示波器是以圖形方式顯示變化的電壓信號(hào)的電子測(cè)量?jī)x器，通常是一個(gè)或多個(gè)信號(hào)隨時(shí)間變化的二維圖像，被譽(yù)為“電子工程師的眼睛”。如果要穩(wěn)定觀察、顯示示波器波形，捕獲特點(diǎn)信號(hào)事件，觸發(fā)(Trigger)則是關(guān)鍵因素。所以充分理解觸發(fā)的概念、原理以及設(shè)置方法是有效使用示波器的前提。
自20多年前RIGOL誕生以來(lái)，RIGOL示波器也從最初的模擬觸發(fā)轉(zhuǎn)向全面數(shù)字觸發(fā)，示波器觸發(fā)功能不斷豐富和增強(qiáng)。本文將和大家一起探究示波器的“觸發(fā)”的來(lái)龍去脈——
01、什么是觸發(fā)？
觸發(fā)是按照需求設(shè)置一定的電壓幅值、時(shí)間、波形變化率等方面的條件，當(dāng)波形數(shù)據(jù)流中的某一個(gè)波形滿足設(shè)定條件時(shí)，示波器實(shí)時(shí)捕獲該波形和其相鄰部分，并顯示在屏幕上。只有穩(wěn)定的觸發(fā)才能有穩(wěn)定的顯示。觸發(fā)也是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之后定位問(wèn)題的最重要手段，善于使用觸發(fā)能輕松定位出您想尋找的信號(hào)。
02、觸發(fā)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)
示波器從誕生開(kāi)始經(jīng)歷了模擬示波器和數(shù)字示波器兩個(gè)主要階段。模擬示波器中的觸發(fā)系統(tǒng)是我們了解觸發(fā)相關(guān)內(nèi)容很好的起點(diǎn)。那我們從模擬觸發(fā)基本概念中最主要的比較器電路開(kāi)始。
單限比較器
只有一個(gè)參考電平，且參考電平為GND（0電平）的簡(jiǎn)單比較器，被稱(chēng)為單限比較器。如下圖所示：
▲典型單限比較器示意圖
當(dāng)單限比較器的輸入信號(hào)大于參考電平，則輸出正"﹢"，否則輸出負(fù)"﹣"，這個(gè)參考電平就是觸發(fā)功能中的關(guān)鍵參數(shù)“觸發(fā)電平”。
Vo = -Vsat @ Vi < Vt
Vo = 0 @Vi = Vt
Vo = +Vsat @Vi > Vt
但是由于單限比較器只有一個(gè)觸發(fā)電平作為臨界電壓，所以輸入信號(hào)的波動(dòng)或噪聲產(chǎn)生多次穿越臨界電壓的情況，會(huì)導(dǎo)致誤觸發(fā)，使輸出產(chǎn)生不正確的轉(zhuǎn)換。
為解決誤觸發(fā)的問(wèn)題，就需要使用遲滯比較器。
遲滯比較器
在單限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入正反饋網(wǎng)絡(luò)，就組成了具有雙門(mén)限值的遲滯比較器，如下圖所示。
▲遲滯比較器示意圖
遲滯比較器具有兩個(gè)參考電平作為觸發(fā)電平，VTH和VTL。當(dāng)輸入電壓高于VTH時(shí)，比較器輸出高電平，當(dāng)輸入電壓低于VTL時(shí)比較器輸出低電平，當(dāng)輸入電壓在VTH和VTL兩者之間時(shí)，則保持原來(lái)的輸出不變。
▲遲滯比較器的輸入輸出特征圖
遲滯比較器解決了輸入信號(hào)的波動(dòng)或噪聲導(dǎo)致誤觸發(fā)的問(wèn)題。遲滯比較器兩個(gè)比較電平VTH和VTL之間形成“遲滯區(qū)間”，由于遲滯區(qū)間的存在，輸入波形噪聲和毛刺導(dǎo)致多次穿越臨界電壓的情況下，仍能維持輸出信號(hào)的穩(wěn)定，如下圖所示：
▲遲滯區(qū)間
遲滯區(qū)間區(qū)間越大對(duì)噪聲的抑制能力越強(qiáng)，反之則越小。但遲滯區(qū)間并不是越大越好，會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)遲鈍，對(duì)信號(hào)的變化不敏感。這就是在觸發(fā)系統(tǒng)中另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)“觸發(fā)靈敏度”，觸發(fā)靈敏度體現(xiàn)了觸發(fā)對(duì)信號(hào)噪聲的敏感程度。
