常。
本應用指南比較Agilent 6000系列混合信號示波器（ M S O ）和Tektronix TDS3000系列示波器對各種模擬和數字信號的顯示質量。在一些例子中還給出傳統模擬示波器的顯示結果。我們還討論量化顯示質量的方法，從而能對示波器顯示 作更容易的客觀比較。
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。現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。
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。
圖 2 是無 Z 軸亮度調制較老數字示波器的顯示。雖然該示波器有足夠的采樣率和存儲深度來捕獲時基為5ms/div 的信號，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。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！
但數字示波器最終也達到了模擬示波器的視覺顯示質量。圖3是使 用Agilent 6000系列示波器對視頻信 號的實時捕獲。該示波器使用 Agilent 專有 MegaZoom III 技術，每 一像素有256級彩色亮度，它由深采集存儲器（達 8MB）映射至高分辨率顯示器（XGA）。這種數字示波器能用相似于（或可能高于）模擬示波 器的質量顯示重復的模擬信號，并能以同樣的視覺分辨率捕獲、顯示和保存復雜的單次信號。而這正是模擬示波器不及數字示波器之處。 模擬示波器只能顯示重復波形。圖4是與圖3相同采集所捕獲復合電視信號中行信號的放大_窗口顯示。由于模擬示波器不能用數字方式保存波形，因此我們不能示出使用模擬示波器的類似放大單次顯示。
圖 5 是用Tektronix TDS3000 系 列示波器對同一復合電視信號進行 重復捕獲， Tektronix 公司把它歸入 數字熒光示波器（DPO）。Tektronix 推出 DPO 技術，試圖用它仿效模擬 示波器的顯示質量。雖然 DPO 的顯示質量遠遠超過較老的數字示波器（圖 2），但我們仍然認為它達不到 Agilent MegaZoom III技術或模擬示波器的顯示質量。我們鼓勵您自行作出判斷。而且 TDS3000系列示波器的DPO 技術就像模擬示波器，需要重復 / 等效時間采集，以有效產生有亮度等級的顯示。如果您用單次采集捕獲該信號，會發現波形非常像圖 2 的情況。只有少數幾個亮度級。此外，如果想放大捕獲波形而只觀察一條電視行信號，就只能看到如圖6所示的一些間隔很大的離散點。這是因為該示波器的存儲器深度受限（最大為 10 k），它降低了采樣率來觀察相對長和復雜的波形， 例如這種復合電視信號。在這一特 殊例子時，采樣率降到只有 250kSa/ s，雖然該示波器規定的最大采樣率達到 GSa/s 量級。Agilent 6000 系列示波器中的深存儲器能讓您捕獲 “大的”圖像（圖3），然后放大“小的/細節的”區域（圖 4），用持續的高采樣率得到充分的波形細節。
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7 示出 Agilent 6000 系列混合信號示 波器如何可靠捕獲單次起動馬達驅 動信號的一相。您也能用該示波器 的數字 / 邏輯通道同步和觸發對基于馬達數字控制信號的波形捕獲。 在您試圖不僅同步開機序列，而且 要同步馬達定位在特使位置的指令 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。 圖 7 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 MegaZoom III 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）突發的進一步波 形擴充（20,000:1）揭示在右面有一 個毛刺。
如圖8所示，Tektronix TDS3000 系列示波器因不足的采樣率和顯示 質量而不能捕獲到該信號的所有細 節。此外，TDS3000 系列示波器缺 乏 MSO 的附加邏輯通道，因此您 不能用該三相馬達的數字控制信號 進行觸發采集。由于該示波器有限 的存儲器深度和較慢時基范圍降低 的采樣率，以及 DPO 顯示技術主要基于重復采集這一事實，造成圖像 質量很差。也正因為該示波器降低 了采樣率（10kSa/s），不能放大該波 形，而只能觀察到若干相距甚遠的點類似于圖 6 的情況。也不能在 模擬示波器上捕獲到該信號，因為 我們的信號是單次的，而常規模擬 示波器不能顯示單次波形。
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，亮度等級對于發現信號異常也極端重要。圖9是發現嵌入在脈 寬調制信號（PWM）中矮脈沖的例 子。靠近各脈沖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 10 所示的信號異常細節。雖然模擬示波器也能通過重復掃描顯示亮點，但模擬示波器不能放大所保存的波形。
