示波器-數(shù)字觸發(fā)器-

1、 廣州致遠電子股份有限公司ZDS2000 數(shù)字觸發(fā)器 修訂歷史 目錄1. 觸發(fā)與觸發(fā)器 (11.1什么是觸發(fā) (11.2觸發(fā)的作用 (11.3示波器中的觸發(fā)器 (22. 模擬觸發(fā)器 (42.1模擬觸發(fā)器的結(jié)構(gòu) (42.2模擬觸發(fā)器的工作原理 (42.3模擬觸發(fā)器的缺點 (63. 數(shù)字觸發(fā)器 (83.1數(shù)字觸發(fā)器的結(jié)構(gòu) (83.2數(shù)字觸發(fā)器的工作原理 (83.3數(shù)字觸發(fā)器的優(yōu)勢 (94. 總結(jié) (11 1. 觸發(fā)與觸發(fā)器這一節(jié)中,我們將闡述觸發(fā)的定義,同時對示波器中的觸發(fā)器做初步的了解。1.1 什么是觸發(fā)觸發(fā)可以理解為是一個事件(或動作;比如拍照時按下快門的這一個動作,就是觸發(fā),它是啟動相機記錄

2、圖像的一個事件。常見的相機都有自拍功能,我們可以將相機設(shè)置成按下快門后倒計時10秒自動拍照,在這種模式中,我們認為“按下快門后倒計時10秒”就是觸發(fā)條件,當滿足該條件后相機就會啟動并記錄圖像。通過以上例子,我們知道觸發(fā)是指“滿足特定條件”的事件(或動作;對于相機來說觸發(fā)條件成立后將馬上記錄圖像;同理,觸發(fā)一詞適應(yīng)于其它任何場合。1.2 觸發(fā)的作用對于示波器來說,觸發(fā)條件成立后將開始記錄波形(采樣數(shù)據(jù),那它有什么作用呢?大家都知道示波器是用來觀察模擬信號的,信號一般都具有某些特征,如從低變?yōu)楦叩倪^程(上升沿或從高變?yōu)榈偷倪^程(下降沿。如果這時候我們將觸發(fā)條件設(shè)置為“上升沿”觸發(fā),那么示波器在遇到

3、信號從低變?yōu)楦叩倪^程時就會開始記錄波形,這樣示波器的每一次采樣都將從信號的上升沿開始,其顯示效果如圖 1.1所示。 圖1.1 上升沿觸發(fā)示意圖我們可以發(fā)現(xiàn),多次采樣的波形經(jīng)過疊加合成后能夠穩(wěn)定的顯示,因為每次開始采樣波形的特征都一樣。假如不設(shè)定觸發(fā)條件,讓它任意觸發(fā)(也就是隨時開始采樣,效果又會是怎樣的呢,如圖 1.2所示。 圖1.2 任意觸發(fā)示意圖通過對比發(fā)現(xiàn),當不設(shè)置具體的觸發(fā)條件時,由于每次采樣開始時波形的特征都不一樣,經(jīng)過合成顯示后,波形會顯得非常亂,不穩(wěn)定,根本沒辦法分析。所以我們可以得出結(jié)論,正確地設(shè)置觸發(fā)條件有利于波形的穩(wěn)定顯示。1.3 示波器中的觸發(fā)器觸發(fā)器就是判斷特定條件是否

4、成立的一種裝置,是觸發(fā)執(zhí)行的實體。在示波器中,觸發(fā)器是一個非常重要的組成部分,它是穩(wěn)定顯示波形的關(guān)鍵部件,觸發(fā)的穩(wěn)定程度直接影響了示波器的性能;那么數(shù)字存儲示波器中的觸發(fā)器必須具備哪些基本功能呢?首先,它必須具備識別信號特定特征(觸發(fā)條件的能力;其次,它必須在觸發(fā)條件成立時輸出控制信號,用于啟動示波器采樣存儲;最后,也是最重要的一點,它必須測量出啟動信號與存儲時基(數(shù)據(jù)存儲時的鎖存信號的時間差,以便于觸發(fā)位置的還原與對齊。這前面兩個條件比較好理解,如圖 1.3所示為數(shù)字示波器的采樣框架圖,可以看到信號輸入后分為兩個通路,一路經(jīng)過ADC抽樣量化后可供存儲記錄;另一路經(jīng)過觸發(fā)器可產(chǎn)生啟動信號控制采

