用示波器的第三維發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常

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引言
　　示波器的顯示質(zhì)量極大影響能否有效進(jìn)行設(shè)計(jì)查錯(cuò)。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。
　　本文比較最新一代混合信號(hào)示波器（MSO）、較老的數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）和傳統(tǒng)模擬示波器所得到各種模擬和數(shù)字信號(hào)的顯示質(zhì)量。除了主觀比較示波器顯示質(zhì)量外我們還討論比較不同示波器顯示質(zhì)量的客觀方法。
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。現(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。
　　近來所有主要數(shù)字示波器廠商都已開始提供Z軸亮度等級(jí)，鍍層測(cè)厚儀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1. 100MHz 模擬示波器上顯示的復(fù)合電視信號(hào)全幀　　　圖2. 無亮度等級(jí)能力較老數(shù)字示波器上顯示的復(fù)合電視信號(hào)全幀
　　圖2是無Z軸亮度調(diào)制較老數(shù)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(hào)細(xì)節(jié)的足夠采樣率和存儲(chǔ)器深度但所有捕獲點(diǎn)的顯示亮度相同。這就在視覺上丟失了信號(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！

 

圖3. Agilent 6000 系列示波器上顯示的復(fù)合電視信號(hào)全幀　　　圖4. 使用Agilent 6000 系列示波器對(duì)電視行信號(hào)的放大顯示
　　但數(shù)字示波器最終也達(dá)到了模擬示波器的視覺質(zhì)量。圖3是最新一代采用高分辨率顯示技術(shù)混合信號(hào)示波器對(duì)電視信號(hào)的實(shí)時(shí)捕獲。該示波器每一像素有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。
　　今天市場(chǎng)上的典型便攜式示波器只有有限的采集存儲(chǔ)器深度不能在保存和放大該特定信號(hào)后顯示如圖4所示程度的波形細(xì)節(jié)。例如僅有10k采集存儲(chǔ)器的示波器在放大后只能顯示20個(gè)寬間距點(diǎn)。

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(dá)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一相。您也能用混合信號(hào)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。在您試圖同步對(duì)開機(jī)序列或是對(duì)特定馬達(dá)定位命令的采集時(shí)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(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5. 由數(shù)字控制信號(hào)觸發(fā)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)信號(hào)起動(dòng)序列，以及用Agilent 6000系列MSO不同級(jí)別的放大展現(xiàn)“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(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。而只有淺存儲(chǔ)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(xì)節(jié)。
　　同樣由于不同時(shí)間的馬達(dá)起動(dòng)信號(hào)屬單次應(yīng)用傳統(tǒng)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(tái)模擬示波器設(shè)置為以100ms/div掃描捕獲單次信號(hào)您會(huì)觀察到一條垂直光帶在一秒內(nèi)掠過示波器顯示。由于傳統(tǒng)模擬示波器沒有存儲(chǔ)能力因此放大保存波形是不可能的。

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效果。在您調(diào)試數(shù)字電路時(shí)，亮度等級(jí)對(duì)于發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常也極端重要。圖6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�各突發(fā)中心處的亮點(diǎn)表明示波器已捕獲到信號(hào)異常。通過在一個(gè)亮點(diǎn)上放大我們能清楚看到如圖7所示的信號(hào)異常細(xì)節(jié)。雖然模擬示波器也能通過重復(fù)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(xiàn)嵌入在各數(shù)字突發(fā)內(nèi)的“亮點(diǎn)”
　　典型便攜式數(shù)字存儲(chǔ)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(chǔ)器深度不足而不能以500ns/div展示矮脈沖細(xì)節(jié)。在經(jīng)2000倍（由1ms/div至500ns/div）放大后僅有10k采集存儲(chǔ)器的示波器只能顯示5個(gè)數(shù)字化點(diǎn)（10 k/2000）。
　　當(dāng)您觀看包含抖動(dòng)、噪聲和間歇事件的波形時(shí)具有顯示亮度等級(jí)能力也是非常重要的。不同顯示亮度能幫助您解釋信號(hào)異常的相對(duì)發(fā)生頻率有時(shí)還能根據(jù)顯示亮度分布目測(cè)確定系統(tǒng)中的抖動(dòng)或噪聲類型而不必借助復(fù)雜的波形分析軟件。

