示波器中的数字和模拟触发:有什么区别?

文章作者:乔尔·伍德沃德

以下是工程师在使用模拟和数字触发器时应该知道的内容,这些触发器用于确定示波器何时捕获信息。

示波器为调试、测试和确保电子系统符合开发人员的想象提供了关键的信号可视性。指定示波器捕获信息的时间可实现有效的调试和测试。示波器触发决定示波器何时捕获信息。触发的重要性与摄影师决定何时打开快门拍摄图像的重要性相同。

历史上,示波器都有模拟触发电路。输入信号被分割,一部分信号进入采集子系统,一部分信号进入触发电路。触发电路决定何时通知采集子系统采集信息。大约10年前,随着更复杂的CMOS芯片的出现,一些示波器开始集成业界第一个数字触发器。对于带有数字触发器的示波器,触发器和采集路径是相同的。采集数据被数字化,并与用户触发条件进行比较,以确定何时触发。

图1显示比较模拟和数字触发电路的框图。例如,可以看到,带数字触发器的示波器的优点是,触发器可以应用于信号处理任务,如去嵌入和滤波。这就给我们带来了一个问题:使用数字触发器和模拟触发器有什么不同,示波器用户应该知道什么。下面的文章将提供一些答案。

图1带有模拟触发电路的示波器将输入信号拆分,其中一部分信号将进入单独的触发电路。带数字触发器的示波器有一个优势,因为触发可以应用于信号处理任务,如去嵌入和滤波。来源:罗德与施瓦茨

如何知道示波器有数字触发器还是模拟触发器?

每个示波器系列都包含一个数字或模拟触发子系统。不幸的是,通过看产品手册并不总是很容易辨别。询问示波器供应商是找到答案的好方法。或者更确切地说,用户可以通过查看数据表或范围用户界面中的许多触发属性来确定触发系统是数字还是模拟。

例如,用户可以手动设置触发滞后吗?或者用户可以应用柔性带宽限制过滤器和去嵌入校正器的技术,以通过触发电路的信号吗?

数字触发比模拟触发好吗?

它取决于用户想要的特定属性,但一般来说,数字触发有许多优点。例如,一个关键优势是能够在非常小的信号下触发。对大多数示波器来说,小信号触发是一个挑战,然而,在大信号存在的情况下,小信号的电子应用有越来越大的趋势。示例包括低功率信号触发、睡眠状态信号触发、小音频信号触发、查看电源轨上的纹波触发,以及可能在几毫伏范围内的生物电子信号触发。

边缘触发是大多数示波器用户的主要触发模式,随着对小信号触发需求的增加,边缘触发灵敏度值变得越来越重要。示波器制造商规定了示波器识别边缘必须达到的特定信号振幅。此参数在数据表的“触发”部分中指定,用于描述要成功触发作用域,边缘高度必须有多少垂直分段。

边缘触发灵敏度值可以大于预期。例如,一个供应商将边缘触发灵敏度指定为“4.5 div到从DC到仪器带宽”的范围的1MΩ路径为0.5 mV / div至0.99 mV / div。对于具有相同垂直设置的50Ω路径,规范是“从DC到仪器带宽的3.0 div”。该特定示波器具有10个垂直部门,这意味着信号幅度必须是示波器触发的显示器的30%。

但如果信号更小呢?数字触发示波器是较好的选择。带有模拟触发电路的示波器需要更大的信号来触发,而带有数字触发电路的示波器则一致且可靠地触发仅仅是垂直分割的一小部分信号。由于触发电路是基于数字化数据的,数字触发系统能够比模拟系统更好地识别小事件。

带有数字触发器的示波器可以触发振幅只有0.01倍的信号。这意味着数字触发器识别小信号的能力是模拟触发器的100到300倍。由于这个原因,在大信号存在的情况下处理小信号的工程师经常寻找带有数字触发器的示波器。图2显示了一个带有数字触发器的示波器的示例屏幕截图,该数字触发器能够在非常小的异常情况下触发。

图2这个r和s RTO6示波器的数字触发器可以在这种非常小的异常情况下触发,而带有模拟触发器的示波器无法隔离这种异常情况。资料来源:Rohde&Schwarz

与模拟触发相比,数字触发的另一个优点是在信号处理方面。带有模拟触发器的示波器执行后处理,如触发器后的去嵌入。因此,触发器不知道应用反嵌入时信号是什么样子,并且无法使用这些属性进行触发。具有数字触发的示波器具有这样的优势,即可以在触发之前进行去嵌入,从而允许示波器在去嵌入信号上触发。

