我用过的第一台专业示波器是一台旧式的同步扫描仪。要在旧示波器上获得稳定显示是一门艺术。现在我喜欢所有的触发工具,甚至包括最基本示波器的触发工具。

示波器触发系统将示波器的时基与输入信号同步,产生稳定的显示。在模拟示波器中,触发系统启动扫描发生器,以便水平扫描与垂直信号同步。数字存储示波器(DSO)用不同的方法产生相同效果。在DSO中,数字转换器连续工作,触发事件对采集存储器中的相关数据进行标记,锁定信号数据以进行显示、测量和进一步处理。

今天的DSO包括相对简单的边沿触发、复杂一些的“智能”触发以及更复杂的“增强”触发。我们来看看这些不同的触发实现。

边沿触发

边沿触发是最常用的触发方法。边缘触发的原理是,在用户指定斜率(正、负或任一)下、当触发源迹线超过触发阈值电平时,示波器触发。在示波器触发之前,要求信号通过迟滞间隔转换,触发迟滞可提供抗噪能力。大多数示波器使用0.3至0.5垂直分度的迟滞电平。

触发源包括输入通道、外部触发输入、线路电源以及某些情况下的内置快速边沿信号。每个触发源的斜率、极性和触发阈值都可以独立于其它触发源进行设置。图1所示为典型中档示波器的边沿触发设置。

DI3-F1-201806 图1:边沿触发设置的元素包括触发源、电平、斜率和耦合。

除了设置触发源、触发电平和斜率,还有耦合选项:交流或直流耦合以及低频或高频抑制。频率选择性耦合路径用于衰减无关信号。低频抑制在触发信号路径中插入了50kHz高通滤波器,高频抑制则使用50kHz低通滤波器。这些频率选择性耦合模式适合开关电源故障诊断等应用。高频抑制使其更容易触发市电相关的信号,低频抑制则简化了开关稳压器信号的触发。

一些示波器有一个“查找电平(Find Level)”按钮。按下该按钮,示波器将自动查找当前触发源的触发电平。另一个方便之处是用一个触发图标(图1右侧)汇总了触发设置。

触发隔离

触发隔离是在每次采集包含多个触发事件时使用的触发功能。它让示波器忽略额外的触发事件,使显示稳定,就像每次采集只有一个触发事件一样。触发隔离可以基于时间或触发事件。图2显示了一个基于时间的触发隔离的例子。正在采集的波形是持续时间为7μs的8个突发脉冲串。

有八种可能的触发事件。触发事件是正常情况下会导致示波器触发的信号条件。可以将触发隔离想像成一个命令,其作用是忽略指定时间或事件数的条件下会发生的触发。

DI3-F2-201806 图2:基于时间的隔离触发可在脉冲突发波形上(从第一个到最后一个正向沿的持续时间为7μs)获得稳定的触发。

在图2中,隔离被设置为忽略突发脉冲持续时间为7μs时的触发。当示波器触发功能被启动后,任何的触发之后都会有7μs的时间间隔。因为突发脉冲的持续时间是7μs,所以下一次触发将在下一个突发的开始。

基于事件的隔离有异曲同工的效果。在这个例子中,隔离是由八个触发事件实现的。这是突发脉冲的整个持续时间。同样,采集将与每个突发脉冲同步。请注意,隔离并不保证触发发生在突发脉冲的某一特定点上,只是与突发脉冲同步。同步将保持到信号中断,当连接恢复后,将重新同步,但可能是在不同的点上。

“启动隔离计数器”确定了每次采集开始时,隔离计数器是被清零(选择“采集开始”),还是持续累计(选择“上次触发时间”)。请记住,触发输入始终处于活动状态。如果触发脉冲到达,即使不在采集过程中,也可能会在隔离条件下进行计数,除非隔离计数器在采集开始时被重启。同样,如果正与之同步的进程是连续的,则可以选择从上次触发时间开始计数来计数所有触发事件。

触发隔离是一个有用的工具,但使用它确实需要一些经验。查看示波器手册以及制造商提供的任何应用笔记或教程可能会有帮助。

智能触发

中档示波器通常包含一组功能强大的智能触发系统,这些触发系统基于触发信号的时序和幅值参数。智能触发器可能包括:毛刺、宽度、窗口、间隔(周期)、漏码、逻辑模式、欠幅、TV和压摆率。

下面我们以宽度触发作为智能触发的一个例子。宽度触发对信号宽度敏感,通常应用于矩形脉冲。“脉冲宽于”、 “脉冲窄于”、 “范围内”和“范围外”等触发条件的规定,使其成为用于触发复杂信号的强大工具。

图3显示的波形是用来演示如何使用宽度触发功能的。这是个脉宽调制波形,具有从500ns到4μs的8个不同宽度。

DI3-F3-201806 图3:使用宽度触发功能在2.5μs的脉冲宽度时触发示波器。

如前所述,可以使用四种宽度条件来定义触发。图3显示的宽度触发的脉冲宽度在2.3μs和2.7μs之间。图3的宽度触发器对话框显示了在“范围内”宽度条件下触发的设置。宽度为2.5μs的脉冲是触发事件。其它智能触发的工作原理相似,可根据信号特征提供各种各样的触发事件。

