用示波器的第三维发现问题

引言
　　示波器的显示质量极大影响能否有效进行设计查错。如果您的示波器只有低质量的显示，您就不可能看到关键的信号异常。能示出信号亮度等级的示波器也能展示重要的波形细节，包括揭示各种模拟和数字应用中的信号异常。
　　本文比较最新一代混合信号示波器（MSO）、较老的数字存储示波器（DSO）和传统模拟示波器所得到各种模拟和数字信号的显示质量。除了主观比较示波器显示质量外，我们还讨论比较不同示波器显示质量的客观方法。
第三维：亮度调制
　　工程师一般认为数字存储示波器（DSO）是一种用图形方式显示电压—时间关系的二维仪器。但示波器实际存在着第三维：Z轴。第三维示出连续波形亮度等级，它是信号在特定X-Y位置所产生频度的函数。在模拟示波器中，亮度调制是电子束扫描示波器矢量型显示的自然现象。由于早期受到数字显示技术的限制，在数字示波器代替模拟示波器的同时，也丢失了这第三维的亮度调制。现在正是失而复得的良机。
　　当您查找信号异常，特别是在观察复合调制模拟信号，如视频信号，磁头读写信号和数控马达驱动信号时，显示亮度等级是非常重要的。对于汽车、工业和消费品市场中各式各样的嵌入式微处理器和微控制器混合信号应用，亮度等级也是极有帮助的。即使您是观看纯数字波形，亮度等级也能给出有关沿抖动、垂直噪声和异常事件出现率等统计信息。
　　近来，所有主要数字示波器厂商都已开始提供Z轴亮度等级，以仿效模拟示波器的显示质量，并取得不同程度的成功。
复合调制的模拟信号应用
　　如果您的工作要用到复合调制信号，您就需要有足够显示质量的示波器，使您能首先观看大的图景，然后通过放大察看信号细节。
复合电视信号
　　许多工程师都熟悉标准NTSC和PAL复合电视信号，该信号属于复合调制模拟信号。图1是模拟示波器所捕获一帧复合电视信号的照片。当您以5ms/div观看该波形时，即使存在显示“闪烁”，仍可得到埋入在所显示波形包络内的重要信息。有经验的电视设计师能从该显示迅速判定所产生模拟信号的质量。

图1. 100MHz 模拟示波器上显示的复合电视信号全帧	图2. 无亮度等级能力较老数字示波器上显示的复合电视信号全帧

        图2是无Z轴亮度调制较老数字示波器的显示。虽然该示波器甚至在5ms/div时仍有捕获信号细节的足够采样率和存储器深度，但所有捕获点的显示亮度相同。这就在视觉上丢失了信号包络内的波形细节。因此在选择模拟示波器技术还是选择较老的数字显示技术上，不应对今天视频实验室中充斥模拟示波器感到惊奇！

图3. Agilent 6000 系列示波器上显示的复合电视信号全帧	图4. 使用Agilent 6000 系列示波器对电视行信号的放大显示

　　图5中也示出由相同单次采集放大得到的两幅图像。通过采用该示波器的高分辨率显示技术，我们能在经放大100倍的中间图像中看到明亮的垂直矢量（靠近显示中心）。对脉宽调制（PWM）突发的进一步波形扩充（20,000:1）揭示在右面有一个毛刺。而只有浅存储器深度的其它便携式DSO不能示出如这些屏幕图像所示水平的细节。
　　同样，由于不同时间的马达起动信号属单次应用，传统模拟示波器技术也不能充分捕获和显示这些波形。把一台模拟示波器设置为以100ms/div扫描捕获单次信号，您会观察到一条垂直光带在一秒内掠过示波器显示。由于传统模拟示波器没有存储能力，因此放大保存波形是不可能的。
数字信号应用
　　当您观察复合调制模拟信号，如前述组合电视信号和马达驱动信号时，数字示波器亮度分级能力具有鲜明的视觉效果。在您调试数字电路时，亮度等级对于发现信号异常也极端重要。图6是发现嵌入在脉宽调制信号（PWM）中矮脉冲的例子。靠近各突发中心处的亮点表明示波器已捕获到信号异常。通过在一个亮点上放大，我们能清楚看到如图7所示的信号异常细节。虽然模拟示波器也能通过重复扫描显示亮点，但模拟示波器不能保存和放大波形。

图6. 放大“亮点”揭示矮脉冲	图7. Agilent 6000 系列示波器展现嵌入在各数字突发内的“亮点”

