示波器是通用的測(cè)試儀器，它們使用兩個(gè)維度表示信號(hào)，允許我們?cè)跁r(shí)域中“查看”波形。并不是所有示波器都是一樣的，但是，某些示波器更適合視頻應(yīng)用。

模擬示波器還是數(shù)字存儲(chǔ)示波器

過去，設(shè)計(jì)人員和工程師只能選擇兩種示波器：模擬實(shí)時(shí)示波器和數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)。由于每種示波器都有自己的優(yōu)點(diǎn)，因此許多用戶會(huì)盡量同時(shí)擁有兩種示波器。模擬示波器捕獲速率快，提供了輝度等級(jí)顯示，為波形提供了實(shí)時(shí)“統(tǒng)計(jì)”維度。變化的亮度清楚地顯示信號(hào)不同部分的發(fā)生頻率。資深用戶可以迅速檢定信號(hào)質(zhì)量，確定異常事件，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)獲得實(shí)時(shí)反饋。

數(shù)字存儲(chǔ)示波器有自己的優(yōu)點(diǎn)。DSO提供了自動(dòng)測(cè)量、完善的觸發(fā)、波形存儲(chǔ)和硬拷貝功能，而這些功能都是模擬儀器所不具備的。但是，DSO也有缺點(diǎn)。DSO依賴信號(hào)處理結(jié)構(gòu)，在信號(hào)采集過程的每一步中都要求微處理器干預(yù)(參見圖4)。DSO捕獲速率太慢，不能準(zhǔn)確地繪制復(fù)雜的視頻信號(hào)，它們?nèi)鄙僬{(diào)試必需的輝度等級(jí)信息。

圖4 數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)的串行處理結(jié)構(gòu)

數(shù)字熒光替代方案

對(duì)于示波器，用戶還有第三個(gè)選擇：數(shù)字熒光示波器(DPO)。數(shù)字熒光示波器同時(shí)融合了模擬示波器和數(shù)字存儲(chǔ)示波器的優(yōu)勢(shì)。從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到完善的觸發(fā)功能，DPO提供了DSO的所有傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。此外，它們使用三個(gè)維度捕獲和顯示波形信息，即幅度、時(shí)間、幅度在時(shí)間上的分布，這在很大程度上與模擬示波器類似。DPO以數(shù)字方式仿真化學(xué)熒光工藝，在模擬示波器的CRT中創(chuàng)建輝度等級(jí)。其結(jié)果是一個(gè)實(shí)時(shí)顯示畫面，復(fù)現(xiàn)信號(hào)功能豐富的特點(diǎn)。DPO可以以無可比擬的方式查看視頻信號(hào)細(xì)微的行為模式和動(dòng)態(tài)特點(diǎn)。DPO的長(zhǎng)處在于其并行處理結(jié)構(gòu)(參見圖5)。DPO把數(shù)字化波形數(shù)據(jù)光柵化成稱為數(shù)字熒光的數(shù)據(jù)庫。大約每隔1/30秒，數(shù)字熒光中存儲(chǔ)的信號(hào)圖像快照就會(huì)直接發(fā)送到顯示系統(tǒng)。同時(shí)，與集成式采集/顯示系統(tǒng)平行的微處理器會(huì)執(zhí)行波形數(shù)學(xué)運(yùn)算、測(cè)量和前面板控制。這種波形數(shù)據(jù)直接光柵化及直接復(fù)制到顯示存儲(chǔ)器，消除了DSO常見的數(shù)據(jù)處理瓶頸。

圖5 數(shù)字熒光示波器(DPO)的并行處理結(jié)構(gòu)

某些高級(jí)DPO擁有DPX波形成像處理器，大大提高了示波器的波形捕獲速率。這種專有的ASIC使得4000系列能夠以每秒最快35 000個(gè)波形的速率捕獲波形。這種快速波形捕獲速率使得用戶能夠最大限度地洞察信號(hào)活動(dòng)，提高了發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)信號(hào)問題的概率，如欠幅脈沖、毛刺和跳變錯(cuò)誤。某些DSO則提供了專用模式，把多個(gè)捕獲的突發(fā)信號(hào)保存至長(zhǎng)存儲(chǔ)器中，然后是一個(gè)顯示周期，兩者相互交替。這可以臨時(shí)提供每秒20 000～40 000個(gè)波形的傳送速率，但在處理和顯示波形數(shù)據(jù)時(shí)有明顯的死區(qū)時(shí)間。這種性能水平根本比不上DPO實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)性能。