排除触发

排除触发是在波形异常时触发,而在“正常”波形的情况下避免触发。它基于使用“范围外”触发条件的智能触发。排除触发可用于发现波形异常和毛刺。使用排除触发的主要优点是不需要了解任何异常情况,因为触发是基于容易测量的标称波形特性。

图4是一个标称宽度为48ns、周期为250ns的时钟波形示例。我们可以设置一个排除触发,它在“正常”脉冲的情况下不会触发,而是在与正常脉冲不同的脉冲即异常脉冲出现时触发。使用排除触发功能,只有在满足触发条件时示波器才会采集数据。捕捉异常脉冲并不取决于示波器的更新速率。

DI3-F4-201806 图4:使用基于宽度的排除触发功能可以找出时钟信号中的异常脉冲。当脉冲宽度不是标称的48ns时会触发示波器。

宽度参数用于确定时钟信号的平均宽度,在本例中为48ns。你可以使用该值作为排除触发的基础。使用宽度触发的条件是宽度在标称值48ns的±800ps范围之外,也就是说只有与标称值至少差800ps的脉冲才会触发示波器。

采集后触发

许多示波器提供在采集后工作的特殊触发功能,包括数字或软件辅助触发、区域触发和测量触发。此类触发功能使用自动触发获得一个迹线,并在采集后搜索数据以找到所需的触发条件。如果找到触发条件,则移动迹线显示,将触发事件置于示波器触发指示器处。

测量触发

测量触发可根据测量结果触发示波器。示波器的任何测量参数都可以使用,包括“小于”、“大于”、“在范围内”、“在范围外”或“不关心”等测量条件,用于触发特定的测量值。示波器首先采集数据,如果发现测量条件,则测量位置将移到触发指示点。图5是基于宽度测量的测量触发的示例。

DI3-F5-201806 图5:测量触发系统扫描采集到的波形,检查每一个测量实例。当找到用户定义的条件时,示波器将发生的事件与触发点对齐。

在本例中,触发条件为10ns的正脉冲宽度。如果采集的波形包含该宽度的脉冲,则示波器将触发点与该脉冲的末端对齐。

软件辅助触发

软件辅助触发用于查找离硬件触发点最近的触发电平交叉点,然后调整波形的时间偏移,使其与指定的触发电平和斜率对齐。软件触发提供了可在其中搜索阈值交叉点的触发点时间门控。通过它还可手动设置软件触发迟滞。

多级或条件触发

多级触发涉及两个或更多触发源。事件的设置与基本触发(边沿、宽度、模式等)完全相同,但是一个或多个触发事件用于使示波器待命,并由最终触发源完成触发。

最早的多通道触发功能是限定条件的触发,它使用两个事件。这种触发在事件A发生时让示波器待命,在事件B到来时触发源实施触发。在正常触发模式下,它会在事件B之后自动复位。事件A可以是边沿、状态、逻辑模式或模式状态(在用户定义的事件数或时间内持续的模式)。B事件的选项取决于事件A的类型。如果事件A是数字模式或模式状态,则事件B只能是边沿。

在对总线上的IC进行故障排除时,限定条件的触发非常有用。只有在开启后,才能查看IC上的信号。通过芯片选择使触发系统待命,然后由所需的总线信号触发。

级联触发是基于多个事件的更复杂的触发,它在单个最初(“A”)事件或连续多个事件(最多三个)发生时使触发系统待命,然后在指定条件下触发示波器。它为每一组事件提供了触发隔离和复位功能,以进一步确认触发事件满足触发条件。图6是合成的屏幕图像,显示了一个典型的级联触发系统以及每个级的设置。

DI3-F6-201806 图6:显示三级级联触发器设置的合成屏幕图像。C2经历一个高于0.5V的正边沿后,示波器就位待命。在C1的正边沿穿越0V、上升时间大于325ps时,将发生触发。

参考图6,示波器触发将在通道2上的正边沿超过0.5V(事件A)时就位,然后是200ns的隔离,接着是通道1上超过0V(事件B)的正边沿。满足了这两个就位条件,示波器在上升时间超过325ps时就会触发(事件C)。

图6中,参数P1测量在整个捕获窗口完成多次采集的上升时间。P2门控上升时间的测量以便仅显示与触发点相关的值。P2的值是触发发生时的上升时间。所有上升时间的范围通常是300ps至344ps。对应于触发的上升时间测量值为326ps。

级联触发可将测量、逻辑模式或智能触发作为触发资格链中的事件。这是个非常灵活的触发工具。

触发带宽

示波器的信号路径和触发路径通常不同,从而使边沿触发带宽(通常较低)不同于信号路径带宽。智能触发带宽通常远低于边沿触发带宽。制造商的数据表显示了两种触发模式的触发带宽。

结论

现代DSO提供了多种触发类型和功能,包括简单的边沿触发、复杂的智能触发和增强触发。了解这些触发的特性和应用可确保你第一次就捕获到所需的信号,加快了测量结果的获取,提高了测试吞吐量。

原文刊登在EDN美国网站,参考链接Trigger an oscilloscope, get a stable display

《电子技术设计》2018年6月刊版权所有,谢绝转载。

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