示波器觸發電路可以作為精密同步器(synchronizer)而用於其他電路設計,無論是類比還是數位示波器觸發,都有各種自動觸發機制來增強。本文是對示波器觸發電路及其設計方案的概述,介紹了觸發產生器的基礎知識以及一些增強功能。

示波器觸發系統在前面板上對應兩個基本控制裝置:觸發位準旋鈕(trigger level)和觸發斜率選擇開關(slope);如圖1 (文章上方大圖)所示,可以將其實現設想為最簡單的比較器和斜率選擇器的形式。

當來自觸發源的電壓波形──可能是來自垂直放大器的內部觸發訊號、外部BNC連接器或50/60Hz電源線──超過由觸發位準(TRIGGER LEVEL)旋鈕設置的電壓位準時,比較器輸出一個邊緣(edge)。然後,互斥或閘(XOR gate)將比較器邊緣反轉或者不反轉,有效地選擇哪種斜率的邊緣是作為觸發事件的有效(正向)緣。

上述方案通常不實用,因為它無法選擇用有效觸發緣序列中的哪一個來啟動示波器掃描,或者在數位儲存示波器(DSO)中,是啟動波形數位化和儲存。在類比示波器中,上一次掃描必須完成,而且回掃到螢幕左側的起始位置並穩定下來,才能重新開機下一次掃描。在此期間,觸發遲滯(holdoff)定時使掃描停止運作;該觸發遲滯是以D型正反器(D flop)來實現的,觸發電路就變成了圖2的樣子,正反器還消除了由於慢速輸入產生的比較器輸出反彈。

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圖2:觸發延滯以D型正反器來實現。

透過在重設(reset,R)輸入端施加遲滯訊號,D觸發器Q端的觸發輸出保持低位準。在遲滯生效時,觸發輸出為低;當解除遲滯時,來自XOR閘的下一次觸發會使Q端變高,從而為類比示波器產生掃描選通(sweep gating)功能。

將觸發器添加到上述觸發產生器似乎就足夠了,但需要進一步改善;如果在有新觸發對正反器施加時脈輸入時,解除了遲滯怎麼辦?如果設置時間不足,則可能產生競爭情況,導致輸出Q轉換延遲一段不確定的時間。Q端在經歷一定延遲之後才變高,而使掃描啟動滯後,並由於掃描啟動相對觸發事件延遲了,因此會在螢幕上引起觸發抖動,或者也可能產生雜訊脈衝(glitch)或「矮波」(runt)脈衝。為避免這種情況發生,需要在延遲一段時間後再觸發另一個正反器,如圖3的觸發電路所示。

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圖3:為避免產生競爭情況,需要延遲觸發另一個正反器。

延遲線使第二個正反器的觸發稍晚於第一個,而使第一個正反器的輸出能夠在第二個接收到時脈訊號之前穩定至有效的邏輯位準。延遲時間的選擇要合適,從而使第二個正反器D的輸入處出現不確定位準的時間,相對輸入觸發而言可忽略不計。上述方案是一種基本的實際觸發電路。實際上,在一些特定實作的大部分觸發示波器中都是採用這種方案,也就是示波器前面板上第三個觸發控制開關──模式控制(mode control)──所指的正常(normal)觸發模式。

觸發模式

模式(mode)是指電子系統中一種特定的結構化配置;模式由機電或電子開關選擇。一些示波器將自動觸發模式添加到基本觸發方案中——自動觸發模式是觸發系統觸發自身的模式,為什麼我們希望這種情況發生?在正常模式下,如果沒有輸入波形,示波器顯示螢幕上不會出現任何軌跡線,什麼都看不到,因此我們不會知道垂直位置控制旋鈕所設置的軌跡位置,也不會知道哪裡是0V或接地。而在類比示波器上,軌跡線甚至即使在運作中也可能不出現在螢幕上。因此需要一些強制觸發的手段。

使用自動觸發模式即可解決以上問題。自動電路輸入該輸出觸發訊號,以超過50Hz波形週期的定時時間啟動MMV (單次觸發)。其原因在於,線路傳輸頻率(line frequency)是我們想要在不受自動觸發干擾的情況下觸發的最低頻率。MMV是可重觸發的,並且直到逾時持續時間沒有新的觸發產生,不會改變輸出狀態。當定時時間到了,它會產生一個自動觸發訊號,強制掃描運作;由於沒有實際的觸發輸入,自動觸發以略低於線路傳輸頻率的速率進行掃描。然後在觸發源進入時,自動MMV會再次關閉並消失。

比自動觸發模式更便利的進階模式為峰對峰值自動觸發模式(peak-to-peak auto),這種模式將焦點轉向觸發位準控制。對於給定的波形,由於在觸發位準範圍的兩端不會發生觸發,因此觸發位準範圍超過波形電壓範圍的部分會被浪費,為了使整個控制範圍變得有用,可採用正負峰值檢測器(positive and negative peak detector)擷取波形的最大和最小電壓,並將其輸出到觸發位準電位器(pot)的兩端,如圖4所示。

