數字螢光示波器結構融合模擬示波器和數字示波器的優勢

數字存儲示波器(DSO)現在已經擺到幾乎每個工程師的工作檯上。但是，許多DSO仍與模擬實時(ART)示波器放在一起。為什麼呢？

這是因為這兩個平臺都具有各自的優勢。DSO同時提供了多通道操作及測量自動化和波形存儲功能。

模擬示波器的灰度顯示器及變化的亮度和連續採集功能，天生就給查看的波形帶來了實時"統計"功能。它突出顯示發生最頻繁的信號部分，但模擬示波器缺乏DSO的存儲能力和其它功能。工程師一直不能完全依賴其中一種示波器結構，滿足所有信號檢定需求。

DPO: 在結構上實現重大突破

泰克新推出的示波器平臺-數字螢光示波器(DPO)同時融合了模擬領域和數字領域的優勢，並超越了這兩種技術。工程師現在可以使用一臺儀器，捕獲與波形有關的所有重要信息：幅度、頻率和揭示幅度在測量期間分布的強度軸。

數字螢光示波器不亞於任何一種重大的測量技術突破。從數字存儲到完善的觸發功能，它提供了DSO結構的所有優點。通過以數字方式仿真在模擬示波器CRT中產生強度漸變的化學螢光工藝，它滿足了對模擬式特點的需求，如灰度顯示和實時操作。它把數字示波器轉換成一種通用的波形採集儀器。

圖1. DPO系統簡化的方框圖

泰克利用其在數字實時採集和InstaVuTM採集等DSO先進技術中的經驗，為DPO創造出顯著的性能。圖1是DPO系統簡化的方框圖。

數字螢光示波器可以連續把波形採集到三維資料庫中，同時更新顯示屏，因為它採用並行處理結構，集成了顯示屏和採集系統。注意，顯示管理任務不會給DPO的系統處理器帶來負擔。處理器專用於測量自動化和分析工作。這與典型的DSO有著很大的區別，在典型DSO中，到達顯示屏的每個數據位都必須通過處理器，而處理器還負責執行計算、管理示波器的用戶界面等任務。

圖2. DPO波形圖像，說明軌跡強度怎樣揭示發生的頻率

DPO的核心是DPXTM波形圖像處理器，這是一種專有的ASIC，把數位化波形光柵化到動態的三維資料庫，稱為數字螢光示波器。DPX在500 x 200整數陣列中積累信號信息。陣列中的每個整數表示DPO顯示器中的一個像素。如果信號一次又一次地流經一個點，其陣列位置將重複更新，以強調這一情況。在由許多樣點組成的時間跨度上，陣列建立詳細的信號完整性圖。結果會得到一個波形軌跡，其強度與在每個點上信號發生的頻率成比例變化，這種"灰度"就象模擬實時示波器一樣。但與ART不同的是，DPO允許使用顏色表達灰色水平。圖2使用來自亞穩定電路的波形，表示這一效果。強度水平明確表示屏幕上每個點發生的頻率。主要軌跡上面的直方圖以統計方式表示軌跡本身中的強度信息。

圖3.A) 模擬示波器是認可的波形廓線;

圖3.B) 捕獲整個信號包絡需要較低的取樣速率，這導致的假信號使視頻信號的DSO顯示失真;

圖3.C) DPO顯示了沒有假信號的視頻波形；波形的許多部分被加強，表明信號在這些點上用了更多的時間。

DPO工作模型依賴其傑出的顯示樣點密度，實時顯示信號操作。傳統DSO只在很短的時間上取樣，其佔總時間的比例不到1%。其餘時間花在彙編顯示窗口上，這偶爾會忽略當時發生的所有信號操作。相比之下，DPO利用泰克經過驗證的信號捕獲專利技術-InstaVu採集技術，明顯降低了採集之間的空轉時間。DPO每秒可以記錄最多200,000個波形，比普通DSO記錄的信號數據高出1000倍。新的數字螢光快照每隔1/30秒發送到顯示屏上，而不會中斷採集過程。結果，圖像與波形操作實時對應，豐富的數據可以準確地表示波形。

DSO中有時使用"餘輝"模式，模擬灰度。但餘輝顯示由後期處理正常採集的波形創建，而不是實時採集的波形。餘輝依賴許多累積的數據"屏幕"，需要時間重新採集和計算顯示結果。另一方面，DPO把顯示和採集系統集成起來，實時顯示三維信號信息，可以在屏幕上立即查看這些信息。