　　　

圖8. Agilent 6000 系列示波器顯示亮度等級(jí)示出抖動(dòng)、噪聲和信號(hào)異常的特性�！　　�圖9. 模擬示波器不能示出極少出現(xiàn)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(shù)字信號(hào)。由于所顯示毛刺相對(duì)暗我們知道這一特定毛刺很少出現(xiàn)。我們也能看到該毛刺的特性很復(fù)雜可能包括大的確定性抖動(dòng)（DJ）成分。如果信號(hào)沿的顯示亮度分布呈Gaussian分布就能猜測(cè)該抖動(dòng)主要為隨機(jī)抖動(dòng)（RJ）。
　　圖9是在模擬示波器上顯示的同樣信號(hào)。我們?cè)谶@里不能示出抖動(dòng)沿因?yàn)樗�產(chǎn)生在觸發(fā)參考點(diǎn)（上升沿）之前。但能觀察到信號(hào)沿有時(shí)產(chǎn)生間歇毛刺。我們不能用模擬示波器觀察毛刺因?yàn)閷?duì)常規(guī)模擬示波器顯示而言它出現(xiàn)次數(shù)太少即使把顯示亮度調(diào)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(wěn)狀態(tài)這類事件的另一極重要特性是波形更新率。特別是對(duì)數(shù)字信號(hào)中每50,000周期約產(chǎn)生一次的毛刺。當(dāng)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(hào)上升沿觸發(fā)在每秒鐘內(nèi)約捕獲2個(gè)毛刺。這一檔次的典型數(shù)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(xù)采集14秒以上（平均）。對(duì)于在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)用探頭檢測(cè)幾秒鐘的一般調(diào)試方法來說使用相對(duì)慢更新率的示波器很可能會(huì)丟失異常事件。
客觀評(píng)估示波器顯示質(zhì)量
　　示波器的顯示質(zhì)量首先是一個(gè)主觀性的問題。比較各種數(shù)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(hào)進(jìn)行視覺比較就如我們?cè)诒疚乃�做的工作。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。雖然今天不存在量化示波器顯示質(zhì)量的單一指標(biāo)但在評(píng)估示波器性能時(shí)示波器有三個(gè)對(duì)顯示質(zhì)量有貢獻(xiàn)的特性。即顯示分辨率像素亮度等級(jí)數(shù)以及采集存儲(chǔ)器。Agilent技術(shù)資料中規(guī)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型規(guī)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?cái)?shù)的相對(duì)提示。雖然您可直接推導(dǎo)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(xiàng)重要因素是各像素的亮度等級(jí)數(shù)（Z軸）。如果沒有Z軸亮度調(diào)制復(fù)雜波形將以固定亮度顯示就像圖2所示的屏幕照片而無論示波器規(guī)定的是何種顯示X-Y分辨率（XGAVGA等）Agilent 6000系列示波器能以256級(jí)不同亮度顯示復(fù)雜波形。而這一檔次的其它示波器只能達(dá)到16級(jí)像素亮度。
　　最后一項(xiàng)考慮因素是采集存儲(chǔ)器深度。雖然某些示波器用重復(fù)取樣技術(shù)在示波器顯示上“填充” 復(fù)雜波形但Agilent 6000系列示波器能在每次采集后將多達(dá)8,000,000點(diǎn)映射到顯示器。這一采集存儲(chǔ)器量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過波形顯示可用的最大像素?cái)?shù)。這意味著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察亮度。收到256或更多采樣的像素接收到最大的亮度級(jí)。 

總結(jié)
　　當(dāng)您考慮購買下一臺(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。在本文中作者嘗試把Agilent最新一代混合信號(hào)示波器的顯示技術(shù)與模擬示波器技術(shù)及較老數(shù)字存儲(chǔ)示波器技術(shù)作定性比較。此外我們還討論評(píng)估示波器顯示質(zhì)量時(shí)應(yīng)考慮的示波器三項(xiàng)重要特性。