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示波器的数字触发技术

计算机科学 395℃ 0 2年前 (2015-09-20)

作者:Guido Schulze, Markus Freidhof,罗德与施瓦茨公司

触发功能是示波器的关键性能,它使示波器能够隔离特定信号事件以便进行详细分析,并能实现重复波形的稳定显示。

自上世纪 40 年代诞生以来,示波器触发功能不断得到增强。R&S RTO/RTE系列数字示波器的全数字触发功能树立了创新的里程碑,它在测量精度、波形捕获密度和功能性方面为示波器用户带来显著优势。

本文为您介绍了传统触发系统的工作原理,并阐释了 R&S RTO/RTE 示波器实时数字触发的优点。

1 传统触发系统原理

1.1示波器触发功能的作用

示波器的触发系统基本上有两个主要应用:

  1. 确保稳定显示

    作为电气和电子信号测量调试工具的示波器,触发功能的发明是一项突破。触发功能能够稳定地显示重复的周期性信号。

  2. 隔离感兴趣的事件

    触发可以对特定波形事件做出反应,这有利于隔离和显示特定信号特征,诸如未达到脉冲高度的逻辑电平(“矮脉冲”),由串扰引起的信号干扰(例如“毛刺”),低边缘触发(“上升沿时间”)或通道间的无效定时(“Data2Clk”)。触发功能的种类和触发设置灵活性多年来一直在加强。

触发系统的精度以及灵活性,决定了示波器是否能够准确地显示和分析测量信号。

1.2 传统触发系统应用

如今,大多数示波器为数字示波器,这意味着被测信号被采样,并且作为连续的一组数字值被保存。然而,负责检测信号电平的触发器仍然使用模拟电路来处理原始被测信号。图 1 显示简化的数字示波器方框图。


图 1:采用模拟触发单元的数字示波器的简化方框图

输入放大器用于调节被测信号,以便将被测信号的幅度调整到 A/D 转换器的工作范围,并适合示波器显示。调节后的信号经放大器输出,并行传递到 A/D 转换器和触发系统。A/D 转换器在一条路径上对测量信号进行采样和量化,数字化的样本值被写入采集存储器。触发系统在另一条路径上将该信号与有效触发条件(例如,采用“边沿”触发的触发电平)进行比较。

当有效触发条件满足时,开始记录 A/D 转换器样本,采集的波形被进一步处理和显示。图 2 举例显示采集样点和显示的波形。A/D 转换的数字化样本点在图中以圆圈标注。本例中使用具有正斜率的触发事件“边沿”。被测信号跨越触发电平产生有效触发事件。


图 2:具有 A/D 转换器样本点和触发点的测量信号举例

1.3 模拟触发器的缺点

为了在示波器网格上精确显示信号,需要对触发点进行精确定时。如果触发时间测定不准确,显示的波形就不能与图中的触发点交叉(触发电平和触发位置的交叉点)。相关案例参阅图 3。


图 3:显示的波形和实际触发位置不符的例子

下述原因会引起触发位置失准:

  1. 对触发边沿的测量不准确

    在触发系统中,被测信号经比较器与触发门限进行比较,需要非常精确地测量比较器输出的边沿定时。为此,需要应用时间数字转换器 (Time-to-Digital-Converter,TDC)。TDC 不准确会导致个别显示波形相对触发点偏移。TDC 误差的随机分量会导致在每个触发事件上改变这个偏移量,从而导致触发抖动。

  2. 被测信号两条路径中的系统误差源

    处理被测信号经过两条不同路径—使用 A/D 转换器的采集路径和触发电路路径(参阅图 1)。两条路径包括不同的线性和非线性失真,这些失真引起显示的信号和确定的触发点之间的系统性偏差。最糟糕情况是,触发电路或许不响应有效触发电平(尽管这些触发电平可以在显示器上看到),或者触发电路对触发事件做出响应,而这些触发事件事实上不能被采集路径捕获和显示。

