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示波器顯示質(zhì)量對(duì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常能力的影響
引言
　　示波器的顯示質(zhì)量極大影響您有效進(jìn)行設(shè)計(jì)查錯(cuò)的能力。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(hào)異常。能示出信號(hào)亮度等級(jí)的示波器也能展示重要的波形細(xì)節(jié)，包括揭示各種模擬和數(shù)字應(yīng)用中的信號(hào)異常。
　　本應(yīng)用指南比較Agilent 6000系列混合信號(hào)示波器（ M S O ）和Tektronix TDS3000系列示波器對(duì)各種模擬和數(shù)字信號(hào)的顯示質(zhì)量。在一些例子中還給出傳統(tǒng)模擬示波器的顯示結(jié)果。我們還討論量化顯示質(zhì)量的方法，從而能對(duì)示波器顯示 作更容易的客觀比較。
　　第三維：亮度調(diào)制工程師一般認(rèn)為數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）是一種用圖形方式顯示電壓—時(shí)間關(guān)系的二維儀器。但示 波器實(shí)際存在著第三維：Z 軸。第三 維示出連續(xù)波形亮度等級(jí)，它是信號(hào)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(shí)，也丟失了這第三維的亮度調(diào)制?，F(xiàn)在正是失而復(fù)得的良機(jī)。
　　當(dāng)您查找信號(hào)異常，特別是在觀察復(fù)合調(diào)制模擬信號(hào)，如視頻信號(hào)，磁頭讀寫信號(hào)和數(shù)控馬達(dá)驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，顯示亮度等級(jí)是非常重要的。對(duì)于汽車、工業(yè)和消費(fèi)品市場(chǎng)中各式各樣的嵌入式微處理器和微控制器混合信號(hào)應(yīng)用，亮度等級(jí)也是極有幫助的。即使您是觀看純數(shù)字波形，亮度等級(jí)也能給出有關(guān)沿抖動(dòng)、垂直噪聲和異常事件出現(xiàn)率等統(tǒng)計(jì)信息。
　　近來(lái)，所有主要數(shù)字示波器廠商都已開(kāi)始提供Z軸亮度等級(jí)，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(hào)應(yīng)用
　　如果您的工作要用到復(fù)合調(diào)制 信號(hào)，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(guò)放大察看信號(hào)細(xì)節(jié)。
復(fù)合電視信號(hào)
　　許多工程師都熟悉標(biāo)準(zhǔn) NTSC和 PAL 復(fù)合電視信號(hào)，該信號(hào)屬于復(fù)合調(diào)制模擬信號(hào)。圖1是模擬示波器所捕獲一幀復(fù)合電視信號(hào)的照片。 當(dāng)您以 5ms/div 觀看該波形時(shí)，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(yàn)的電視設(shè)計(jì)師能從該顯示迅速判定所產(chǎn)生模擬信號(hào)的質(zhì)量。
　　圖 2 是無(wú) Z 軸亮度調(diào)制較老數(shù)字示波器的顯示。雖然該示波器有足夠的采樣率和存儲(chǔ)深度來(lái)捕獲時(shí)基為5ms/div 的信號(hào)，但所有捕獲點(diǎn)的顯示亮度相同。這就在視覺(jué)上丟失了信號(hào)包絡(luò)內(nèi)的波形細(xì)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(duì)今天視頻實(shí)驗(yàn)室中充斥模擬示波器感到驚奇！



