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。對于汽車、工業(yè)和消費(fèi)品市場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)，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 2 是無 z 軸亮度調(diào)制較老數(shù)字示波器的顯示。雖然該示波器有足夠的采樣率和存儲(chǔ)深度來捕獲時(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zui終也達(dá)到了模擬示波器的視覺顯示質(zhì)量。圖3是使 用agilent 6000系列示波器對視頻信 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（zui大為 10 k），它降低了采樣率來觀察相對長和復(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zui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 7 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 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 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效果。在您調(diào)試數(shù)字電路時(shí)，亮度等級(jí)對于發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常也重要。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。該示波器沒有足夠顯示分辨 率來示出亮點(diǎn)。在這一時(shí)基設(shè)置時(shí)，它也沒有足夠的采集存儲(chǔ)器深度和采樣率來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)的相對頻度，有 時(shí)也能通過顯示亮度分布幫助您由 視覺確定系統(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。對于不同類型抖動(dòng)的深入討論，請參看應(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。不過對常規(guī)模 擬示波器顯示技術(shù)來說，由于毛刺 過于，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zui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 我們把探頭放在測試點(diǎn) 10 秒以上。 然而毛刺捕獲問題并不源于不足的 顯示質(zhì)量。這一問題與不足的波形 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) 主觀性的問題。比較各種數(shù)字示波 器顯示質(zhì)量的方法是把它們并 排放在一起，用各種信號(hào)進(jìn)行視覺 比較，就如我們在本文所做的工作。 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。
盡管不愿武斷地宣稱某種示波 器的顯示質(zhì)量優(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zui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zui小可觀察亮度。得到256 次或更多擊中的像素有zui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），zui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 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 波器的相對顯示質(zhì)量也要比 tek tds3000 系列示波器高 35 倍以上。 而對于實(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。此外作為相對比較，我們還對顯示質(zhì)量（像素級(jí)）做了定量測量。