5、樣存儲。 圖 1.3 數(shù)字存儲示波器的采樣框圖觸發(fā)器所要做的事情就是判斷信號特征與觸發(fā)條件是否一致,然后啟動采樣。信號最基 本的特征就是上升沿和下降沿,因此示波器中觸發(fā)器的基本功就是捕獲邊沿(觸發(fā)條件,最簡單的方法就是使用比較器,將模擬信號轉(zhuǎn)換為邏輯信號(方波,進而產(chǎn)生驅(qū)動信號(啟動采樣以達到目的。前面我們提到,觸發(fā)器還必須測量出啟動信號與存儲時基的時間差,這里來解釋一下。如圖 1.4所示,有4個波形分別代表圖 1.3中A、B、C、D各點的信號;圖中T A為被測信號期望的觸發(fā)位置,信號經(jīng)ADC抽樣離散量化后,觸發(fā)位置將會落在采樣點上(T D處;顯然,如若不采取糾正措施,觸發(fā)位置將會有偏差,影響

6、波形的正常觀察。 注:A、輸入信號;B、經(jīng)ADC量化后的波形信號;C、輸入信號經(jīng)比較器比較后輸出的觸發(fā)信號;D、時基信號,用來鎖存量化后的波形信號。圖 1.4 觸發(fā)點對齊不難發(fā)現(xiàn),觸發(fā)位置的偏差量t = T D - T A,其實就是觸發(fā)信號上升沿與下一個存儲時基上升沿的時間,觸發(fā)器只需要把這兩個信號的時間差測量出來,就有辦法將觸發(fā)位置還原對齊到期望的位置T A上。顯然t的測量越精確,觸發(fā)位置對齊就越精準,抖動也小了,此時波形顯示就更穩(wěn)定,示波器的性能就更好。測量信號的時間需要用到時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC,這個后面會進一步做介紹。數(shù)字示波器中觸發(fā)器大致分為兩類:模擬觸發(fā)器,主要由模擬電路組成;數(shù)字

7、觸發(fā)器,通常使用邏輯器件(FPGA、ASIC實現(xiàn)。在后續(xù)的章節(jié)中將會詳細介紹這兩種觸發(fā)器的工作原理,并重點闡明模擬觸發(fā)器的缺點和數(shù)字觸發(fā)器的優(yōu)勢。 2. 模擬觸發(fā)器這一節(jié)將簡單介紹模擬觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理,并分析數(shù)字存儲示波器中模擬觸發(fā)器存在的弊端。2.1 模擬觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖 2.1所示為模擬觸發(fā)器的系統(tǒng)框圖,結(jié)構(gòu)和圖 1.3差不多;輸入信號經(jīng)過調(diào)理后分成采樣通路和觸發(fā)通路兩個支路,兩條通路最終都輸出交由邏輯器件(FPGA/ASIC做進一步處理。觸發(fā)器最基本的組成單元包括比較器(CMP和時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC,如圖2.1右所示,其中比較器需要一個比較門限電平,通常使用DAC產(chǎn)生。因為觸發(fā)器

8、基本是由模擬電路組成,所以稱為模擬觸發(fā)器。 圖 2.1 模擬觸發(fā)器系統(tǒng)框圖2.2 模擬觸發(fā)器的工作原理這里用最簡單的上升沿觸發(fā)來講述觸發(fā)器的工作過程;模擬觸發(fā)器工作分兩步,首先通過比較器將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為邏輯信號判斷是否為上升沿,并輸出觸發(fā)信號啟動采樣存儲;然后通過時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器測量出觸發(fā)信號與存儲時基的時間差。這里兩個關(guān)鍵的單元是比較器和時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。在示波器中,有一個名詞叫觸發(fā)電平,指的就是觸發(fā)器中比較器的參考門限電平,用做比較基準,當輸入信號幅值超過該參考電平時比較器輸出邏輯高電平(上升沿,當輸入信號幅值比參考電平低時比較器輸出邏輯低電平(下降沿,結(jié)構(gòu)如圖 2.1 CMP單元所示,

