示波器-數(shù)字觸發(fā)器-

1、 廣州致遠(yuǎn)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(diǎn) (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(shì) (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(shí)對(duì)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(gè)事件(或動(dòng)作;比如拍照時(shí)按下快門的這一個(gè)動(dòng)作,就是觸發(fā),它是啟動(dòng)相機(jī)記錄

2、圖像的一個(gè)事件。常見的相機(jī)都有自拍功能,我們可以將相機(jī)設(shè)置成按下快門后倒計(jì)時(shí)10秒自動(dòng)拍照,在這種模式中,我們認(rèn)為“按下快門后倒計(jì)時(shí)10秒”就是觸發(fā)條件,當(dāng)滿足該條件后相機(jī)就會(huì)啟動(dòng)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(dòng)作;對(duì)于相機(jī)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(chǎng)合。1.2 觸發(fā)的作用對(duì)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(hào)的,信號(hào)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(shí)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(hào)從低變?yōu)楦叩倪^程時(shí)就會(huì)開始記錄波形,這樣示波器的每一次采樣都將從信號(hào)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?yàn)槊看伍_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(shí)開始采樣,效果又會(huì)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(duì)比發(fā)現(xiàn),當(dāng)不設(shè)置具體的觸發(fā)條件時(shí),由于每次采樣開始時(shí)波形的特征都不一樣,經(jīng)過合成顯示后,波形會(huì)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(shí)體。在示波器中,觸發(fā)器是一個(gè)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(chǔ)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(shí)別信號(hào)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(shí)輸出控制信號(hào),用于啟動(dòng)示波器采樣存儲(chǔ);最后,也是最重要的一點(diǎn),它必須測(cè)量出啟動(dòng)信號(hào)與存儲(chǔ)時(shí)基(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的鎖存信號(hào)的時(shí)間差,以便于觸發(fā)位置的還原與對(duì)齊。這前面兩個(gè)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(hào)輸入后分為兩個(gè)通路,一路經(jīng)過ADC抽樣量化后可供存儲(chǔ)記錄;另一路經(jīng)過觸發(fā)器可產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)控制采

5、樣存儲(chǔ)。 圖 1.3 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的采樣框圖觸發(fā)器所要做的事情就是判斷信號(hào)特征與觸發(fā)條件是否一致,然后啟動(dòng)采樣。信號(hào)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(jiǎn)單的方法就是使用比較器,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)(方波,進(jìn)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)(啟動(dòng)采樣以達(dá)到目的。前面我們提到,觸發(fā)器還必須測(cè)量出啟動(dòng)信號(hào)與存儲(chǔ)時(shí)基的時(shí)間差,這里來解釋一下。如圖 1.4所示,有4個(gè)波形分別代表圖 1.3中A、B、C、D各點(diǎn)的信號(hào);圖中T A為被測(cè)信號(hào)期望的觸發(fā)位置,信號(hào)經(jīng)ADC抽樣離散量化后,觸發(fā)位置將會(huì)落在采樣點(diǎn)上(T D處;顯然,如若不采取糾正措施,觸發(fā)位置將會(huì)有偏差,影響

