示波器觸發器將示波器的時基(time-base)與輸入訊號同步,產生穩定的顯示。在類比示波器中,觸發器啟動掃描產生器,以便水平掃描(horizontal sweep)與垂直訊號同步。數位儲存示波器(DSO)用不同的方法產生相同效果,在DSO中,數位轉換器連續工作,觸發事件對採集記憶體中的相關資料進行標記,鎖定訊號資料以進行顯示、測量和進一步處理。

今天的DSO包括相對簡單的邊緣觸發、複雜一些的「智慧」觸發,以及更複雜的「增強」觸發。以下來看看這些不同的觸發實現。

邊緣觸發器

邊緣觸發是最常用的觸發方法。邊緣觸發的原理是,在用戶指定斜率(正、負或任一)下、當觸發源跡線超過觸發閾值電平時,示波器觸發。在示波器觸發之前,要求訊號透過遲滯間隔轉換,觸發遲滯可提供抗雜訊能力,大多數示波器使用0.3~0.5垂直分度的遲滯電平。

觸發源包括輸入通道、外部觸發輸入、線路電源,以及某些情況下的內建快速邊緣訊號。每個觸發源的斜率、極性和觸發閾值都可以獨立於其他觸發源進行設置。圖1所示為典型中階示波器的邊緣觸發設置。

20180628TA01P1 圖1 邊緣觸發器設置的元素包括觸發源、電平、斜率和耦合。

除了設置觸發源、觸發電平和斜率,還有耦合選項:交流或直流耦合,以及低頻或高頻抑制。頻率選擇性耦合路徑用於衰減無關訊號,低頻抑制在觸發訊號路徑中插入了50kHz高通濾波器,高頻抑制則使用50kHz低通濾波器。這些頻率選擇性耦合模式適合開關電源故障診斷等應用,高頻抑制使其更容易觸發市電相關的訊號,低頻抑制則簡化了開關穩壓器訊號的觸發。

一些示波器有一個「查找電平(Find Level)」按鈕,按下該按鈕,示波器將自動查找當前觸發源的觸發電平。另一個方便之處是用一個觸發器圖示(圖1右側)匯總了觸發器的設置。

觸發隔離

觸發隔離是在每次採集包含多個觸發事件時使用的觸發功能。它讓示波器忽略額外的觸發事件,使顯示穩定,就像每次採集只有一個觸發事件一樣。觸發隔離可以基於時間或觸發事件,圖2顯示了一個基於時間的觸發隔離的例子,正在採集的波形是持續時間為7μs的8個突發脈衝串。

20180628TA01P2 圖2 基於時間的隔離觸發可在脈衝突發波形上(從第一個到最後一個正向沿的持續時間為7μs)獲得穩定的觸發。

有8種可能的觸發事件。觸發事件是正常情況下會導致示波器觸發的訊號條件。可以將觸發隔離想像成一個命令,其作用是忽略指定時間或事件個數的觸發。

在圖2中,隔離被設置為忽略突發脈衝的7μs持續時間。當示波器觸發功能被啟動後,任何的觸發之後都會有7μs的時間間隔。因為突發脈衝的持續時間是7μs,所以下一次觸發將在下一個突發的開始。

基於事件的隔離有異曲同工的效果。在這個例子中,隔離是由8個觸發事件實現。這是突發脈衝的整個持續時間。同樣,採集將與每個突發脈衝同步,請注意,隔離並不保證觸發發生在突發脈衝的某一特定點上,只是與突發脈衝同步。同步將保持到訊號中斷,當連接恢復後,將重新同步,但可能是在不同的點上。

「啟動隔離計數器」確定了每次採集開始時,隔離計數器是被重置為零(選擇「採集開始」),還是持續累計(選擇「上次觸發時間」)。請記住,觸發輸入始終處於活動狀態,如果觸發脈衝到達,即使不在採集過程中,也可能會在隔離條件下進行計數,除非隔離計數器在採集開始時被重啟。同樣,如果正與之同步的進程是連續的,則可以選擇從上次觸發時間開始計數來計算所有觸發事件。

觸發隔離是一個有用的工具,但使用它確實需要一些經驗。查看示波器手冊,以及製造商提供的任何應用筆記或教程可能會有幫助。

智慧觸發器

中階示波器通常包含一組功能強大的智慧觸發器,這些觸發器基於觸發訊號的時序和幅值參數。智慧觸發器可能包括:毛刺、寬度、窗口、間隔(週期)、漏碼、邏輯模式、欠幅、TV和壓擺率。

以下用寬度觸發器作為智慧觸發器的一個例子,寬度觸發器對訊號寬度敏感,通常應用於矩形脈衝。「脈衝寬度寬於」、「脈衝寬度窄於」、「範圍內」和「範圍外」等觸發條件的規定,使其成為用於觸發複雜訊號的強大工具。

圖3顯示的波形是用來演示如何使用寬度觸發器。這是個脈衝寬度調變波形,具有從500ns~4μs的8個不同寬度。

20180628TA01P3 圖3 使用寬度觸發器在2.5μs的脈衝寬度時觸發示波器。

如前所述,可以使用四種寬度條件來定義觸發器。圖3顯示的寬度觸發器的脈衝寬度在2.3μs~2.7μs之間,圖3的寬度觸發器對話方塊顯示了在「範圍內」寬度條件下觸發的設置,寬度為2.5μs的脈衝是觸發事件。其他智慧觸發器的工作原理相似,可根據訊號特徵提供各種各樣的觸發事件。