回到边缘触发,数字触发示波器提供了另一个优于模拟触发的优势。带有模拟触发器的高带宽示波器通常对边缘触发器的带宽上限有限制。例如,具有8-GHz采集带宽的示波器的触发极限可能为2 GHz。这对于处理数字信号来说可能不是一个重要问题,因为用户通常会选择带宽为基频3倍至5倍的示波器来捕获3研发部和5th谐波。

在基频上触发可能就足够了。但是,用户无法触发与谐波相关的异常。用户可以通过采集系统在示波器上看到这些异常,但如果异常高于触发频率,则无法触发异常。对于具有数字触发的示波器,边缘触发带宽通常等于最大采集带宽。例如,在R&S RTP16 GHz带宽示波器,数字触发系统也支持16 GHz触发。

另一个优点与触发滞后有关。带有数字触发的示波器包含用户可调的触发滞后设置。用户可以确定在确定什么是噪声与真实信号转换时,范围应应用多少迟滞。这方面的示例如所示图3,其中,在示波器的显示器上,用户可以看到一条迟滞线,当用户使用更多的迟滞时,这条迟滞线变粗,当选择较小的迟滞值时,这条迟滞线变细。

图3作为数字触发示波器的一个示例,R&S RTO6示波器用户界面显示了对触发滞后的控制。资料来源:Rohde&Schwarz

在这里,用户可以选择:在较大脉冲的下降沿上设置1分迟滞触发器,而设置0.1分迟滞允许数字触发器在小脉冲的非常小的下降沿上触发。在信号的同时目测触发滞后非常有用,特别是对于有噪声的信号。对于带有模拟触发的示波器,模拟电路中内置了滞后值,用户无法调整。因此,当涉及到触发滞后时,具有数字触发的示波器更优越。

两者均触发和数字触发电路都具有使用带宽限制调整抑制噪声的能力。对于具有模拟触发的示波器,触发设置通常包括高频和/或低频抑制。然而,这些是固定值,没有用户在模拟触发电路中最初开发的任何变化。具有数字触发的示波器提供远富裕的触发路径频率滤波器组。另外,触发路径的带宽限制通常可以与采集路径的带宽限制不同或相同。这允许用户更精确地触发感兴趣的事件,同时看到有或没有带宽限制的信号表示。

区域触发

示波器用户通常选择简单的边缘触发来告诉示波器何时捕捉,示波器提供了一些不太常见的触发模式。数字触发或模拟触发示波器的触发类型和各种触发模式通常是相同的。这些包括小故障脉冲宽度,runt,窗口,超时,转换速率,设置和保持,状态,模式,和串行总线触发。所有这些触发模式都提供模拟或数字触发示波器。许多示波器都加入了额外的触发功能,称为区域触发,而带有数字触发功能的示波器通常具有增强的区域触发功能。

那么,区域触发是如何工作的呢?用户在示波器显示屏上以图形方式绘制一个或多个区域,如所示图4.每个区域都可以参数化为“必须相交”或“不可相交”条件。每次采集新的示波器时,示波器都要检查采集的记录。如果获取的数据与用户设置的区域条件匹配,范围将显示数据。如果采集不满足区域条件,范围将丢弃数据。因此,只有满足用户指定的区域条件的采集才会显示在示波器上。

图4R&S RTO6示波器集成了数字触发功能,并将区域触发作为标准触发功能提供。用户可以触发频率事件,例如超过指定功率级别的特定区域。资料来源:Rohde&Schwarz

虽然触发模式的数量通常相同,但区域触发是数字触发示波器提供一些额外功能的另一个领域。具有模拟触发功能的示波器历史上只允许在通道源上创建区域。带数字触发的示波器通过允许在通道源上创建区域以及使用包括快速傅里叶变换(FFTs)在内的数学,进一步增强了区域触发能力。因此,用户可以在特定跳频时,或当特定区域超过图4所示的功率水平时,专门触发。

哪里模拟触发优于数字触发?

模拟触发器比数字触发器更好的一个领域是触发示波器显示以外的信号。数字触发要求信号在示波器上显示可见,因为这是模数转换器(ADC)数字化位的地方。可以开发模拟触发器来触发示波器显示之外的事件。因此,对于想要这种灵活性的用户,模拟示波器有一个叫做触发电平范围的规范。这个规范让用户知道有多少离线触发范围是可用的。通常,它的范围从无到垂直显示范围外的几个额外的分区。

数字触发示波器体系结构比模拟触发示波器具有多个优点。在选择示波器时,了解这些属性可以更容易地确定这些优势对团队的重要性。随着对越来越小的信号进行触发的需求的增加,工程师希望触发带宽等于整个采集带宽、具有用户可调节的触发滞后以及能够将处理技术应用于触发路径的愿望得到了更好的理解。因此,希望看到更多的新示波器采用数字触发架构。

这篇文章最初发表在经济日报

乔尔·伍德沃德是Rohde&Schwarz示波器的战略规划经理。

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