6、波形的正常觀察。 注:A、輸入信號(hào);B、經(jīng)ADC量化后的波形信號(hào);C、輸入信號(hào)經(jīng)比較器比較后輸出的觸發(fā)信號(hào);D、時(shí)基信號(hào),用來鎖存量化后的波形信號(hào)。圖 1.4 觸發(fā)點(diǎn)對(duì)齊不難發(fā)現(xiàn),觸發(fā)位置的偏差量t = T D - T A,其實(shí)就是觸發(fā)信號(hào)上升沿與下一個(gè)存儲(chǔ)時(shí)基上升沿的時(shí)間,觸發(fā)器只需要把這兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差測(cè)量出來,就有辦法將觸發(fā)位置還原對(duì)齊到期望的位置T A上。顯然t的測(cè)量越精確,觸發(fā)位置對(duì)齊就越精準(zhǔn),抖動(dòng)也小了,此時(shí)波形顯示就更穩(wěn)定,示波器的性能就更好。測(cè)量信號(hào)的時(shí)間需要用到時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC,這個(gè)后面會(huì)進(jìn)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(shí)現(xiàn)。在后續(xù)的章節(jié)中將會(huì)詳細(xì)介紹這兩種觸發(fā)器的工作原理,并重點(diǎn)闡明模擬觸發(fā)器的缺點(diǎn)和數(shù)字觸發(fā)器的優(yōu)勢(shì)。 2. 模擬觸發(fā)器這一節(jié)將簡(jiǎn)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(chǔ)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(hào)經(jīng)過調(diào)理后分成采樣通路和觸發(fā)通路兩個(gè)支路,兩條通路最終都輸出交由邏輯器件(FPGA/ASIC做進(jìn)一步處理。觸發(fā)器最基本的組成單元包括比較器(CMP和時(shí)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(gè)比較門限電平,通常使用DAC產(chǎn)生。因?yàn)橛|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(jiǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)判斷是否為上升沿,并輸出觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)采樣存儲(chǔ);然后通過時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器測(cè)量出觸發(fā)信號(hào)與存儲(chǔ)時(shí)基的時(shí)間差。這里兩個(gè)關(guān)鍵的單元是比較器和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。在示波器中,有一個(gè)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(zhǔn),當(dāng)輸入信號(hào)幅值超過該參考電平時(shí)比較器輸出邏輯高電平(上升沿,當(dāng)輸入信號(hào)幅值比參考電平低時(shí)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(hào)關(guān)系如圖 2.2所示。 注:VIN 為輸入信號(hào);VREF為比較參考電平,VCMP為輸出比較信號(hào)。圖 2.2 比較器輸入輸出信號(hào) 在實(shí)際應(yīng)用中,通常會(huì)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(shí)現(xiàn),通常是固定不變的。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(time-to-digital converter簡(jiǎn)稱TDC用于測(cè)量信號(hào)間的時(shí)間間隔,測(cè)量精度通常達(dá)到皮秒級(jí)。在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中用于測(cè)量觸發(fā)信號(hào)與存儲(chǔ)時(shí)基的間隔,以便還原對(duì)齊觸發(fā)位置。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法有很多

10、,在模擬觸發(fā)器中常用時(shí)間內(nèi)插模擬擴(kuò)展技術(shù),將短脈沖進(jìn)行放大后再測(cè)量。將短時(shí)間T展寬的辦法是:首先在T內(nèi)對(duì)一個(gè)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(shí)間是T的N倍,然后再用慢速時(shí)鐘對(duì)其進(jìn)行測(cè)量計(jì)數(shù)得到T×N。 圖 2.4 時(shí)間內(nèi)插模擬擴(kuò)展電路典型的時(shí)間內(nèi)插擴(kuò)展電路原理圖如圖 2.4所示,圖中主要由一對(duì)高速電流開關(guān)Q1和Q2組成,恒流源I1=29.8mA,I2=51uA(即擴(kuò)展578倍。參考圖2.5的時(shí)間內(nèi)插擴(kuò)展時(shí)序圖我們可以做個(gè)簡(jiǎn)單的分析。 圖 2.5 時(shí)間內(nèi)插擴(kuò)展時(shí)序圖在t1時(shí)間內(nèi),Q1與Q2均導(dǎo)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(shí)間內(nèi),Q1導(dǎo)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(shí)可忽略I2的影響。于是電容C1兩端電壓升高,當(dāng)大于比較器參考比較電壓時(shí),比較器輸出高電平。在t3時(shí)間內(nèi),Q1與Q2均截止,電流源I2向電容放電,由于這時(shí)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(dāng)緩慢。當(dāng)電容電壓低于比較電壓時(shí),比較器輸出低電平。在t4時(shí)間內(nèi),Q1截止,Q2導(dǎo)通, Q2將電容兩端電壓迅速拉低,回復(fù)到初始狀態(tài),又準(zhǔn)備下一個(gè)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(shí)間約為其充電電壓的數(shù)百倍,即相當(dāng)于將微小的時(shí)間間隔放大了數(shù)百