排除觸發器

排除觸發器能夠在波形異常時觸發,而在「正常」波形的情況下避免觸發,它基於使用「範圍外」觸發條件的智慧觸發器。而排除觸發器可用於發現波形異常和毛刺,使用排除觸發器的主要優點是不需要瞭解任何異常情況,因為觸發器基於容易測量的標稱波形特性。

圖4是一個標稱寬度為48ns、週期為250ns的時脈波形示例。可以設置一個排除觸發器,它在「正常」脈衝的情況下不會觸發,而是在與正常脈衝不同的脈衝即異常脈衝出現時觸發。使用排除觸發器,只有在滿足觸發條件時示波器才會採集資料,捕捉異常脈衝並不取決於示波器的更新速率。

20180628TA01P4 圖4 使用基於寬度的排除觸發器可以找出時脈訊號中的異常脈衝。當脈衝寬度不是標稱的48ns時會觸發示波器。

寬度參數用於確定時脈訊號的平均寬度,在本例中為48ns,可以使用該值作為排除觸發器的基礎。使用寬度觸發器的條件是寬度在標稱值48ns的±800ps範圍之外,也就是說只有與標稱值至少差800ps的脈衝才會觸發示波器。

採集後觸發器

許多示波器提供在採集後工作的特殊觸發器,包括數位或軟體輔助觸發器、區域觸發器和測量觸發器。此類觸發器使用自動觸發獲得一個跡線,並在採集後搜索資料以找到所需的觸發條件,如果找到觸發條件,則移動跡線顯示,將觸發事件置於示波器觸發指示器處。

測量觸發器

測量觸發器可根據測量結果觸發示波器。示波器的任何測量參數都可以使用,包括「小於」、「大於」、「在範圍內」、「在範圍外」或「不關心」等測量條件等,用於觸發特定的測量值。示波器首先採集資料,如果發現測量條件,則測量位置將移到觸發指示點,圖5是基於寬度測量的測量觸發器示例。

20180628TA01P5 圖5 測量觸發器掃描採集到的波形,檢查每一個測量實例。當找到用戶定義的條件時,示波器將發生的事件與觸發點對齊。

在本例中,觸發條件為10ns的正脈衝寬度。如果採集的波形具有該寬度的脈衝,則示波器將觸發點與該脈衝的末端對齊。

軟體輔助觸發器

軟體輔助觸發器用於查找離硬體觸發點最近的觸發電平交叉點,然後調整波形的時間偏移,使其與指定的觸發電平和斜率對齊。軟體觸發提供了可在其中搜索閾值交叉點的觸發點時間門控,透過它還可手動設置軟體觸發遲滯。

多級或條件觸發器

多級觸發涉及兩個或更多觸發源。事件的設置與基本觸發器(邊緣、寬度、模式等)完全相同,但是一個或多個觸發事件用於使示波器待命,並由最終觸發源完成觸發。

最早的多通道觸發器是限定條件的觸發器,它使用兩個事件。這種觸發器在事件A發生時讓示波器待命,在事件B到來時觸發源實施觸發,在正常觸發模式下,它會在事件B之後自動復位。事件A可以是邊緣、狀態、邏輯模式或模式狀態(在使用者定義的事件數或時間內持續的模式);事件B的選項取決於事件A的類型,如果事件A是數位模式或模式狀態,則事件B只能是邊緣。

在對匯流排上的IC進行故障排除時,限定條件的觸發非常有用。只有在開啟後,才能查看IC上的訊號,透過晶片選擇使觸發器待命,然後由所需的匯流排訊號觸發。

級聯觸發是基於多個事件的更複雜的觸發,它在單個最初(「A」)事件或連續多個事件(最多三個)發生時使觸發器待命,然後在指定條件下觸發示波器。它為每一組事件提供了觸發隔離和復位功能,以進一步確認觸發事件滿足觸發條件,圖6是合成的螢幕影像,顯示了一個典型的級聯觸發器,以及每個級的設置。

20180628TA01P6 圖6 顯示三級級聯觸發器設置的合成螢幕影像。C2經歷一個高於0.5V的正邊緣後,示波器就位待命,在C1的正邊緣穿越0V、上升時間大於325ps時,將發生觸發。

參考圖6,示波器觸發將在通道2上的正邊緣超過0.5V(事件A)時就位,在200ns的隔離之後,是通道1上超過0V(事件B)的正邊緣。滿足了這兩個就位條件,示波器在上升時間超過325ps時就會觸發(事件C)。

圖6中,參數P1測量在整個捕獲視窗完成多次採集的上升時間。P2門控上升時間的測量以便僅顯示與觸發點相關的值,P2的值是觸發發生時的上升時間。所有上升時間的範圍通常是300ps~344ps,對應於觸發的上升時間測量值為326ps。級聯觸發可將測量、邏輯模式或智慧觸發作為觸發資格鏈中的事件,這是個非常靈活的觸發工具。

觸發頻寬

示波器的訊號路徑和觸發路徑通常不同,從而使邊緣觸發頻寬(通常較低)不同於訊號路徑頻寬。智慧觸發頻寬通常遠低於邊緣觸發頻寬,製造商的資料表顯示了兩種觸發模式的觸發頻寬。

結論

現代DSO提供了多種觸發器類型和功能,包括簡單的邊緣觸發器、複雜的智慧觸發器和增強觸發器。瞭解這些觸發器的特性和應用可確保第一次就捕獲到所需的訊號,加快了測量結果的獲取,提高了測試輸送量。

(參考原文:Trigger an oscilloscope, get a stable display,by Arthur Pini)