  3. 两条信号路径中的信号噪声源

    经过A/D 转换器和经过模拟触发系统的两条路径上包括具有不同噪声源的多个放大器。这也将导致在示波器屏幕上作为触发位置偏移(触发抖动)出现的延迟和幅度变异。触发抖动,作为叠加的信号轨迹的宽度和高度,显示在图 4 右图区域。图 4 的左图显示相对于理想触发点,表现为随机垂直和水平偏移的触发抖动。


图 4:在几个波形采集期间的触发抖动

下一节,我们将为您介绍数字方式实现的触发系统。数字触发由于不包含上面讨论的误差项,因此能够为示波器提供更精确的触发。

2 数字触发功能

2.1 数字触发概念

图 5 显示采用数字触发的数字示波器的简化方框图。

图 5:采用数字方式实现触发功能的数字示波器方框图

与模拟触发不同,数字触发系统直接针对A/D 转换器的样本工作,被测信号不会被分成两个不同的路径上,因此,数字触发处理的是和采集、显示相同的信号。在第 1-3 节讨论的模拟触发系统误差已在原理上消除。

数字触发技术使用数字信号处理方法进行触发点测定,以精确的算法检测有效触发事件并精确测量时间戳。

数字触发技术面临的挑战是对测量信号无缝监测的实时信号处理能力。R&S数字触发器基于 10 GS/s 的 A/D 转换器工作,因此必须处理 80Gbit/s 数据(8 位 A/D 转换器)。

由于数字触发技术使用与采集单元相同的数字化数据,因此要切记其只对模数转换器范围内的信号触发。

2.2 采用数字触发技术检测触发事件

对于选定的触发事件,首先,比较器将测量信号与规定的触发门限进行对比。在最简单的“边沿”触发时,当信号在要求的方向上(下降或上升)跨越触发门限时,触发事件被检测到。

在数字系统中,信号由样本表示。采样理论规定采样率至少是最大信号频率的两倍。只有在这样的条件下信号才有可能被完整重建。

从图 2 和图 3 可以看到,仅观察 A/D 转换器样本并不足以看到所有信号细节。这种情况同样适用于数字触发器:纯粹根据 A/D 转换器样本的触发决策是不充分的,因为跨越触发门限有可能被漏掉。因此,通过使用内插算法上调采样信号采样率到 20Gs/s,可以增加定时分辨率(参阅图 6)。在内插器后面,比较器将样本值与规定的触发门限进行比对。如果检测到触发电平,比较器即改变输出电平。


图 6:在数字触发系统中通过“up-sampling”方法增加采样率

图 7 通过采用up sampling方法将采样分辨率提高1倍,信号中的“盲”区缩小。左侧波形样本不含过冲。高于 A/D 转换器样本的触发门限无法检测过冲。右侧通过内插将波形采样率实现翻倍,便有可能实现过冲触发。


图 7:增加采样分辨率限制盲触发区域举例

此例中波形最大频率为 3.5GHz。该例表明 R&S的数字触发系统基于 10Gsample/s A/D 转换器速率也能够可靠检测出的更高频率分量信号。

2.3 用数字触发系统确定触发定时

在任意时间点有效重建测量信号的关键要求是满足采样定理(奈奎斯特准则)。R&S示波器使用多相滤波器,这些滤波器能够在任何定时点,以大于 90dB 的信噪比 (SNR) 计算出测量信号。使用精度为 250fs 的迭代方法,实时计算出测量信号和触发门限的交叉点。

某些诸如“毛刺”或“脉冲宽度”类触发事件以定时条件为基础,实时确定门限中的交叉点一样,支持对这类事件非常精确的触发。RTO能够以 1ps 分辨率建立触发事件定时,指定的最窄可检测脉冲宽度为 50ps。