12、倍。得到展寬后的信號(hào)后,只需要用較低速的時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量即可,測(cè)量結(jié)果再除以放大倍數(shù)就是所求的短脈沖時(shí)間間隔。當(dāng)然除了測(cè)量電流放電時(shí)間的方法之外,還有直接測(cè)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(diǎn)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(gè)方面:觸發(fā)抖動(dòng)觸發(fā)靈敏度觸發(fā)間隙有以下幾個(gè)因素會(huì)影響到觸發(fā)器的穩(wěn)定性。1. 比較器輸出抖動(dòng)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(huì)導(dǎo)致比較器輸出產(chǎn)生抖動(dòng)(t1,如圖2.6右所示。當(dāng)然,如果硬件電路控制得好,通常影

13、響會(huì)比較小,甚至可以忽略。 圖2.6 比較器輸出抖動(dòng)2. 采樣與觸發(fā)通路間延時(shí)抖動(dòng)在模擬觸發(fā)器中,信號(hào)的采樣和觸發(fā)是兩個(gè)不同的物理通路,在設(shè)計(jì)時(shí),我們認(rèn)為兩個(gè)通道間的延時(shí)為零(或是一個(gè)固定的值,可以修正;但實(shí)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(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸有延時(shí)差(dly,產(chǎn)生觸發(fā)抖動(dòng)(t2,如圖 2.7所示。 圖 2.7 采樣通路與觸發(fā)通路延時(shí)抖動(dòng)3. TDC的測(cè)量精度TDC的測(cè)量精度和實(shí)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(cè)量誤差也是影響觸發(fā)抖動(dòng)的關(guān)鍵因

14、素。前面我們分析比較器的時(shí)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(shí)際的應(yīng)用中,通常調(diào)節(jié)好是固定的一個(gè)或兩個(gè)值,不可能允許用戶動(dòng)態(tài)調(diào)整,因此不能很好地適應(yīng)各種復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境。在分析模擬TDC的工作原理時(shí),我們發(fā)現(xiàn)觸發(fā)后系統(tǒng)(電容需要一個(gè)時(shí)間恢復(fù)到初始狀態(tài),這個(gè)時(shí)間通常和展擴(kuò)后的脈沖相當(dāng)略長(zhǎng)。這在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中是致命的,因?yàn)樗鼤?huì)影響延長(zhǎng)兩次觸發(fā)之間(增加死區(qū)時(shí)間的間隙,這將嚴(yán)重影響波形刷新率,降低示波器的性能。廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司 數(shù)字觸發(fā)器的優(yōu)勢(shì) 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(diǎn)。 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(hào)來源于 ADC 抽樣 量化后的數(shù)據(jù)，是數(shù)字信號(hào)；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(shì)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(shí)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(cè)量方法，其它的請(qǐng)參照模擬觸發(fā)器的工作原理。 由于信號(hào)經(jīng)過 ADC 抽樣量化，信號(hào)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。為了解決這個(gè)問題，需要使用 內(nèi)插算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，如圖 3.2 所示，插值后的數(shù)據(jù)其等效采樣率會(huì)高出很多，可 以直接與觸發(fā)門限電平的數(shù)字量進(jìn)行比較，判斷信號(hào)的特征（如上升沿） ，因?yàn)槭褂玫氖菙?shù) 字插值技術(shù)， 因此實(shí)際觸發(fā)點(diǎn) TA 與采樣存儲(chǔ)觸發(fā)點(diǎn) TD 的時(shí)間間隔是很容易計(jì)算出來的， 而 且速度非常快。 圖 3.2 數(shù)字觸發(fā)器觸發(fā)內(nèi)插示意圖 工程