圖 11 顯示 Tektronix TDS3000系列示波器試圖捕獲同一數字波形信息。該示波器沒有足夠顯示分辨 率來示出亮點。在這一時基設置時，它也沒有足夠的采集存儲器深度和采樣率來揭示放大以后的矮脈沖，如圖 12 所示。
當您觀察包含抖動、噪聲和偶 發事件波形時，顯示亮度等級也是 非常重要的。顯示亮度級能幫助您 了解信號異常出現的相對頻度，有 時也能通過顯示亮度分布幫助您由 視覺確定系統中抖動或噪聲的類型， 而不需要借助復雜的波形分析軟件。
圖13示出一個包括時域抖動（靠近屏幕左邊）、垂直噪聲（波頂和 波底）和極偶發毛刺（靠近屏幕中 心）的數字信號例子。由于顯示的毛 刺相對暗淡，我們知道該毛刺極少出現。我們也能看到抖動極為復雜， 可能包括很大成分的確定性抖動（DJ）。如果信號沿的顯示亮度呈 Gaussian 分布，則可猜想抖動以隨 機性抖動（RJ）為主。對于不同類型抖動的深入討論，請參看應用指南 1448-2“用實時抖動分析找到抖 動源”，它列于本文后面的參考文 獻中。
圖 14示出同一信號在模擬示波 器上的顯示。由于它產生在觸發參 考點（上升沿）之前，因此不能示出 該抖動沿。但可觀察到該信號沿有 時產生的偶發毛刺。不過對常規模 擬示波器顯示技術來說，由于毛刺 過于稀少，因此不能在模擬示波器上看到該毛刺，即使把顯示亮度調 到最亮。
Tek TDS3000 系列示波器也不 能捕獲和顯示這一偶發毛刺，即使 我們把探頭放在測試點 10 秒以上。 然而毛刺捕獲問題并不源于不足的 顯示質量。這一問題與不足的波形 更新率相關。為深入了解數字示波 器的這一重要方面，請參看應用指 南 1551“改進您捕獲難解事件的能 力：為什么示波器的波形更新率非 常重要？”，它也列于本文后面的參考文獻中。
量化顯示質量
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。
盡管不愿武斷地宣稱某種示波 器的顯示質量優于其它示波器，但 為進行比較，我們還是試圖量化顯 示質量。數字示波器有三個對顯示 質量有貢獻的特性：顯示像素數，亮 度等級數，以及映射到示波器顯示 的數字化點數。由于 Agilent 6000 系 列示波器采用XGA顯示(768 x1024)， 您可直接推斷它有 786,000 像素的 顯示分辨率。但并非所有這些像素 都用于波形顯示。有些像素用于柵 格外的菜單顯示。在 768 x1024 像素 中只有 640 x1000 用于波形顯示。此 外，由于該示波器的實時數字化是 基于8bit模數轉換器，因此對于實際 波形顯示，在 640 個可用垂直像素 中，實際使用的僅為 256 垂直像素。 也就是要把 8,000,000個數字化點實 時映射到 256,000 像素的最大凈波 形像素分辨率。
把高達8,000,000 個數字化點映 射到 256,000 個像素位置，意味著當觀察復雜信號時，在示波器垂直標 度范圍內的多個象素點，將會在每 次示波器采集時被多次“擊中”。各 像素的擊中次數確定其亮度等級。 Agilent 6000 系列示波器規定 256級 亮度。如果某特定像素僅擊中一次， 它得到的是最小可觀察亮度。得到256 次或更多擊中的像素有最大亮 度。把示波器的像素分辨率乘以亮 度級，我們就能量化數字示波器的 相對顯示質量。使用這一公式，計算 得到Agilent 6000系列示波器的顯示 質量約為 65M 像素級。
那么Tektronix TDS3000系列示 波器的顯示質量如何呢？由于 TDS3000系列示波器采用VGA顯示（640x480），最大顯示像素數約為300,000。但同樣考慮到菜單圖形所 占位置和模數轉換器的比特數（8bit），我們估計TDS3000系列示波 器的實時波形顯示可能使用高達115,000 像素。然后 TDS3000 系列示 波器在各重復采集周期期間把 10, 000 個數字化點映射到這些像素位 置。雖然 Tektronix 未明確規定顯示亮度級數，但我們估計該示波器使 用不超過 16 的亮度級數。依據這些 假設，我們估計該示波器的相對顯示質量為 1.8M 像素級。即使不考慮這兩種數字示波器在存儲器深度上 的明顯差異，根據對重復采集的這些假設和計算，Agilent 6000 系列示 波器的相對顯示質量也要比 Tek TDS3000 系列示波器高 35 倍以上。 而對于實時單次采集，Agilent 的顯 示質量甚至更高（比較圖 7 和圖 8）， 因為 Agilent 是把 8,000,000 個數字 化點映射到它的顯示，而 Tektronix TDS3000 系列示波器只使用10,000 點映射。
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，包括各種模擬和數字應用中的信號異常。 在本應用指南中，我們嘗試把 Agilent MegaZoom III技術與模擬示 波器技術及Tektronix DPO顯示技術 作定性比較。此外作為相對比較，我們還對顯示質量（像素級）做了定量測量。
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