03、為什么需要觸發(fā)？
在之前發(fā)布的《數(shù)字實(shí)時(shí)熒輝技術(shù)》的文章中，我們?cè)榻B過(guò)示波器的顯示原理，是通過(guò)將波形在屏幕上保持一段時(shí)間后再消失，在指定的波形保持時(shí)間內(nèi)，多個(gè)捕獲周期繪制的波形疊加顯示在屏幕上。
然而在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，將輸入信號(hào)接入示波器通道后，并不能立即顯示穩(wěn)定的波器。通常需要手動(dòng)進(jìn)程觸發(fā)設(shè)置之后，波形才會(huì)穩(wěn)定顯示在顯示器中。這是為什么呢？
下面我們通過(guò)傳統(tǒng)的模擬示波器來(lái)了解觸發(fā)在波形觀察時(shí)的作用。
模擬示波器工作原理
陰極射線管(CRT)簡(jiǎn)稱(chēng)示波管，是模擬示波器的核心，它的原理圖如下：
▲示波管示意圖
當(dāng)把輸入信號(hào)施加到Y(jié)軸偏轉(zhuǎn)板，而X軸偏轉(zhuǎn)板不加電壓時(shí)，在熒光屏的最左側(cè)縱坐標(biāo)上就會(huì)打出一個(gè)亮點(diǎn)，且電壓越大亮點(diǎn)位置越高。
當(dāng)把鋸齒波信號(hào)施加到X偏轉(zhuǎn)板，而在Y偏轉(zhuǎn)板不加電壓時(shí)，隨著鋸齒波電壓的升高，光點(diǎn)從屏幕最左邊均勻移動(dòng)到屏幕最右邊。當(dāng)鋸齒波歸零后重新開(kāi)始掃描，則光點(diǎn)迅速回到最左邊后，從最左邊重復(fù)向右移動(dòng)。
所以模擬示波器的工作方式是在Y軸偏轉(zhuǎn)板上施加待測(cè)信號(hào)，在X軸偏轉(zhuǎn)板上施加鋸齒波作為掃描信號(hào)。工作原理如下圖所示：
▲示波器工作原理圖
支持觸發(fā)功能前
示波管可以幫助示波器將波形顯示屏幕上，但并不能保證將信號(hào)波形穩(wěn)定的在屏幕上顯示。如下圖所示，在X軸偏轉(zhuǎn)板施加鋸齒波作為掃描信號(hào)，在Y軸偏轉(zhuǎn)板施加輸入待測(cè)試信號(hào)。
▲信號(hào)控制水平與垂直方向掃描
如果鋸齒波是自動(dòng)觸發(fā)，它的觸發(fā)位置不固定，那么輸入波形在示波器中的顯示狀態(tài)如下圖所示。
▲不固定觸發(fā)波形顯示
因?yàn)槊看螐钠聊黄鹗嫉奈恢茫ㄐ蔚南辔徊灰恢?，使得觀察者在示波器上看到的波形好像是在滾動(dòng)，且有多條波形重疊，如下圖所示。
▲多波形重疊示意圖
解決這個(gè)問(wèn)題，就需要使每一屏中顯示波形的相位是同步的，這取決于施加在X軸偏轉(zhuǎn)板上的鋸齒波信號(hào)何時(shí)開(kāi)始掃描。為此示波器增加了觸發(fā)功能。
支持觸發(fā)功能后
支持觸發(fā)功能后，示波器可以設(shè)置觸發(fā)電平，并且可以選擇在輸入信號(hào)的上升/下降沿(slope)進(jìn)行觸發(fā)。假設(shè)設(shè)定一個(gè)直流觸發(fā)電平為L(zhǎng)evel1，并選擇在上升沿進(jìn)行觸發(fā)，那么觸發(fā)效果如下圖所示。
▲上升沿觸發(fā)波形
從上圖也可以看出X軸鋸齒波周期決定了示波器橫軸水平時(shí)基的大小。當(dāng)鋸齒波周期越長(zhǎng)，則水平時(shí)基(time/div)越大，在屏幕上顯示的波形周期數(shù)越多。
通過(guò)設(shè)置觸發(fā)條件，可以實(shí)現(xiàn)每一屏中顯示波形的相位同步，如下圖所示。
▲固定觸發(fā)波形顯示
最后疊加在同一屏上，波形就可以穩(wěn)定顯示了，效果如下圖所示。
04、總結(jié)
本文通過(guò)介紹觸發(fā)的概念、原理、關(guān)鍵參數(shù)，以及觸發(fā)的必要性，可以了解到，穩(wěn)定觀察、顯示示波器波形，捕獲特點(diǎn)信號(hào)事件，觸發(fā)是關(guān)鍵因素。那么，如何實(shí)現(xiàn)觸發(fā)？觸發(fā)有哪些類(lèi)型？它們各自的優(yōu)勢(shì)在哪些方面？下篇介紹。