9、比較器的輸入輸出信號關(guān)系如圖 2.2所示。 注:VIN 為輸入信號;VREF為比較參考電平,VCMP為輸出比較信號。圖 2.2 比較器輸入輸出信號 在實際應(yīng)用中,通常會使用遲滯比較器(施密特比較器,可以減少噪聲引發(fā)的誤觸發(fā),如圖 2.3所示。 圖 2.3 遲滯比較器遲滯電壓的大小(V H-H L,也稱為觸發(fā)靈敏度,可通過改變比較器反饋電阻阻值來實現(xiàn),通常是固定不變的。時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(time-to-digital converter簡稱TDC用于測量信號間的時間間隔,測量精度通常達到皮秒級。在數(shù)字存儲示波器中用于測量觸發(fā)信號與存儲時基的間隔,以便還原對齊觸發(fā)位置。時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法有很多

10、,在模擬觸發(fā)器中常用時間內(nèi)插模擬擴展技術(shù),將短脈沖進行放大后再測量。將短時間T展寬的辦法是:首先在T內(nèi)對一個電容以恒定電流充電;然后以比充電電流慢N倍的速度放電,則電容放電到起始狀態(tài)下的時間是T的N倍,然后再用慢速時鐘對其進行測量計數(shù)得到T×N。 圖 2.4 時間內(nèi)插模擬擴展電路典型的時間內(nèi)插擴展電路原理圖如圖 2.4所示,圖中主要由一對高速電流開關(guān)Q1和Q2組成,恒流源I1=29.8mA,I2=51uA(即擴展578倍。參考圖2.5的時間內(nèi)插擴展時序圖我們可以做個簡單的分析。 圖 2.5 時間內(nèi)插擴展時序圖在t1時間內(nèi),Q1與Q2均導通,電流源I1直接通過Q2到地,電容C1不能充電

11、,電壓較低。在t2時間內(nèi),Q1導通,Q2截止, 電流源I1向電容C1充電,電流源I2放電,由于I1是I2的數(shù)百倍,這時可忽略I2的影響。于是電容C1兩端電壓升高,當大于比較器參考比較電壓時,比較器輸出高電平。在t3時間內(nèi),Q1與Q2均截止,電流源I2向電容放電,由于這時的放電電流為剛才充電電流的數(shù)百分之一,所以放電速度相當緩慢。當電容電壓低于比較電壓時,比較器輸出低電平。在t4時間內(nèi),Q1截止,Q2導通, Q2將電容兩端電壓迅速拉低,回復(fù)到初始狀態(tài),又準備下一個循環(huán)。由上述電路分析可知,由于放電電流為充電電流的數(shù)百分之一,可知其放電時間約為其充電電壓的數(shù)百倍,即相當于將微小的時間間隔放大了數(shù)百

12、倍。得到展寬后的信號后,只需要用較低速的時鐘進行計數(shù)測量即可,測量結(jié)果再除以放大倍數(shù)就是所求的短脈沖時間間隔。當然除了測量電流放電時間的方法之外,還有直接測量電壓的方法,不過需要用到高精度ADC。2.3 模擬觸發(fā)器的缺點通過分析,我們可以總結(jié)出模擬觸發(fā)器的一些不足之外,包括以下幾個方面:觸發(fā)抖動觸發(fā)靈敏度觸發(fā)間隙有以下幾個因素會影響到觸發(fā)器的穩(wěn)定性。1. 比較器輸出抖動比較器的參考門限電平(V REF通常使用DAC反量化輸出,其過程受DAC精度、比較器響應(yīng)速度、系統(tǒng)噪聲、環(huán)境溫度影響容易產(chǎn)生漂移(v,這些因素將會導致比較器輸出產(chǎn)生抖動(t1,如圖2.6右所示。當然,如果硬件電路控制得好,通常影

