示波器显示质量对发现信号异常能力的影响

引言
　　示波器的显示质量极大影响您有效进行设计查错的能力。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。
　　本应用指南比较Agilent 6000系列混合信号示波器（ M S O ）和Tektronix TDS3000系列示波器对各种模拟和数字信号的显示质量。在一些例子中还给出传统模拟示波器的显示结果。我们还讨论量化显示质量的方法，从而能对示波器显示 作更容易的客观比较。
　　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 2 是无 Z 轴亮度调制较老数字示波器的显示。虽然该示波器有足够的采样率和存储深度来捕获时基为5ms/div 的信号，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！



　　但数字示波器最终也达到了模拟示波器的视觉显示质量。图3是使 用Agilent 6000系列示波器对视频信 号的实时捕获。该示波器使用 Agilent 专有 MegaZoom III 技术，每 一像素有256级彩色亮度，它由深采集存储器（达 8MB）映射至高分辨率显示器（XGA）。这种数字示波器能用相似于（或可能高于）模拟示波 器的质量显示重复的模拟信号，并能以同样的视觉分辨率捕获、显示和保存复杂的单次信号。而这正是模拟示波器不及数字示波器之处。 模拟示波器只能显示重复波形。图4是与图3相同采集所捕获复合电视信号中行信号的放大_窗口显示。由于模拟示波器不能用数字方式保存波形，因此我们不能示出使用模拟示波器的类似放大单次显示。


　　图 5 是用Tektronix TDS3000 系 列示波器对同一复合电视信号进行 重复捕获， Tektronix 公司把它归入 数字荧光示波器（DPO）。Tektronix 推出 DPO 技术，试图用它仿效模拟 示波器的显示质量。虽然 DPO 的显示质量远远超过较老的数字示波器（图 2），但我们仍然认为它达不到 Agilent MegaZoom III技术或模拟示波器的显示质量。我们鼓励您自行作出判断。而且 TDS3000系列示波器的DPO 技术就像模拟示波器，需要重复 / 等效时间采集，以有效产生有亮度等级的显示。如果您用单次采集捕获该信号，会发现波形非常像图 2 的情况。只有少数几个亮度级。此外，如果想放大捕获波形而只观察一条电视行信号，就只能看到如图6所示的一些间隔很大的离散点。这是因为该示波器的存储器深度受限（最大为 10 k），它降低了采样率来观察相对长和复杂的波形， 例如这种复合电视信号。在这一特 殊例子时，采样率降到只有 250kSa/ s，虽然该示波器规定的最大采样率达到 GSa/s 量级。Agilent 6000 系列示波器中的深存储器能让您捕获 “大的”图像（图3），然后放大“小的/细节的”区域（图 4），用持续的高采样率得到充分的波形细节。



数字控制马达驱动信号
　　复杂模拟信号的另一例子是数 字控制马达驱动信号。马达不同时 间的起动周期可归入单次现象。图7 示出 Agilent 6000 系列混合信号示 波器如何可靠捕获单次起动马达驱 动信号的一相。您也能用该示波器 的数字 / 逻辑通道同步和触发对基于马达数字控制信号的波形捕获。 在您试图不仅同步开机序列，而且 要同步马达定位在特使位置的指令 时，这一能力是极端重要的。虽然 图中没有示出，但该示波器能使用 它的 4 个模拟采集通道，容易地同 时捕获马达驱动信号的所有三相。 图 7 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 MegaZoom III 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。


　　如图8所示，Tektronix TDS3000 系列示波器因不足的采样率和显示 质量而不能捕获到该信号的所有细 节。此外，TDS3000 系列示波器缺 乏 MSO 的附加逻辑通道，因此您 不能用该三相马达的数字控制信号 进行触发采集。由于该示波器有限 的存储器深度和较慢时基范围降低 的采样率，以及 DPO 显示技术主要基于重复采集这一事实，造成图像 质量很差。也正因为该示波器降低 了采样率（10kSa/s），不能放大该波 形，而只能观察到若干相距甚远的点类似于图 6 的情况。也不能在 模拟示波器上捕获到该信号，因为 我们的信号是单次的，而常规模拟 示波器不能显示单次波形。


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9是发现嵌入在脉 宽调制信号（PWM）中矮脉冲的例 子。靠近各脉冲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 10 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，但模拟示波器不能放大所保存的波形。


　　图 11 显示 Tektronix TDS3000系列示波器试图捕获同一数字波形信息。该示波器没有足够显示分辨 率来示出亮点。在这一时基设置时，它也没有足够的采集存储器深度和采样率来揭示放大以后的矮脉冲，如图 12 所示。