　　但數(shù)字示波器*終也達(dá)到了模擬示波器的視覺(jué)顯示質(zhì)量。圖3是使 用Agilent 6000系列示波器對(duì)視頻信 號(hào)的實(shí)時(shí)捕獲。該示波器使用 Agilent 專有 MegaZoom III 技術(shù)，每 一像素有256級(jí)彩色亮度，它由深采集存儲(chǔ)器（達(dá) 8MB）映射至高分辨率顯示器（XGA）。這種數(shù)字示波器能用相似于（或可能高于）模擬示波 器的質(zhì)量顯示重復(fù)的模擬信號(hào)，并能以同樣的視覺(jué)分辨率捕獲、顯示和保存復(fù)雜的單次信號(hào)。而這正是模擬示波器不及數(shù)字示波器之處。 模擬示波器只能顯示重復(fù)波形。圖4是與圖3相同采集所捕獲復(fù)合電視信號(hào)中行信號(hào)的放大_窗口顯示。由于模擬示波器不能用數(shù)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(duì)同一復(fù)合電視信號(hào)進(jìn)行 重復(fù)捕獲， Tektronix 公司把它歸入 數(shù)字熒光示波器（DPO）。Tektronix 推出 DPO 技術(shù)，試圖用它仿效模擬 示波器的顯示質(zhì)量。雖然 DPO 的顯示質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)較老的數(shù)字示波器（圖 2），但我們?nèi)匀徽J(rèn)為它達(dá)不到 Agilent MegaZoom III技術(shù)或模擬示波器的顯示質(zhì)量。我們鼓勵(lì)您自行作出判斷。而且 TDS3000系列示波器的DPO 技術(shù)就像模擬示波器，需要重復(fù) / 等效時(shí)間采集，以有效產(chǎn)生有亮度等級(jí)的顯示。如果您用單次采集捕獲該信號(hào)，會(huì)發(fā)現(xiàn)波形非常像圖 2 的情況。只有少數(shù)幾個(gè)亮度級(jí)。此外，如果想放大捕獲波形而只觀察一條電視行信號(hào)，就只能看到如圖6所示的一些間隔很大的離散點(diǎn)。這是因?yàn)樵撌静ㄆ鞯拇鎯?chǔ)器深度受限（*大為 10 k），它降低了采樣率來(lái)觀察相對(duì)長(zhǎng)和復(fù)雜的波形， 例如這種復(fù)合電視信號(hào)。在這一特 殊例子時(shí)，采樣率降到只有 250kSa/ s，雖然該示波器規(guī)定的*大采樣率達(dá)到 GSa/s 量級(jí)。Agilent 6000 系列示波器中的深存儲(chǔ)器能讓您捕獲 “大的”圖像（圖3），然后放大“小的/細(xì)節(jié)的”區(qū)域（圖 4），用持續(xù)的高采樣率得到充分的波形細(xì)節(jié)。



數(shù)字控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)信號(hào)
　　復(fù)雜模擬信號(hào)的另一例子是數(shù) 字控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。馬達(dá)不同時(shí) 間的起動(dòng)周期可歸入單次現(xiàn)象。圖7 示出 Agilent 6000 系列混合信號(hào)示 波器如何可靠捕獲單次起動(dòng)馬達(dá)驅(qū) 動(dòng)信號(hào)的一相。您也能用該示波器 的數(shù)字 / 邏輯通道同步和觸發(fā)對(duì)基于馬達(dá)數(shù)字控制信號(hào)的波形捕獲。 在您試圖不僅同步開(kāi)機(jī)序列，而且 要同步馬達(dá)定位在特使位置的指令 時(shí)，這一能力是極端重要的。雖然 圖中沒(méi)有示出，但該示波器能使用 它的 4 個(gè)模擬采集通道，容易地同 時(shí)捕獲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(guò)采用該示波 器的 MegaZoom III 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(duì) 脈寬調(diào)制（PWM）突發(fā)的進(jìn)一步波 形擴(kuò)充（20,000:1）揭示在右面有一 個(gè)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(zhì)量而不能捕獲到該信號(hào)的所有細(xì) 節(jié)。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(dá)的數(shù)字控制信號(hào) 進(jìn)行觸發(fā)采集。由于該示波器有限 的存儲(chǔ)器深度和較慢時(shí)基范圍降低 的采樣率，以及 DPO 顯示技術(shù)主要基于重復(fù)采集這一事實(shí)，造成圖像 質(zhì)量很差。也正因?yàn)樵撌静ㄆ鹘档?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(yuǎn)的點(diǎn)類似于圖 6 的情況。也不能在 模擬示波器上捕獲到該信號(hào)，因?yàn)?我們的信號(hào)是單次的，而常規(guī)模擬 示波器不能顯示單次波形。


