示波器基础原理入门指南(上)

触发系统

触发器是每个数字示波器的基本单元之一，用于捕捉信号事件进行详细分析以及提供稳定的重复波形视图。触发系统的精度及其灵活性决定了如何显示以及分析测量信号。如前所述，数字触发系统在测量精度、采集密度以及功能性方面为示波器用户带来显著的优势。

模拟触发

示波器的触发器（图 5）确保为重复信号的持续监视提供稳定的波形显示。作为对特定事件的响应，触发器在隔离和显示诸如“矮波”逻辑电平等具体信号特征以及通道之间由串扰、缓慢边缘或者无效定时所引起的信号干扰时非常有用。触发类型的数量以及触发器的灵活性历年来一直在不断进步。

图 5：模拟触发系统

“数字”示波器是指对测量信号进行采样并将其保存为离散数字值的仪器，而一般示波器的触发系统则一直用于处理原始测量的模拟信号，因此称之为模拟触发系统。

输入放大器对被测信号进行调节，使其幅值与 ADC 和显示器的工作范围相匹配，经过调节的信号从放大器输出之后会并行发送至模-数转换器 (ADC) 以及触发系统。

ADC 会通过一条路径对测量信号进行采样，数字化的样本数值会被写入到采集存储器当中；而在另一条路径上，触发系统会将信号与有效的触发事件（比如信号跨越了“边缘”触发的触发门限）进行对比。当发生有效的触发条件时，示波器会最终确定 ADC 的样本并处理和显示所需的波形。测量信号一旦跨越触发电平，便会导致一个有效的触发事件。然而，为了让信号能够在显示器上准确显示，必须提供精确的触发点定时。否则，所显示的波形将不会与触发点（触发电平与触发位置的交点）重叠。

而这可能由多种因素所导致。首先，触发系统中的信号会通过比较器与触发门限进行比较，而比较器输出端的边缘时间必须利用时间数字转换器 (TDC) 进行准确测量。

如果 TDC 的测量结果不准确，那么所显示的波形与触发点之间出现偏移，并且每个触发事件都会改变这一偏移量，导致触发抖动。

另一个因素是测量信号的两条路径中存在误差源。信号会经过两条不同的路径进行处理（ADC 的采集路径以及触发系统路径），两者均含有不同的线性以及非线性失真。这导致所显示的信号与确定的触发点之间存在系统错配。在最坏的情况中，即便可以在显示器上看到这些触发事件，触发器也将无法对有效的触发事件作出响应，或者触发器会对那些采集路径无法捕捉和显示的触发事件作出响应。

最后一个因素是两条路径中存在不同的噪声源，这些噪声源包括具有不同噪声等级的放大器。这将引起延迟和幅值差异，表现在显示屏上就是触发位置出现偏移（抖动）。而当以数字触发方式来工作的时候，触发器将不会出现这些误差。

数字触发

与模拟触发系统相反，数字触发系统（图 6）直接对 ADC 所采集的样本进行操作，信号不会被分离为两条路径，而是对所需的同一路信号进行处理并显示出来。于是，将可从根本上避免模拟触发系统所存在的信号损伤。为了评估触发点，数字触发器将采用精确的 DSP 算法来检测有效的触发器事件，并准确地测量时间戳。执行实时信号处理所面临的挑战在于需要无缝监视测量信号。比如，R&S?RTO 系列示波器中的数字触发器采用了 8 位 ADC 以 10GS/s 的速率进行采样，并以 80 Gb/s 的速率来处理数据。

图 6：数字触发系统

由于数字触发系统采用与采集路径相同的数字化数据，因此可以实现 ADC 范围之内的信号事件触发。对于选定的触发事件，信号可以通过比较器与已定义的触发门限进行对比。在一个简单的例子中（边缘触发），当信号在要求的方向上越过触发门限，无论是信号的上升沿还是下降沿，该事件都会被检测到。在数字系统中，信号由所采集到的样本来表示，而采样率必须至少是信号中最高频率的两倍。当满足这一条件，才能实现信号的重构。

完全根据 ADC 样本来进行触发判决是不够的，因为跨越触发门限值的过程可能会丢失，因此需要利用内插算法提高时间分辨率，使采样速率达到 20 GS/s。经过插入算法之后，比较器会将样本数值和已定义的触发门限值进行对比，如果检测到触发事件，那么比较器的输出电平便会发生变化。

如图 7 所示，通过2倍插入方式将采样分辨率提高两倍，从而减少信号的“盲”区。左图的波形采样中并未包含波形图中过冲部分，并且 基于ADC 样本的触发门限无法检测到过冲发生。右图通过插值的方式将波形采样率提高两倍，因此过冲能够引起触发。过冲的最高频率为 3.5 GHz，因此当 ADC以10GS/s采样率工作的时候数字触发系统能够检测到高频分量。

图 7：减少“盲”区

由于