與DPO一樣，模擬示波器也有波形捕獲速率快和輝度等級(jí)顯示的特點(diǎn)。遺憾的是，模擬示波器缺少DSO和DPO提供的許多基本功能，如自動(dòng)測(cè)量、高級(jí)觸發(fā)、波形數(shù)學(xué)運(yùn)算和波形存儲(chǔ)。事實(shí)上，DPO融合了模擬示波器結(jié)構(gòu)和DSO結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)避免了兩者的缺點(diǎn)。

基本示波器指標(biāo)

示波器第一個(gè)常用指標(biāo)是帶寬。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，示波器的模擬帶寬至少應(yīng)該是信號(hào)帶寬的五倍，才能保證準(zhǔn)確地顯示信號(hào)。(估算信號(hào)帶寬的方式之一是用0.35除以最快信號(hào)成分的10%～90%上升時(shí)間)例如，HDTV信號(hào)的帶寬一般是30MHz，因此，HDTV使用的示波器的帶寬至少應(yīng)該是150MHz。泰克4000系列示波器提供了高達(dá)1GHz的帶寬。
采樣率表明了對(duì)信號(hào)采樣的速度。為使用sin(x)/x內(nèi)插準(zhǔn)確地重建信號(hào)，示波器的采樣率至少應(yīng)該是信號(hào)最高頻率成分的2.5倍。如果使用線性內(nèi)插，那么采樣率至少應(yīng)該是最高頻率信號(hào)成分的10倍。4000系列示波器采用sin(x)/x內(nèi)插，采樣率高達(dá)5GS/s，可以準(zhǔn)確地表示最復(fù)雜的視頻標(biāo)準(zhǔn)。

示波器的波形捕獲速率表明了信號(hào)的采集速度(單位為波形/秒)。如前所述，大多數(shù)傳統(tǒng)DSO的信號(hào)捕獲速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于模擬示波器或DPO。速率較低可能會(huì)隱藏異常信號(hào)，降低分析結(jié)果的可信度。4000系列的最大波形捕獲速率為35 000波形/秒，可以以豐富的信息實(shí)際顯示視頻信號(hào)。

數(shù)字示波器的記錄長(zhǎng)度用構(gòu)成一個(gè)完整的波形記錄的點(diǎn)數(shù)表示，決定著每條通道可以捕獲的數(shù)據(jù)量。由于示波器只能存儲(chǔ)數(shù)量有限的樣點(diǎn)，因此波形周期(時(shí)間)與示波器的采樣率成反比。如果示波器的記錄長(zhǎng)度較短，用戶會(huì)被迫在信號(hào)細(xì)節(jié)和記錄長(zhǎng)度之間或在采樣率和采集的時(shí)間周期之間進(jìn)行折中。用戶可以在較短的時(shí)間周期內(nèi)采集詳細(xì)的信號(hào)信息，也可以加長(zhǎng)時(shí)間周期，但采集信號(hào)的詳細(xì)程度會(huì)下降。幸運(yùn)的是，4000系列在所有通道上標(biāo)配10M樣點(diǎn)的記錄長(zhǎng)度，可以捕獲很長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)活動(dòng)，而不會(huì)降低信號(hào)的詳細(xì)程度。

表1 4000系列支持的視頻標(biāo)準(zhǔn)

示波器的主要視頻測(cè)量功能

輝度等級(jí)顯示

前面我們已經(jīng)說過，許多視頻工程師面臨的最關(guān)鍵的顯示問題是輝度等級(jí)顯示。用戶熟悉的模擬示波器和波形監(jiān)測(cè)儀的這種特點(diǎn)會(huì)通過改變顯示的樣點(diǎn)輝度，來顯示信號(hào)的統(tǒng)計(jì)行為。4000系列DPO提供了這種輝度等級(jí)顯示。它們透過定性輝度信息，提供深入的洞察能力，用戶可以看到細(xì)微的細(xì)節(jié)和信號(hào)變化。

視頻觸發(fā)

在分析視頻波形時(shí)，第一步是獲得穩(wěn)定的顯示。在捕獲和分析信號(hào)前，必須先在這個(gè)信號(hào)上觸發(fā)示波器。4000系列標(biāo)配NTSC、PAL和SECAM標(biāo)準(zhǔn)視頻觸發(fā)功能，大大簡(jiǎn)化了這一工作。