　　当您观察包含抖动、噪声和偶 发事件波形时，显示亮度等级也是 非常重要的。显示亮度级能帮助您 了解信号异常出现的相对频度，有 时也能通过显示亮度分布帮助您由 视觉确定系统中抖动或噪声的类型， 而不需要借助复杂的波形分析软件。
　　图13示出一个包括时域抖动（靠近屏幕左边）、垂直噪声（波顶和 波底）和极偶发毛刺（靠近屏幕中 心）的数字信号例子。由于显示的毛 刺相对暗淡，我们知道该毛刺极少出现。我们也能看到抖动极为复杂， 可能包括很大成分的确定性抖动（DJ）。如果信号沿的显示亮度呈 Gaussian 分布，则可猜想抖动以随 机性抖动（RJ）为主。对于不同类型抖动的深入讨论，请参看应用指南 1448-2“用实时抖动分析找到抖 动源”，它列于本文后面的参考文 献中。
　　图 14示出同一信号在模拟示波 器上的显示。由于它产生在触发参 考点（上升沿）之前，因此不能示出 该抖动沿。但可观察到该信号沿有 时产生的偶发毛刺。不过对常规模 拟示波器显示技术来说，由于毛刺 过于稀少，因此不能在模拟示波器上看到该毛刺，即使把显示亮度调 到最亮。
　　Tek TDS3000 系列示波器也不 能捕获和显示这一偶发毛刺，即使 我们把探头放在测试点 10 秒以上。 然而毛刺捕获问题并不源于不足的 显示质量。这一问题与不足的波形 更新率相关。为深入了解数字示波 器的这一重要方面，请参看应用指 南 1551“改进您捕获难解事件的能 力：为什么示波器的波形更新率非 常重要？”，它也列于本文后面的参考文献中。



量化显示质量
　　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。
　　尽管不愿武断地宣称某种示波 器的显示质量优于其它示波器，但 为进行比较，我们还是试图量化显 示质量。数字示波器有三个对显示 质量有贡献的特性：显示像素数，亮 度等级数，以及映射到示波器显示 的数字化点数。由于 Agilent 6000 系 列示波器采用XGA显示(768 x1024)， 您可直接推断它有 786,000 像素的 显示分辨率。但并非所有这些像素 都用于波形显示。有些像素用于栅 格外的菜单显示。在 768 x1024 像素 中只有 640 x1000 用于波形显示。此 外，由于该示波器的实时数字化是 基于8bit模数转换器，因此对于实际 波形显示，在 640 个可用垂直像素 中，实际使用的仅为 256 垂直像素。 也就是要把 8,000,000个数字化点实 时映射到 256,000 像素的最大净波 形像素分辨率。
　　把高达8,000,000 个数字化点映 射到 256,000 个像素位置，意味着当观察复杂信号时，在示波器垂直标 度范围内的多个象素点，将会在每 次示波器采集时被多次“击中”。各 像素的击中次数确定其亮度等级。 Agilent 6000 系列示波器规定 256级 亮度。如果某特定像素仅击中一次， 它得到的是最小可观察亮度。得到256 次或更多击中的像素有最大亮 度。把示波器的像素分辨率乘以亮 度级，我们就能量化数字示波器的 相对显示质量。使用这一公式，计算 得到Agilent 6000系列示波器的显示 质量约为 65M 像素级。
　　那么Tektronix TDS3000系列示 波器的显示质量如何呢？由于 TDS3000系列示波器采用VGA显示（640x480），最大显示像素数约为300,000。但同样考虑到菜单图形所 占位置和模数转换器的比特数（8bit），我们估计TDS3000系列示波 器的实时波形显示可能使用高达115,000 像素。然后 TDS3000 系列示 波器在各重复采集周期期间把 10, 000 个数字化点映射到这些像素位 置。虽然 Tektronix 未明确规定显示亮度级数，但我们估计该示波器使 用不超过 16 的亮度级数。依据这些 假设，我们估计该示波器的相对显示质量为 1.8M 像素级。即使不考虑这两种数字示波器在存储器深度上 的明显差异，根据对重复采集的这些假设和计算，Agilent 6000 系列示 波器的相对显示质量也要比 Tek TDS3000 系列示波器高 35 倍以上。 而对于实时单次采集，Agilent 的显 示质量甚至更高（比较图 7 和图 8）， 因为 Agilent 是把 8,000,000 个数字 化点映射到它的显示，而 Tektronix TDS3000 系列示波器只使用10,000 点映射。

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。 在本应用指南中，我们尝试把 Agilent MegaZoom III技术与模拟示 波器技术及Tektronix DPO显示技术 作定性比较。此外作为相对比较，我们还对显示质量（像素级）做了定量测量。