用示波器的第三維發(fā)現信號異常

引言
　　示波器的顯示質(zhì)量極大影響能否有效進(jìn)行設計查錯。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）和傳統模擬示波器所得到各種模擬和數字信號的顯示質(zhì)量。除了主觀(guān)比較示波器顯示質(zhì)量外，我們還討論比較不同示波器顯示質(zhì)量的客觀(guān)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(shí)間關(guān)系的二維儀器。但示波器實(shí)際存在著(zhù)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(chǎn)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(shù)的限制，在數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(guān)察復合調制模擬信號，如視頻信號，磁頭讀寫(xiě)信號和數控馬達驅動(dòng)信號時(shí)，顯示亮度等級是非常重要的。對于汽車(chē)、工業(yè)和消費品市場(chǎng)中各式各樣的嵌入式微處理器和微控制器混合信號應用，亮度等級也是極有幫助的。即使您是觀(guān)看純數字波形，亮度等級也能給出有關(guān)沿抖動(dòng)、垂直噪聲和異常事件出現率等統計信息。
　　近來(lái)，所有主要數字示波器廠(chǎng)商都已開(kāi)始提供Z軸亮度等級，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(zhì)量的示波器，使您能首先觀(guān)看大的圖景，然后通過(guò)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(guān)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 )內的重要信息。有經(jīng)驗的電視設計師能從該顯示迅速判定所產(chǎn)生模擬信號的質(zhì)量。

　　　

圖1. 100MHz 模擬示波器上顯示的復合電視信號全幀　　　圖2. 無(wú)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(wú)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(shí)仍有捕獲信號細節的足夠采樣率和存儲器深度，但所有捕獲點(diǎn)的顯示亮度相同。這就在視覺(jué)上丟失了信號包絡(luò )內的波形細節。因此在選擇模擬示波器技術(shù)還是選擇較老的數字顯示技術(shù)上，不應對今天視頻實(shí)驗室中充斥模擬示波器感到驚奇！

　　

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
　　但數字示波器最終也達到了模擬示波器的視覺(jué)質(zhì)量。圖3是最新一代采用高分辨率顯示技術(shù)混合信號示波器對電視信號的實(shí)時(shí)捕獲。該示波器每一像素有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)量顯示重復的模擬信號，并能以同樣的視覺(jué)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(lèi)似放大單次顯示。
　　今天市場(chǎng)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。例如僅有10k采集存儲器的示波器在放大后只能顯示20個(gè)寬間距點(diǎn)。

數字控制馬達驅動(dòng)信號
　　復雜模擬信號的另一例子是數字控制馬達驅動(dòng)信號。馬達不同時(shí)間的起動(dòng)周期可歸入單次現象。圖5示出采用高分辨率顯示技術(shù)的示波器如何可靠捕獲單次起動(dòng)馬達驅動(dòng)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(kāi)機序列，或是對特定馬達定位命令的采集時(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)捕獲馬達驅動(dòng)信號的所有三相。

圖5. 由數字控制信號觸發(fā)的馬達驅動(dòng)信號起動(dòng)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(guò)采用該示波器的高分辨率顯示技術(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）。對脈寬調制（PWM）突發(fā)的進(jìn)一步波形擴充（20,000:1）揭示在右面有一個(gè)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。
　　同樣，由于不同時(shí)間的馬達起動(dòng)信號屬單次應用，傳統模擬示波器技術(shù)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(huì )觀(guān)察到一條垂直光帶在一秒內掠過(guò)示波器顯示。由于傳統模擬示波器沒(méi)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(guān)察復合調制模擬信號，如前述組合電視信號和馬達驅動(dòng)信號時(shí)，數字示波器亮度分級能力具有鮮明的視覺(jué)效果。在您調試數字電路時(shí)，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�各突發(fā)中心處的亮點(diǎn)表明示波器已捕獲到信號異常。通過(guò)在一個(gè)亮點(diǎn)上放大，我們能清楚看到如圖7所示的信號異常細節。雖然模擬示波器也能通過(guò)重復掃描顯示亮點(diǎn)，但模擬示波器不能保存和放大波形。

　　　

圖6. 放大“亮點(diǎn)”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(diǎn)”
　　典型便攜式數字存儲示波器因顯示質(zhì)量不夠而不能以1ms/div展示亮點(diǎn)，也因存儲器深度不足而不能以500ns/div展示矮脈沖細節。在經(jīng)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(gè)數字化點(diǎn)（10 k/2000）。
　　當您觀(guān)看包含抖動(dòng)、噪聲和間歇事件的波形時(shí)，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(shí)還能根據顯示亮度分布目測確定系統中的抖動(dòng)或噪聲類(lèi)型，而不必借助復雜的波形分析軟件。

　　　

圖8. Agilent 6000 系列示波器顯示亮度等級示出抖動(dòng)、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(gè)包括定時(shí)抖動(dòng)（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(dòng)（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(dòng)主要為隨機抖動(dòng)（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(dòng)沿，因為它產(chǎn)生在觸發(fā)參考點(diǎn)（上升沿）之前。但能觀(guān)察到信號沿有時(shí)產(chǎn)生間歇毛刺。我們不能用模擬示波器觀(guān)察毛刺，因為對常規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(zhì)量外，示波器能夠捕獲和顯示如間歇性亞穩狀態(tài)這類(lèi)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(chǎn)生一次的毛刺。當示波器使用每秒100,000波形的實(shí)時(shí)波形更新率時(shí)，就可用信號上升沿觸發(fā)在每秒鐘內約捕獲2個(gè)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(gè)毛刺需連續采集14秒以上（平均）。對于在每個(gè)測試點(diǎn)用探頭檢測幾秒鐘的一般調試方法來(lái)說(shuō)，使用相對慢更新率的示波器很可能會(huì )丟失異常事件。
客觀(guān)評估示波器顯示質(zhì)量
　　示波器的顯示質(zhì)量首先是一個(gè)主觀(guān)性的問(wèn)題。比較各種數字示波器顯示質(zhì)量的最好方法是把它們并排放在一起，用各種信號進(jìn)行視覺(jué)比較，就如我們在本文所做的工作。但并排評估不同廠(chǎng)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(zhì)量的單一指標，但在評估示波器性能時(shí)，示波器有三個(gè)對顯示質(zhì)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(shù)資料中規定了所有這些示波器特性。
　　在技術(shù)資料中，通常按顯示器類(lèi)型規定顯示分辨率，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(shí)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(gè)像素中只有256垂直像素用于實(shí)時(shí)∕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(méi)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(wú)論示波器規定的是何種顯示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(shù)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(diǎn)映射到顯示器。這一采集存儲器量遠遠超過(guò)波形顯示可用的最大像素數。這意味著(zhù)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(guān)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(mǎi)下一臺數字示波器時(shí)，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(zhì)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。在本文中，作者嘗試把Agilent最新一代混合信號示波器的顯示技術(shù)與模擬示波器技術(shù)及較老數字存儲示波器技術(shù)作定性比較。此外，我們還討論評估示波器顯示質(zhì)量時(shí)應考慮的示波器三項重要特性。