數(shù)字信號(hào)應(yīng)用
　　當(dāng)您觀察復(fù)合調(diào)制模擬信號(hào)， 如前述組合電視信號(hào)和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，數(shù)字示波器亮度分級(jí)能力具有鮮明的視覺(jué)效果。在您調(diào)試數(shù)??電路時(shí)，亮度等級(jí)對(duì)于發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常也極端重要。圖9是發(fā)現(xiàn)嵌入在脈 寬調(diào)制信號(hào)（PWM）中矮脈沖的例 子?？拷髅}沖中心處的亮點(diǎn)表明示波器已捕獲到信號(hào)異常。通過(guò)在一個(gè)亮點(diǎn)上放大，我們能清楚看到如圖 10 所示的信號(hào)異常細(xì)節(jié)。雖然模擬示波器也能通過(guò)重復(fù)掃描顯示亮點(diǎn)，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(shù)字波形信息。該示波器沒(méi)有足夠顯示分辨 率來(lái)示出亮點(diǎn)。在這一時(shí)基設(shè)置時(shí)，它也沒(méi)有足夠的采集存儲(chǔ)器深度和采樣率來(lái)揭示放大以后的矮脈沖，如圖 12 所示。


　　當(dāng)您觀察包含抖動(dòng)、噪聲和偶 發(fā)事件波形時(shí)，顯示亮度等級(jí)也是 非常重要的。顯示亮度級(jí)能幫助您 了解信號(hào)異常出現(xiàn)的相對(duì)頻度，有 時(shí)也能通過(guò)顯示亮度分布幫助您由 視覺(jué)確定系統(tǒng)中抖動(dòng)或噪聲的類型， 而不需要借助復(fù)雜的波形分析軟件。
　　圖13示出一個(gè)包括時(shí)域抖動(dòng)（靠近屏幕左邊）、垂直噪聲（波頂和 波底）和極偶發(fā)毛刺（靠近屏幕中 心）的數(shù)字信號(hào)例子。由于顯示的毛 刺相對(duì)暗淡，我們知道該毛刺極少出現(xiàn)。我們也能看到抖動(dòng)極為復(fù)雜， 可能包括很大成分的確定性抖動(dòng)（DJ）。如果信號(hào)沿的顯示亮度呈 Gaussian 分布，則可猜想抖動(dòng)以隨 機(jī)性抖動(dòng)（RJ）為主。對(duì)于不同類型抖動(dòng)的深入討論，請(qǐng)參看應(yīng)用指南 1448-2“用實(shí)時(shí)抖動(dòng)分析找到抖 動(dòng)源”，它列于本文后面的參考文 獻(xiàn)中。
　　圖 14示出同一信號(hào)在模擬示波 器上的顯示。由于它產(chǎn)生在觸發(fā)參 考點(diǎn)（上升沿）之前，因此不能示出 該抖動(dòng)沿。但可觀察到該信號(hào)沿有 時(shí)產(chǎn)生的偶發(fā)毛刺。不過(guò)對(duì)常規(guī)模 擬示波器顯示技術(shù)來(lái)說(shuō)，由于毛刺 過(guò)于**，因此不能在模擬示波器上看到該毛刺，即使把顯示亮度調(diào) 到*亮。
　　Tek TDS3000 系列示波器也不 能捕獲和顯示這一偶發(fā)毛刺，即使 我們把探頭放在測(cè)試點(diǎn) 10 秒以上。 然而毛刺捕獲問(wèn)題并不源于不足的 顯示質(zhì)量。這一問(wèn)題與不足的波形 更新率相關(guān)。為深入了解數(shù)字示波 器的這一重要方面，請(qǐng)參看應(yīng)用指 南 1551“改進(jìn)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(xiàn)中。



量化顯示質(zhì)量