13、響會比較小,甚至可以忽略。 圖2.6 比較器輸出抖動2. 采樣與觸發(fā)通路間延時抖動在模擬觸發(fā)器中,信號的采樣和觸發(fā)是兩個不同的物理通路,在設(shè)計時,我們認為兩個通道間的延時為零(或是一個固定的值,可以修正;但實際上,“采樣通路”和“觸發(fā)通路”兩條不同路徑受系統(tǒng)線性、非線性等因素(器件、PCB板材、噪聲及環(huán)境溫度變化等干擾,會導致信號傳輸有延時差(dly,產(chǎn)生觸發(fā)抖動(t2,如圖 2.7所示。 圖 2.7 采樣通路與觸發(fā)通路延時抖動3. TDC的測量精度TDC的測量精度和實現(xiàn)方法與器件參數(shù)一致性有關(guān),這是觸發(fā)器的核心單元,由模擬器件組成,通常比較難控制,所以TDC的測量誤差也是影響觸發(fā)抖動的關(guān)鍵因

14、素。前面我們分析比較器的時候有提到觸發(fā)靈敏度,需要通過更改比較器的反饋電阻來調(diào)節(jié),在實際的應(yīng)用中,通常調(diào)節(jié)好是固定的一個或兩個值,不可能允許用戶動態(tài)調(diào)整,因此不能很好地適應(yīng)各種復(fù)雜的測試環(huán)境。在分析模擬TDC的工作原理時,我們發(fā)現(xiàn)觸發(fā)后系統(tǒng)(電容需要一個時間恢復(fù)到初始狀態(tài),這個時間通常和展擴后的脈沖相當略長。這在數(shù)字存儲示波器中是致命的,因為它會影響延長兩次觸發(fā)之間(增加死區(qū)時間的間隙,這將嚴重影響波形刷新率,降低示波器的性能。廣州致遠電子股份有限公司 數(shù)字觸發(fā)器的優(yōu)勢 ZDS2000 3. 數(shù)字觸發(fā)器 數(shù)字觸發(fā)器，顧名思義，使用邏輯器件全數(shù)字化處理，這一節(jié)將介紹它的工作原理及優(yōu) 點。 3.1

15、 數(shù)字觸發(fā)器的結(jié)構(gòu) 如圖 3.1 所示為數(shù)字觸發(fā)器的系統(tǒng)框圖，我們發(fā)現(xiàn)觸發(fā)器的輸入信號來源于 ADC 抽樣 量化后的數(shù)據(jù)，是數(shù)字信號；觸發(fā)器中的比較器和 TDC 也全部在邏輯器件中處理。 圖 3.1 數(shù)字觸發(fā)器系統(tǒng)框圖 與模擬觸發(fā)器相比， 數(shù)字觸發(fā)器有什么優(yōu)勢呢？首先它不在存兩條不同的物理通路， 采 樣通路和觸發(fā)通路都是數(shù)字量，不受系統(tǒng)因素影響，不存在通路遲延差問題；其次，比較器 是數(shù)字的也不存在外在干擾；最后，數(shù)字 TDC 響應(yīng)速度快，能大大減少示波器的死區(qū)時間， 提高波形刷新率。 3.2 數(shù)字觸發(fā)器的工作原理 數(shù)字觸發(fā)器的工作原理和模擬觸發(fā)器是一樣的， 只不過處理方法不同， 這里主要介紹數(shù) 字 TDC 的測量方法，其它的請參照模擬觸發(fā)器的工作原理。 由于信號經(jīng)過 ADC 抽樣量化，信號是離散的，而觸發(fā)分辯率通常要求要比 ADC 采樣 率高得多，因此不能像模擬觸發(fā)器一樣直接對數(shù)據(jù)進行比較。為了解決這個問題，需要使用 內(nèi)插算法對采樣數(shù)據(jù)進行插值，如圖 3.2 所示，插值后的數(shù)據(jù)其等效采樣率會高出很多，可 以直接與觸發(fā)門限電平的數(shù)字量進行比較，判斷信號的特征（如上升沿） ，因為使用的是數(shù) 字插值技術(shù)， 因此實際觸發(fā)點 TA 與采樣存儲觸發(fā)點 TD 的時間間隔是很容易計算出來的， 而 且速度非?？?。 圖 3.2 數(shù)字觸發(fā)器觸發(fā)內(nèi)插示意圖 工程