技术文章
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用示波器的第三维发现信号异常
| 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 但数字示波器最终也达到了模拟示波器的视觉质量。图3是最新一代采用高分辨率显示技术混合信号示波器对电视信号的实时捕获。该示波器每一像素有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。 今天市场上的典型便携式示波器只有有限的采集存储器深度，不能在保存和放大该特定信号后显示如图4所示程度的波形细节。例如仅有10k采集存储器的示波器在放大后只能显示20个宽间距点。 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5示出采用高分辨率显示技术的示波器如何可靠捕获单次起动马达驱动信号的一相。您也能用混合信号示波器的数字∕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。在您试图同步对开机序列，或是对特定马达定位命令的采集时，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5. 由数字控制信号触发的马达驱
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