　　典型便携式数字存储示波器因显示质量不够而不能以1ms/div展示亮点，也因存储器深度不足而不能以500ns/div展示矮脉冲细节。在经2000倍（由1ms/div至500ns/div）放大后，仅有10k采集存储器的示波器只能显示5个数字化点（10 k/2000）。
　　当您观看包含抖动、噪声和间歇事件的波形时，具有显示亮度等级能力也是非常重要的。不同显示亮度能帮助您解释信号异常的相对发生频率，有时还能根据显示亮度分布目测确定系统中的抖动或噪声类型，而不必借助复杂的波形分析软件。

图8. Agilent 6000 系列示波器显示亮度等级示出抖动、噪声和信号异常的特性。	图9. 模拟示波器不能示出极少出现的毛刺 。

　　　
　　图8示出一个包括定时抖动（靠近屏幕左边）、垂直噪声（波顶和波底）和偶发毛刺（靠近屏幕中心）的数字信号。由于所显示毛刺相对暗，我们知道这一特定毛刺很少出现。我们也能看到该毛刺的特性很复杂，可能包括大的确定性抖动（DJ）成分。如果信号沿的显示亮度分布呈Gaussian分布，就能猜测该抖动主要为随机抖动（RJ）。
　　图9是在模拟示波器上显示的同样信号。我们在这里不能示出抖动沿，因为它产生在触发参考点（上升沿）之前。但能观察到信号沿有时产生间歇毛刺。我们不能用模拟示波器观察毛刺，因为对常规模拟示波器显示而言，它出现次数太少，即使把显示亮度调到最亮。
　　除显示质量外，示波器能够捕获和显示如间歇性亚稳状态这类事件的另一极重要特性是波形更新率。特别是对数字信号中每50,000周期约产生一次的毛刺。当示波器使用每秒100,000波形的实时波形更新率时，就可用信号上升沿触发在每秒钟内约捕获2个毛刺。这一档次的典型数字示波器有每秒3500波形的最大更新率，为捕获一个毛刺需连续采集14秒以上（平均）。对于在每个测试点用探头检测几秒钟的一般调试方法来说，使用相对慢更新率的示波器很可能会丢失异常事件。
客观评估示波器显示质量
　　示波器的显示质量首先是一个主观性的问题。比较各种数字示波器显示质量的最好方法是把它们并排放在一起，用各种信号进行视觉比较，就如我们在本文所做的工作。但并排评估不同厂商数字示波器的方法并非始终可行。虽然今天不存在量化示波器显示质量的单一指标，但在评估示波器性能时，示波器有三个对显示质量有贡献的特性。即显示分辨率，像素亮度等级数，以及采集存储器。Agilent技术资料中规定了所有这些示波器特性。
　　在技术资料中，通常按显示器类型规定显示分辨率，如XGA显示（768 X 1024）或VGA显示（640 X 480）。显示分辨率为您提供用于波形显示像素数的相对提示。虽然您可直接推导出XGA显示有786,000像素的显示分辨率，但并非所有像素都实际用于波形显示。一些保留像素用于栅格外的菜单图形和ADC的8bit垂直分辨率，可能768个像素中只有256垂直像素用于实时?非平均的波形显示。
　　除了示波器的最大X-Y显示分辨率外，另一项重要因素是各像素的亮度等级数（Z轴）。如果没有Z轴亮度调制，复杂波形将以固定亮度显示，就像图2所示的屏幕照片，而无论示波器规定的是何种显示X-Y分辨率（XGA，VGA等）Agilent 6000系列示波器能以256级不同亮度显示复杂波形。而这一档次的其它示波器只能达到16级像素亮度。
　　最后一项考虑因素是采集存储器深度。虽然某些示波器用重复取样技术在示波器显示上“填充” 复杂波形，但Agilent 6000系列示波器能在每次采集后将多达8,000,000点映射到显示器。这一采集存储器量远远超过波形显示可用的最大像素数。这意味着在各采集周期期间，许多像素收到多次“采样”。例如若某特定像素仅得到一次采样，它接收到的是最小可观察亮度。收到256或更多采样的像素接收到最大的亮度级。
总结
　　当您考虑购买下一台数字示波器时，不仅仅要考虑带宽、采样率、通道数和存储器深度。另一项重要标准是显示质量。示波器的第三维Z轴按出现频度示出信号的亮度等级，可揭示许多重要的波形细节，包括各种模拟和数字应用中的信号异常。在本文中，作者尝试把Agilent最新一代混合信号示波器的显示技术与模拟示波器技术及较老数字存储示波器技术作定性比较。此外，我们还讨论评估示波器显示质量时应考虑的示波器三项重要特性。