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圖4:正負峰值檢測器獲取波形的最大和最小電壓,並將其輸出到觸發位準電位器的兩端。

電位器不會設置到觸發源波形範圍以外,Tektronix 7000系列示波器配備了這種觸發模式。該方案的一個缺點是,峰值檢測器必須在示波器的全頻寬下工作。在高頻處,檢測器的反應速度不足以輸出精確的峰值,因此觸發範圍會變得小於觸發源波形的峰對峰值範圍。

設置觸發位準的另一種方法是在其控制範圍內自動掃描觸發位準電壓,直到其遇到源波形,就產生一次觸發;這種自動位準方案不需要電路具有超出現有觸發產生器的全頻寬;我是在1970年代末期發明這種方法,其實現原理如圖5所示。

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圖5:自動位準方案的實現原理圖。

將DAC輸出與前面板觸發位準旋鈕設置值求和,當有觸發產生時,掃描就停止。該方案的缺點是,儘管斜率仍然可選,但觸發產生的位準是隨機的。每當發生掃描觸發時,觸發輸入(TRIG IN)就會觸發MMV,並導致時脈被閘控關閉。因此,計頻器(counter)數字保持在由DAC產生的觸發位準,再與觸發位準設置值相加,就成為自動觸發位準。

如果在MV逾時之後沒有觸發產生,就會啟動閘控;計頻器開始計算並搜尋觸發位準。如此一來,每次掃描就會超過觸發位準一次,從而引起掃描的自動觸發。因此,自動位準觸發是自動觸發的進階版,它還在訊號觸發範圍內提供了自動位準設置。表1比較了自動位準模式與峰對峰值自動模式的各自優點。

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表1:自動位準模式與峰對峰值自動模式的優點比較。

除了觸發發生在隨機位準以外,自動位準模式的另一個主要缺點是觸發範圍問題。對於n個螢幕的觸發位準範圍,自動位準範圍必須有n+1個螢幕才能觸發螢幕上訊號,而且觸發位準旋鈕是任意設置的。例如如圖6所示,對於2個螢幕的範圍,自動位準範圍是3個螢幕。當自動位準模式生效時,對於觸發位準位於一端的情況,自動位準會將觸發範圍額外擴展1.5個螢幕。

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圖6:對於兩個螢幕的範圍,自動位準範圍是3個螢幕。

對於大訊號,自動位準有可能在其範圍內的任何點觸發。因此,自動位準DAC輸出會將觸發位準旋鈕設置值偏置±(n + 1)/2個螢幕。對於n=2,就是±1.5個螢幕。該旋鈕的範圍為±n/2個螢幕或±1個螢幕。DAC輸出為+1.5個螢幕時,觸發位準旋鈕只能擴展到1.5 - 1 = 0.5個螢幕,即螢幕的頂部。

基於微控制器的自動位準

自動位準方案可以使用微控制器(μC,即MCU)改善並加入到現有的示波器,而無需連接到高頻電路。微控制器需要觸發輸入位元線(bit-line)、DAC輸出,以及讀取觸發位準電壓用ADC輸入,而使微控制器能直接設置觸發位準而無偏置。由於掃描範圍始終可以通過旋鈕設置進行偏移,因此其解決了觸發範圍問題。

至於隨機觸發點,微控制器可採用二元搜尋(binary chop,即逐次逼近法)——而不是掃描三角波觸發位準——最快地確定源波形範圍,然後將觸發值設置在中點,讓前面板旋鈕跨越這一範圍,如此往復。對於n位元解析度的觸發位準旋鈕,設置位準需要進行n次逐次逼近觸發採樣。

因此,儘管可以用另一個觸發模式開關位置將最初的自動位準方案保留,但這消除了自動位準模式超越峰對峰值自動模式的近即時自動觸發優勢──儘管在大約40Hz的自動模式掃描速率下,只要花200ms就可完成8或9次掃描(小於人類的反應時間),但在低掃描速率下,這可能仍需要花費惱人的長時間才能完成。

這種自動位準的特定實現在某種程度上取決於示波器的具體細節,但由於電路數量(包括微控制器版本的程式碼)小,本文的介紹應該足以讓你掌握正確的方向,自己動手改善測試設備,不遜於專業的示波器觸發系統設計者。

本文同步刊登於EDN電子技術設計2018年10月平面雜誌;責編:Judith Cheng

(本文原刊於EDN姊妹刊,ASPENCORE旗下Planet Analog網站,參考原文: Oscilloscope Trigger Generators: Precision Synchronizers ,by Dennis Feucht;作者為資深電子工程師)