在實際環境中使用DPO

我們已經看到，ART和DSO都有各自的優點和缺點。DPO第一次提供了一個同時融合所有優勢的平臺，而沒有它們的缺點，並且超越了這兩種設備。

驗證這一點的最佳方式是查看某些實際環境中的測量實例。

圖4. 泰克DPO屏幕上看到的QAM星座圖。DPO連續採集功能提供了動態、準確的XY顯示。

圖5. 顯示中心脈衝模糊的畸變發生的頻率要低於正常脈衝形狀。這種看得到的情況迅速揭示了不規則的瞬變。

圖6. 數字螢光陣列中的波形數據的三維視圖。發生頻率用圖形中的Z軸表示。

為捕獲長時間間隔的信號提供的解決方案。使用DSO原原本本地捕獲由時期相對較長的多個成分組成的分組化信號非常困難。其中一個實例是圖3a中的複合視頻信號。它要求捕獲很長的時間間隔 (從而使用低速時基設置)，以了解整個包絡的特點。但是，為了捕獲各個脈衝細節，必需使用快速時基設置。

正常程序是把DSO的時基(因此其取樣速率)設置成足夠慢的水平速率，以採集整個信號包絡。在DSO上，低速的取樣速率會在信號內部各個較快的脈衝上產生假信號 - 這是使用相對於被測頻率，取樣速率太慢的副產物。結果是波形幾乎失真到不能識別的程度，如圖3b所示。更糟糕的是，與實際頻率相比，波形的頻率似乎會較低。

到目前為止，解決方法一直是使用模擬示波器查看這類信號。圖3a中的模擬顯示被視為"正確的"波形廓線。但是，ART不能存儲、自動測量和分析信號。

DPO提供了充足的波形數據，每秒可以向顯示器發送1億個樣點，解決了假信號的問題。得到的波形(圖3c)清楚全面，儘管它是在低速時基設置上採集的。注意，在圖3c中，許多波形部分被加強了，表明信號在這些點上用了更多的時間。信息的這個軸在實時的DSO顯示中完全缺失了。另外注意，所示的信號是一個穩定的測試碼型。如果它是動態變化的實況視頻信號，DSO顯示會進一步偏離實際情況。

假信號已經困擾了DSO許多年。視頻測量、磁碟驅動器讀通道測量、無線通信信號和要求捕獲由快速脈衝組成的長"分組"的其它測量，都使得工程師一直緊緊抓著ART示波器不肯放手。泰克DPO的出現，最終可以解決數字示波器的假信號效應。

最終結果：具有真正的XY模式的數字示波器。沒有什麼東西可以代替示波器中真正的XY測量功能。在XY模式下，通過把一個信號饋送到正常的垂直輸入中，把另一個信號輸送到水平輸入中，來比較兩個信號的相位關係。XY模式是模擬示波器的一個傳統優勢，同時該模式具有實時數據流量要求，這也正是DSO的缺點。

但是，當前無線通信中複雜的數字調製的信號需要數字示波器提供額外的功能，如帶寬、觸發、分析等等。

圖4是泰克DPO捕獲的QAM星座圖。描述90度相移點的耳垂清楚穩定。這是因為DPO以10.4M樣點/秒的速率把樣點連續提取到數字螢光中，它以1M像素/秒的速率、連續把該信息掃描到顯示器上。這種連續採集功能提供了動態、準確的XY顯示畫面。

DSO不能產生這樣一個顯示畫面。DSO沒有提供足夠的樣點密度或連續採集能力。此外，DPO的顏色漸變提供的解析度要優於ART的單色灰度。

揭示隨機事件和不頻繁的事件。 DPO能夠捕獲隨機事件或不頻繁的事件，特別適合調試最先進的電子設計。這裡，DPO傑出的顯示樣點密度再次意味著示波器要花多得多的時間，積極地採集數據，而不是處理數據進行顯示。這意味著偶爾的瞬時事件被忽略的可能性大大降低。另外，相對於屏幕上的其它信號成分，灰度功能突出了這些瞬時信號的頻繁程度。

圖5是由廣泛分開的脈衝及間歇性噪聲和瞬時事件組成的信號。注意，顯示中心脈衝中模糊的畸變，這是變化的脈衝，其發生的頻率要低於正常脈衝波形。檢測這種畸變的能力在檢修應用中特別有用。

全新水平的數據分析。由於DPO在動態的三維資料庫中存儲波形數據，因此可以簡便地推導得出與信號有關的統計信息。DPO的內部直方圖功能收集與傳送中的信號分布或存儲波形有關的量化信息。還可以通過示波器的GPIB埠，把三維資料庫導出到外部PC上進行分析，包括三維繪圖。這些數據提供了一個三維視圖，其中發生頻率用圖形中的Z軸表示。與DPO屏幕顯示一樣，可以使用顏色增強顯示效果。圖6是得到的圖形。

結論

泰克的新型數字螢光示波器在一種強大的採集技術中，同時融合了模擬示波器和數字示波器的優勢。這一測量工具要優於模擬示波器和數字示波器，因為它可以以前所未有的方式考察信號操作。任何現有的示波器結構(不管是模擬示波器還是數字示波器)都不能實現數字螢光示波器的功能。