公司新闻当前位置:首页 > 公司新闻

如何设计一款专业级示波器触发电路?

示波器触发电路可以作为精密同步器(synchronizer)而用于其他电路设计,无论是模拟还是数字示波器触发,都有各种自动触发机制来增强。本文是对示波器触发电路及其设计方案的概述,介绍了触发产生器的基础知识以及一些增强功能。

示波器触发系统在前面板上对应两个基本控制装置:触发位准旋钮(trigger level)和触发斜率选择开关(slope);如图1 (文章上方大图)所示,可以将其实现设想为最简单的比较器和斜率选择器的形式。

当来自触发源的电压波形──可能是来自垂直放大器的内部触发讯号、外部BNC连接器或50/60Hz电源线──超过由触发位准(TRIGGERLEVEL)旋钮设置的电压位准时,比较器输出一个边缘(edge)。然后,互斥或门(XOR gate)将比较器边缘反转或者不反转,有效地选择哪种斜率的边缘是作为触发事件的有效(正向)缘。

上述方案通常不实用,因为它无法选择用有效触发缘序列中的哪一个来启动示波器扫描,或者在数字储存示波器(DSO)中,是启动波形数字化和储存。在模拟示波器中,上一次扫描必须完成,而且回扫到屏幕左侧的起始位置并稳定下来,才能重新启动下一次扫描。在此期间,触发迟滞(holdoff)定时使扫描停止运作;该触发迟滞是以D型正反器(D flop)来实现的,触发电路就变成了图2的样子,正反器还消除了由于慢速输入产生的比较器输出反弹。

如何设计一款专业级示波器触发电路?
图2:触发延滞以D型正反器来实现。

透过在重设(reset,R)输入端施加迟滞讯号,D触发器Q端的触发输出保持低位准。在迟滞生效时,触发输出为低;当解除迟滞时,来自XOR闸的下一次触发会使Q端变高,从而为模拟示波器产生扫描选通(sweep gating)功能。
将触发器添加到上述触发产生器似乎就足够了,但需要进一步改善;如果在有新触发对正反器施加频率输入时,解除了迟滞怎么办?如果设置时间不足,则可能产生竞争情况,导致输出Q转换延迟一段不确定的时间。Q端在经历一定延迟之后才变高,而使扫描启动滞后,并由于扫描启动相对触发事件延迟了,因此会在屏幕上引起触发抖动,或者也可能产生噪声脉冲(glitch)或「矮波」(runt)脉冲。为避免这种情况发生,需要在延迟一段时间后再触发另一个正反器,如图3的触发电路所示。

如何设计一款专业级示波器触发电路?
图3:为避免产生竞争情况,需要延迟触发另一个正反器。

延迟线使第二个正反器的触发稍晚于第一个,而使第一个正反器的输出能够在第二个接收到频率讯号之前稳定至有效的逻辑位准。延迟时间的选择要合适,从而使第二个正反器D的输入处出现不确定位准的时间,相对输入触发而言可忽略不计。上述方案是一种基本的实际触发电路。实际上,在一些特定实作的大部分触发示波器中都是采用这种方案,也就是示波器前面板上第三个触发控制开关──模式控制(mode control)──所指的正常(normal)触发模式。

触发模式
模式(mode)是指电子系统中一种特定的结构化配置;模式由机电或电子开关选择。一些示波器将自动触发模式添加到基本触发方案中——自动触发模式是触发系统触发自身的模式,为什么我们希望这种情况发生?在正常模式下,如果没有输入波形,示波器显示屏幕上不会出现任何轨迹线,什么都看不到,因此我们不会知道垂直位置控制旋钮所设置的轨迹位置,也不会知道哪里是0V或接地。而在模拟示波器上,轨迹线甚至即使在运作中也可能不出现在屏幕上。因此需要一些强制触发的手段。

使用自动触发模式即可解决以上问题。自动电路输入该输出触发讯号,以超过50Hz波形周期的定时时间启动MMV (单次触发)。其原因在于,线路传输频率(line frequency)是我们想要在不受自动触发干扰的情况下触发的最低频率。

MMV是可重触发的,并且直到逾时持续时间没有新的触发产生,不会改变输出状态。当定时时间到了,它会产生一个自动触发讯号,强制扫描运作;由于没有实际的触发输入,自动触发以略低于线路传输频率的速率进行扫描。然后在触发源进入时,自动MMV会再次关闭并消失。