3 R&S 数字触发技术的优点

3.1实时采集中的低触发抖动

在采集和触发过程中使用相同样本值,使 R&S 示波器的触发抖动小于 1ps rms(典型值,最小值可大达到500ps) 。图 8 显示了在触发点采用 2GHz 时钟信号(该信号上升时间为 400ps)测定触发抖动实例。

正如在第 2-1 节讨论的,R&S 示波器实时数字触发单元是在 A/D 转换器和采集存储器间的处理路径中实现的。不同于使用后处理方法实现的“软件增强”触发系统,在采集每个波形后,R&S 示波器实时数字触发单元不需要额外地处理信号,最小化盲区时间。RTO示波器首次将最低触发抖动和每秒1 百万次的波形捕获率在正常采集模式实现。

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图 8:采用 2GHz、峰峰值 500mV 正弦波信号测定的内在触发抖动

应用提示

R&S®RTO 示波器的 OCXO 选件可将时基精度提高到 ±0.02 ppm。这对于需要长存储采集,高触发偏移的采集,或罕见触发事件间的时间关系应用都是十分有效的。

3.2 优化触发灵敏度

对于触发灵敏度有两个相互矛盾的要求:对于噪声信号的稳定触发,要求触发系统在触发门限周围实现一定迟滞(参阅图 9)。另一方面,对于小振幅信号,较大的迟滞又会限制触发系统的灵敏度。

传统示波器的触发灵敏度一般限制到一个垂直刻度以上。此外,对于噪声信号的稳定触发,采用“噪声抑制”模式可以选择较大的迟滞。

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图 9:触发迟滞能够实现对噪声信号的稳定触发

R&S 的数字触发系统允许从 0 到 5 个格的特殊触发迟滞设置,以便根据图 10 中的相应信号特征优化触发灵敏度。

  • 采用“Auto”迟滞模式,R&S 的固件根据使用的垂直刻度自动确定相关迟滞。
  • “Manual”迟滞模式支持手动增大迟滞,以便对具有高噪声电平的信号进行稳定触发(参阅图 9)
  • 将迟滞设置为 0 可以为快速边沿信号提供最高的触发灵敏度。

提到触发灵敏度,我们就不得不提到 R&S 示波器的另一个优点:即使在最小的1mV/div垂直刻度下,低噪声前端也可以保证精确触发,且没有带宽限制。

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图 10:RTO 触发门限迟滞可以自由设定。最高灵敏度设置为 0。

3.3 最小可检测脉冲宽度

触发系统的另一个关键参数是最小可检测脉冲宽度。它与示波器能够检测到并产生触发的最窄脉冲相对应。R&S 示波器支持对脉冲、毛刺、间隔和小至50ps 的上升/下降时间进行稳定触发。

图 11 显示了对小于50ps的脉冲宽度进行稳定触发的例子。在这个例子中,用带有过冲的3.5V TTL电平的脉冲心慌演示 R&S®RTO 的触发灵敏度。这个特例的重要性在于,需要将触发迟滞设置为 0以获得最小。在图 11 中,可以看到所有采集的波形都满足脉冲宽度窄于 50ps 的触发条件。

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图 11:采用设置为窄于50ps 脉冲宽度触发

3.4 触发事件无遗漏

触发判决后,模拟触发电路需要一些时间,以便在触发电路能够再次触发前对其进行重新设置。在这个重新设置期间,示波器不能响应新的触发事件—即重新设置期间发生的触发事件被遗漏。

与之不同,R&S 示波器的数字触发系统能够用时间数字转换器 (Time-to-Digital-Converters, TDC) 在 400ps间隔内(参阅图 12),以 250fs 分辨率测定各个触发事件。这对于复杂触发条件的应用很重要,例如使用事件计数条件的触发释抑 (hold-off),或 A-B 触发序列,触发前需要若干 B 事件。

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图 12:数字触发系统能够在 400ps 间隔内,以250fs 分辨率检测触发事件

