DPO與示波器技術的發(fā)展

1   DPO的特點

　　數(shù)字熒光示波器DPO(Digital Phosphor Oscillosco-pes)是Tektronix公司新推出的一種示波器平臺，它具有數(shù)字存儲示波器DSO(Digital Storage Oscilloscopes)的各種傳統(tǒng)優(yōu)點，從數(shù)據(jù)存儲到先進的觸發(fā)功能，樣樣俱全。同時，它也具有模擬實時示波器．ART(AnalogReal Time)的明暗顯示和實時特性，能以數(shù)字形式產生顯示效果優(yōu)于模擬示波器CRT(Cathode Ray Tube)的亮度漸次變化的化學熒光效果。

　　DPO在示波器技術上有了新的突破，能夠實時顯示、存儲和分析復雜信號，利用三維信息(振幅、時間、及多層次輝度，用不同的輝度顯示幅度分量出現(xiàn)的頻率)充分展現(xiàn)信號的特征，尤其采用的數(shù)字熒光技術，通過多層次輝度或彩色能夠顯示長時間內信號的變化情況。

　　DSO的自動測量和波形存儲功能曾令許多工程師驚嘆不已，但人們不久就發(fā)現(xiàn)DSO在測量具有低頻調制的高頻信號時，由于其無法克服的混疊失真問題，其謬之千里的顯示結果又讓人想到ART示波器的好處。

　　DPO不僅具有ART示波器的實時明暗度無混疊顯示能力，而且有DSO的自動測量及波形存儲功能，在避免二者不足方面，還有很大的改進。主要表現(xiàn)在：

(1)快速波形捕獲速率和超強顯示能力

　　數(shù)字熒光顯示技術的應用使DPO能以不同的灰度或色彩同時顯示信號的多幅圖像。DPO每秒鐘可記錄200000幅波形，其信號數(shù)據(jù)比一般的DSO多1000倍，每次可捕獲500000幅波形，這種快速波形捕獲速率結合高超的顯示能力，使DPO具有分析信號任何細節(jié)的性能。

(2)連續(xù)高速采樣能力

　　通常DSO因處理顯示數(shù)據(jù)在顯示兩幅波形之間有8ms的停滯時間，即使采用了instavu采樣技術的DSO這一時間也只能降低到1．7Us，ART示波器在回掃時間內也不能捕捉波形信息，而DPO能始終以最高采樣率對幾十萬幅波形連續(xù)采樣，克服了其它示波器存在的停滯時間問題。DPO的采樣率一般每秒有幾個109次，如此高的采樣率允許示波器有更大的帶寬。

2   DPO的工作原理

　　數(shù)字熒光示波器的原理框圖如圖l所示，核心部件是由專用集成電路(ASIC)構成的DPX波形成像處理器。

　　與DSO一樣，輸入信號首先經放大和A／D變換后得到信號的采樣值，采樣值經過DPX波形成像處理器的處理后形成一幅具有500x200像素、包含波形三維信息的完整波形圖，在不間斷捕獲過程的情況下，DPX成像處理器每秒向波形顯示存儲器發(fā)送30幅波形圖，在微處理器的控制下，根據(jù)顯示存儲器的內容，在顯示屏上得到采集到的波形圖。實現(xiàn)“信號數(shù)字化-圖形化-顯示”這樣一種波形顯示方式。與此同時，微處理器以并行方式執(zhí)行自動測量及運算功能。

    由于DPO的數(shù)據(jù)采集和顯示體系分別獨立運行，使得示波器能夠在處理顯示所需數(shù)據(jù)的同時，保持最高波形捕獲速率，這意味著示波器能不間斷地捕捉波形的所有細節(jié)。

    DPX由數(shù)據(jù)采集器和稱為數(shù)字熒光器的動態(tài)三維數(shù)據(jù)庫組成。它將光柵化功能(波形圖像化)與快速波形捕獲速率有機地結合在一起，以500x200整數(shù)陣列累積信號信息，陣列中的每一個整數(shù)都代表DPO顯示中的一個像素，其數(shù)值的不同導致顯示像點的亮度或色彩不同。隨著信號不斷地采樣，這一陣列也不斷得以更新，但與DSO不同，一個顯示周期(一幅波形圖)完成后，新顯示周期的采樣值并不沖掉上次顯示周期的數(shù)據(jù)，如果兩次采樣值具有相同的顯示點，則只改變對應陣列點的值，這樣多幅波形圖就可累積顯示。當多幅波形圖導致的顯示點不同時，陣列中各點的數(shù)據(jù)就不同，因此波形顯示中會出現(xiàn)不同的亮度等級或色彩，重復出現(xiàn)的信號點其顯示亮度最高，偶爾出現(xiàn)的其它波形信息會以較低亮度得到顯示。