比自动触发模式更便利的进阶模式为峰对峰值自动触发模式(peak-to-peak auto),这种模式将焦点转向触发位准控制。对于给定的波形,由于在触发位准范围的两端不会发生触发,因此触发位准范围超过波形电压范围的部分会被浪费,为了使整个控制范围变得有用,可采用正负峰值检测器(positive and negative peak detector)撷取波形的最大和最小电压,并将其输出到触发位准电位器(pot)的两端,如图4所示。

如何设计一款专业级示波器触发电路?
图4:正负峰值检测器获取波形的最大和最小电压,并将其输出到触发位准电位器的两端。

电位器不会设置到触发源波形范围以外,Tektronix 7000系列示波器配备了这种触发模式。该方案的一个缺点是,峰值检测器必须在示波器的全带宽下工作。在高频处,检测器的反应速度不足以输出精确的峰值,因此触发范围会变得小于触发源波形的峰对峰值范围。
设置触发位准的另一种方法是在其控制范围内自动扫描触发位准电压,直到其遇到源波形,就产生一次触发;这种自动位准方案不需要电路具有超出现有触发产生器的全带宽;我是在1970年代末期发明这种方法,其实现原理如图5所示。

如何设计一款专业级示波器触发电路?
图5:自动位准方案的实现原理图。

将DAC输出与前面板触发位准旋钮设置值求和,当有触发产生时,扫描就停止。该方案的缺点是,尽管斜率仍然可选,但触发产生的位准是随机的。每当发生扫描触发时,触发输入(TRIG IN)就会触发MMV,并导致频率被闸控关闭。因此,计频器(counter)数字保持在由DAC产生的触发位准,再与触发位准设置值相加,就成为自动触发位准。

如果在MV逾时之后没有触发产生,就会启动闸控;计频器开始计算并搜寻触发位准。如此一来,每次扫描就会超过触发位准一次,从而引起扫描的自动触发。因此,自动位准触发是自动触发的进阶版,它还在讯号触发范围内提供了自动位准设置。表1比较了自动位准模式与峰对峰值自动模式的各自优点。

如何设计一款专业级示波器触发电路?
表1:自动位准模式与峰对峰值自动模式的优点比较。

除了触发发生在随机位准以外,自动位准模式的另一个主要缺点是触发范围问题。对于n个屏幕的触发位准范围,自动位准范围必须有n+1个屏幕才能触发屏幕上讯号,而且触发位准旋钮是任意设置的。例如如图6所示,对于2个屏幕的范围,自动位准范围是3个屏幕。当自动位准模式生效时,对于触发位准位于一端的情况,自动位准会将触发范围额外扩展1.5个屏幕。

如何设计一款专业级示波器触发电路?
图6:对于两个屏幕的范围,自动位准范围是3个屏幕。

对于大讯号,自动位准有可能在其范围内的任何点触发。因此,自动位准DAC输出会将触发位准旋钮设置值偏置±(n + 1)/2个屏幕。对于n=2,就是±1.5个屏幕。该旋钮的范围为±n/2个屏幕或±1个屏幕。DAC输出为+1.5个屏幕时,触发位准旋钮只能扩展到1.5 - 1 = 0.5个屏幕,即屏幕的顶部。

基于微控制器的自动位准
自动位准方案可以使用微控制器(μC,即MCU)改善并加入到现有的示波器,而无需连接到高频电路。微控制器需要触发输入位线(bit-line)、DAC输出,以及读取触发位准电压用ADC输入,而使微控制器能直接设置触发位准而无偏置。由于扫描范围始终可以通过旋钮设置进行偏移,因此其解决了触发范围问题。
至于随机触发点,微控制器可采用二元搜寻(binary chop,即逐次逼近法)——而不是扫描三角波触发位准——最快地确定源波形范围,然后将触发值设置在中点,让前面板旋钮跨越这一范围,如此往复。对于n位分辨率的触发位准旋钮,设置位准需要进行n次逐次逼近触发采样。

因此,尽管可以用另一个触发模式开关位置将最初的自动位准方案保留,但这消除了自动位准模式超越峰对峰值自动模式的近实时自动触发优势──尽管在大约40Hz的自动模式扫描速率下,只要花200ms就可完成8或9次扫描(小于人类的反应时间),但在低扫描速率下,这可能仍需要花费恼人的长时间才能完成。
这种自动位准的特定实现在某种程度上取决于示波器的具体细节,但由于电路数量(包括微控制器版本的程序代码)小,本文的介绍应该足以让你掌握正确的方向,自己动手改善测试设备,不逊于专业的示波器触发系统设计者。
用手机扫描二维码关闭
二维码