应用提示

采用最小 300ns 死区时间的超级分段 (ultra-segmented) 模式支持快速重复触发事件采集。

3.5 对触发信号进行灵活的滤波

R&S示波器中的采集和触发专用集成电路 (ASIC) 支持在实时路径中灵活设置数字低通滤波器截止频率。相同滤波器设置可用于触发信号或测量信号(参阅图 13)。仅仅以触发目的对触发信号的低通滤波仅抑制高频噪声,而与此同时捕获和显示未滤波的测量信号。

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图 13:对采集和触发信号进行灵活的滤波器设置

图 14 为相关应用举例。用户在此设置矮脉冲 (Runt) 触发来捕获低于 1 逻辑电平的数据脉冲。因为跨越矮脉冲电平窗口存在过冲,设置 Runt 触发门限是非常困难的。仅对触发信号应用低通滤波器不失为一条解决途径,这样我们就可以对原始的测量信号进行分析了。

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图 14:矮脉冲触发,通过对触发信号应用低通滤波抑制快速过冲

3.6 由触发单元辨别通道延迟

示波器输入通道间的定时关系(延迟时间)对于测量以及对于两个或多个信号间的触发条件设置是至关重要的。不同电缆长度、探头或探测点位置也会在通道间引起延迟。标准数字示波器提供信号延迟校准功能 (De-skew),以补偿在不同输入上的延迟。延迟校准一般在 A/D 转换器后的采集路径中处理,因此不能被标准模拟触发器看到。这会在屏幕中显示不一致的信号,从而导致触发系统测定的信号和显示的信号不一致。

采用 R&S数字示波器,采集单元和触发单元使用相同的经过数字化处理的数据(参阅图 15)。因此,即使使用通道延迟校准,显示器上所看到的波形和由触发单元处理过的信号也是一致的。使用数字延迟滤波器,可以以 1ps 步长设置延迟校准。

多个通道间设定触发条件的例子包括:对一条通道上(例如以“边沿”为)触发条件的触发和对其它通道上某种电平组合(“高”或“低”状态)的触发。

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图 15:为了实现对通道组合的适当触发,R&数字触发器可以使用通道延迟校准功能

3.7 带时间标签的历史查看功能

很多情况下我们不能准确找出误差的真正原因,而必须回头查看历史上采集的信号。R&S示波器可以访问之前采集的波形。不论目前使用的是何种测量功能,保存在存储器中的历史波形数据可以立即用于分析。此外,每个波形有单独的时间标签,可清晰确定触发事件的发生时间。依靠存储器选件,用户可以得到用于高效调试的大量数据。

历史查看工具控制波形回放,参阅图 15。时间标签可以是相对于系统时钟绝对时间或者是相对于上一次触发波形的相对时间。在后一种模式中时间标签的时间分辨率是 1ps。对于需要长期稳定时间基准的应用,可以选择恒温振荡器(硬件选件 R&S®RTO-B4)的高精度时基。

应用提示

在波形数据回放期间,所有处理和分析工具,诸如数学测试、测量函数、模板测试或直方图工具都可以使用。

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图 16:历史查看工具可访问采集存储器中所有波形

4 结论

本文对比传统模拟触发,讨论了数字触发技术的优点。数字触发技术可直接在 A/D 转换器样本上操作。这个架构为采集和触发数据提供一致的定时,提供更精确的测量结果。

R&S数字示波器的特点是实时数字触发。在提供非常高的波形捕获率和分析速率的同时,它产生的触发抖动非常低。

由于在整个带宽上的高触发灵敏度以及使用针对触发信号的可调数字滤波器,R&S数字触发技术能够实现更加精确的测量。

这些优点结合其它特点,如模拟前端的高动态范围 (ENOB)、高波形捕获率和分析速率以及直观的用户界面,使R&S示波器成为强有力的调试和分析工具。

来源:
http://www.wenyuanwang.com/MzA4OTMyNDkzMw_1200382358_151161ef44bc37a5aab0f4dd8f8d64df.html
http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3023356.HTM

来自为知笔记(Wiz)

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