    DPO工作時以最大速率連續(xù)采樣，利用采樣之間的最小時間間隔觸發(fā)和生成一幅幅的波形圖，像ART’示波器一樣(由于DPO應用深度三維數(shù)據(jù)庫保存灰度信息，過去的波形信息并不丟失)，可以觀察到長時間內信號的變化情況。

3  DPO的應用

    DPO功能強大，可以完成復雜信號的捕獲、顯示、分析，加上靈活的觸發(fā)方式和自動數(shù)字測量功能使其成為測量領域的佼佼者。常用的TDS3000系列采樣率為1.25～5GS／s，帶寬為100～500MHz，TDS500／700系列的采樣率為2～4GS／s，帶寬為0.5～2GHz。DPO有這樣優(yōu)越的性能，當然不會有低廉的價格。為充分發(fā)揮DPO的性能，它主要用于復雜信號的檢測。

　　(1)視頻應用環(huán)境的信號檢測

    這類測量領域面對的是由快速脈沖組成的長“幀信號”。DSO為了捕獲整個信號的包絡，只能使用較慢的采樣率，但較慢的采樣率會因缺少波形數(shù)據(jù)而產生混疊失真；ART示波器可顯示波形輪廓，但不具備測量和分析功能，DPO尤其適合對這類信號的檢測。類似的信號如磁盤、光盤等的讀出信號。

    (2)無線通訊設備中復雜數(shù)字調制信號的檢測

    這類信號的復雜程度表現(xiàn)為非周期性信號，ART。示波器上只能得到無法辨認的模模糊糊的一條光帶，DSO因存儲深度有限難以提供有價值的信息，此時可發(fā)揮DPO的多幅波形捕獲能力。

　　(3)稀有事件重復頻率的檢測

    這是DPO的數(shù)字熒光技術帶來的突出性能，通過觀察多幅波形中稀有事件的顯示亮度就可知其在某段時間內出現(xiàn)的頻度，必要時甚至可直接調出三維數(shù)據(jù)庫中的波形數(shù)據(jù)進行詳細統(tǒng)計。

4  示波器技術的發(fā)展

    電子測量的主要問題是解決“信號存在”和“信號定量分析”。對復雜信號的存在檢測和定量分析是示波器的首要任務，DPO正是在解決這一測量問題中發(fā)展起來的一種新型示波器技術，在某種程度上，展現(xiàn)了示波器技術的發(fā)展趨勢。

　　(1)完全數(shù)字化設計

    數(shù)字熒光示波器優(yōu)于模擬、勝于數(shù)字的突出功能很大程度上是因其采用了數(shù)字熒光技術�！靶盘柎嬖凇笔请娮訙y量的基礎，只有證實了信號的存在才能對其進行定量分析，ART示波器的余輝顯示在證實信號存在方面雖具有突出的優(yōu)勢，但DPO不是簡單地仿真ART示波器的灰度顯示功能，是以數(shù)字技術為基礎構建的具有模擬效果的一種新型示波器顯示方式(信號數(shù)字化-圖形化-顯示)。全數(shù)字化設計突破傳統(tǒng)模擬仿真的舊模式，創(chuàng)建了以數(shù)據(jù)處理技術為基礎的儀器設計新概念。

　　(2)虛擬與現(xiàn)實的有機結合

    數(shù)字熒光示波器的核心部件DPX數(shù)字成像處理器照度計| 風速計| 印表機 | 瓦特功率計 | 絕緣測試器，其關鍵技術是硬件三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫的讀寫。由于DPO的顯示方式同計算機的顯示方式完全相同，是基于計算機結構的儀器，如果計算機的速度足夠快，完全可以由虛擬儀器來實現(xiàn)。DPO正是基于虛擬儀器原理，通過專用芯片完成大量的數(shù)據(jù)處理功能，進而構成的儀器系統(tǒng)。這類儀器因其運算速度快具有實時性的特點，它的便攜性克服了虛擬儀器不利現(xiàn)場使用的缺點，體現(xiàn)了現(xiàn)代儀器的發(fā)展方向。