選配的DPO4VID模塊增加了對(duì)各種模擬HDTV標(biāo)準(zhǔn)的支持。它根據(jù)活動(dòng)行數(shù)、掃描類型和幀或場(chǎng)速率識(shí)別HDTV格式。表1匯總了4000系列支持的標(biāo)配和選配視頻格式。

一旦選擇了視頻格式，下一步是指定希望觸發(fā)的項(xiàng)目。4000系列提供了各種選項(xiàng)，包括偶數(shù)場(chǎng)、奇數(shù)場(chǎng)、所有場(chǎng)、所有行或行數(shù)，如圖6所示。

圖6 4000系列的視頻觸發(fā)功能可以方便地選擇視頻標(biāo)準(zhǔn)、來源、觸發(fā)分量、極性和觸發(fā)釋抑設(shè)置。在本例中，示波器已經(jīng)觸發(fā)了NTSC信號(hào)奇數(shù)場(chǎng)的第39行

自定義視頻觸發(fā)

并不是每個(gè)視頻系統(tǒng)都符合NTSC、PAL、SECAM或HDTV格式。作為一項(xiàng)規(guī)則，計(jì)算機(jī)視頻監(jiān)視器、媒體顯示器、安全攝像機(jī)和其他自含式系統(tǒng)并不是為直接接口廣播視頻設(shè)備設(shè)計(jì)的，可能不符合普通的525行或625行標(biāo)準(zhǔn)。4000系列通過自定義視頻觸發(fā)功能，為這些應(yīng)用提供了一個(gè)簡(jiǎn)便的解決方案。自定義視頻觸發(fā)要求一些測(cè)量簡(jiǎn)便的輸入?yún)?shù)，以便知道要查找什么項(xiàng)目。為測(cè)量這些參數(shù)，先從邊沿觸發(fā)模式入手，運(yùn)行觸發(fā)電平，直到觸發(fā)視頻信號(hào)負(fù)的同步脈沖。調(diào)節(jié)示波器的垂直控制和水平控制功能，有效地查看同步脈沖。示波器要指定的第一個(gè)項(xiàng)目是視頻信號(hào)使用雙電平同步脈沖還是三電平同步脈沖(參見圖3a和圖3b)。如果是雙電平，那么使用光標(biāo)測(cè)量同步脈沖的寬度。然后提高時(shí)間/格設(shè)置，直到兩個(gè)視頻行的同步脈沖都位于示波器顯示屏上，然后再使用光標(biāo)，測(cè)量同步脈沖之間的時(shí)間。最后，指定視頻信號(hào)是逐行掃描還是隔行掃描。一旦指定了這幾個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)，4000系列可以在自定義(非標(biāo)準(zhǔn))視頻信號(hào)上觸發(fā)偶數(shù)場(chǎng)、奇數(shù)場(chǎng)、所有場(chǎng)、所有行或行數(shù)(4～3000)。

視頻自動(dòng)設(shè)置

許多示波器用戶已經(jīng)習(xí)慣使用前面板上的Autoset按鈕，讓示波器自動(dòng)調(diào)節(jié)垂直、水平和邊沿觸發(fā)參數(shù)，有效顯示各種信號(hào)。遺憾的是，這些自動(dòng)設(shè)置功能在過去一般不能用于復(fù)雜的視頻信號(hào)。然而，4000系列自動(dòng)設(shè)置功能可以識(shí)別視頻信號(hào)，設(shè)置示波器，以最佳方式查看信號(hào)。例如，用戶只需把1080i/60 HDTV色條信號(hào)連接通道1上，按Autoset，就可以獲得圖7所示的顯示畫面。注意Autoset功能還會(huì)啟動(dòng)一個(gè)側(cè)面菜單，允許迅速選擇觸發(fā)行還是場(chǎng)等。

視頻格線

圖7中顯示的另一個(gè)易用功能是視頻格線。自動(dòng)設(shè)置功能自動(dòng)為NTSC信號(hào)激活I(lǐng)RE格線，為所有其他視頻信號(hào)激活mV格線。此外，它自動(dòng)把垂直標(biāo)度設(shè)置成114mV/div，為格線相應(yīng)地定標(biāo)信號(hào)。在觸發(fā)類型設(shè)置為視頻時(shí)，對(duì)每條模擬通道，114mv/div垂直標(biāo)度設(shè)置會(huì)插入正常的1-2-5序列中，可以簡(jiǎn)便地定標(biāo)視頻信號(hào)，以轉(zhuǎn)換整個(gè)顯示畫面，最大限度地提高查看的簡(jiǎn)便性和準(zhǔn)確性。(未完待續(xù))