　　示波器的顯示質(zhì)量首先是一個(gè) 主觀性的問(wèn)題。比較各種數(shù)字示波 器顯示質(zhì)量的*好方法是把它們并 排放在一起，用各種信號(hào)進(jìn)行視覺(jué) 比較，就如我們?cè)诒疚乃龅墓ぷ鳌?但并排評(píng)估不同廠商數(shù)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(zhì)量?jī)?yōu)于其它示波器，但 為進(jìn)行比較，我們還是試圖量化顯 示質(zhì)量。數(shù)字示波器有三個(gè)對(duì)顯示 質(zhì)量有貢獻(xiàn)的特性：顯示像素?cái)?shù)，亮 度等級(jí)數(shù)，以及映射到示波器顯示 的數(shù)字化點(diǎn)數(shù)。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(shí)時(shí)數(shù)字化是 基于8bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此對(duì)于實(shí)際 波形顯示，在 640 個(gè)可用垂直像素 中，實(shí)際使用的僅為 256 垂直像素。 也就是要把 8,000,000個(gè)數(shù)字化點(diǎn)實(shí) 時(shí)映射到 256,000 像素的*大凈波 形像素分辨率。
　　把高達(dá)8,000,000 個(gè)數(shù)字化點(diǎn)映 射到 256,000 個(gè)像素位置，意味著當(dāng)觀察復(fù)雜信號(hào)時(shí)，在示波器垂直標(biāo) 度范圍內(nèi)的多個(gè)象素點(diǎn)，將會(huì)在每 次示波器采集時(shí)被多次“擊中”。各 像素的擊中次數(shù)確定其亮度等級(jí)。 Agilent 6000 系列示波器規(guī)定 256級(jí) 亮度。如果某特定像素僅擊中一次， 它得到的是*小可觀察亮度。得到256 次或更多擊中的像素有*大亮 度。把示波器的像素分辨率乘以亮 度級(jí)，我們就能量化數(shù)字示波器的 相對(duì)顯示質(zhì)量。使用這一公式，計(jì)算 得到Agilent 6000系列示波器的顯示 質(zhì)量約為 65M 像素級(jí)。
　　那么Tektronix TDS3000系列示 波器的顯示質(zhì)量如何呢？由于 TDS3000系列示波器采用VGA顯示（640x480），*大顯示像素?cái)?shù)約為300,000。但同樣考慮到菜單圖形所 占位置和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比特?cái)?shù)（8bit），我們估計(jì)TDS3000系列示波 器的實(shí)時(shí)波形顯示可能使用高達(dá)115,000 像素。然后 TDS3000 系列示 波器在各重復(fù)采集周期期間把 10, 000 個(gè)數(shù)字化點(diǎn)映射到這些像素位 置。雖然 Tektronix 未明確規(guī)定顯示亮度級(jí)數(shù)，但我們估計(jì)該示波器使 用不超過(guò) 16 的亮度級(jí)數(shù)。依據(jù)這些 假設(shè)，我們估計(jì)該示波器的相對(duì)顯示質(zhì)量為 1.8M 像素級(jí)。即使不考慮這兩種數(shù)字示波器在存儲(chǔ)器深度上 的明顯差異，根據(jù)對(duì)重復(fù)采集的這些假設(shè)和計(jì)算，Agilent 6000 系列示 波器的相對(duì)顯示質(zhì)量也要比 Tek TDS3000 系列示波器高 35 倍以上。 而對(duì)于實(shí)時(shí)單次采集，Agilent 的顯 示質(zhì)量甚至更高（比較圖 7 和圖 8）， 因?yàn)?Agilent 是把 8,000,000 個(gè)數(shù)字 化點(diǎn)映射到它的顯示，而 Tektronix TDS3000 系列示波器只使用10,000 點(diǎn)映射。

總結(jié)
　　當(dāng)您考慮購(gòu)買下一臺(tái)數(shù)字示波器時(shí)，不僅僅要考慮帶寬、采樣率、 通道數(shù)和存儲(chǔ)器深度。另一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)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(hào)的亮度等級(jí)， 可揭示許多重要的波形細(xì)節(jié)，包括各種模擬和數(shù)字應(yīng)用中的信號(hào)異常。 在本應(yīng)用指南中，我們嘗試把 Agilent MegaZoom III技術(shù)與模擬示 波器技術(shù)及Tektronix DPO顯示技術(shù) 作定性比較。此外作為相對(duì)比較，我們還對(duì)顯示質(zhì)量（像素級(jí)）做了定量測(cè)量。
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