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示波器触发发生器:精密同步器

归档日期:05-14       文本归类:发声延迟      文章编辑:爱尚语录

  示波器触发电路可以作为精密同步器而用于其它电路设计。无论是模拟还是数字示波器触发,都有各种自动触发机制来增强。本文是对示波器触发电路及其设计方案的概述,介绍了触发发生器的基础知识以及一些增强功能。

  示波器触发系统在前面板上对应两个基本控制装置:触发电平旋钮和极性开关。如图1所示,可以将其实现设想为最简单的比较器和极性选择器的形式。

  当来自触发源的电压波形(可能是来自垂直放大器的内部触发信号、外部BNC连接器或50/60Hz电源线)超过触发电平(TRIGGER LEVEL)旋钮设置的电压电平时,比较器输出一个边沿。然后,异或门将比较器边沿反转或者不反转,有效地选择哪种极性的边沿是有效(正向)沿而作为触发事件。

  上述方案通常不实用,因为它无法选择用有效触发沿序列中的哪一个来启动示波器扫描,或者在DSO中启动波形数字化和存储。在模拟示波器中,上一次扫描必须完成,而且回扫到屏幕左侧的起始位置并稳定下来,才能重新启动下一次扫描。在此期间,触发释抑(holdoff)定时使扫描停止工作。触发释抑是使用D触发器来实现的,触发电路就变成了图2的样子。触发器还消除了由于慢速输入产生的比较器输出反弹。

  通过在复位(R)输入端施加释抑信号,D触发器Q端的触发输出保持低电平。在释抑生效时,触发输出为低。当解除释抑时,来自异或门的下一次触发会使Q端变高,从而为模拟示波器产生扫描选通功能。

  将触发器添加到上述触发发生器似乎就足够了,但需要进一步改进。如果在有新触发向触发器施加时钟输入时,解除了释抑怎么办?如果设置时间不足,则可能产生竞争情况,导致输出Q转换延迟一段不确定的时间。Q端在经历一定延迟之后才变高,而使扫描启动滞后,并由于扫描启动相对触发事件延迟了,因此会在屏幕上引起触发抖动,或者也可能产生毛刺或“欠幅”脉冲。为避免这种情况发生,需要在延迟一段时间后再触发另一个触发器,如图3的触发电路所示。

  延迟线使第二个触发器的触发稍晚于第一个触发器,而使第一个触发器的输出能够在第二个触发器接收到时钟信号之前稳定到有效的逻辑电平。延迟时间的选择要合适,从而使第二个触发器D输入处出现不确定电平的时间相对输入触发而言可忽略不计。上述方案是一种基本的实际触发电路。实际上,在一些特定场景的大部分触发示波器中都是采用的这种方案。示波器前面板上第三个触发控制装置(模式控制开关)所指的正常触发模式也就是它。

  模式是指电子系统中一种特定的结构化配置。模式由机电或电子开关选择。一些示波器将自动触发模式添加到基本触发方案中自动触发模式是触发系统触发自身的模式。为什么我们希望这种情况发生?在正常模式下,如果没有输入波形,示波器显示屏上不会出现任何迹线。什么都看不到。因此,我们不知道垂直位置控制旋钮所设置的轨迹位置,也不知道哪里是0V或地。在模拟示波器上,即便其在运行,轨迹也甚至可能不在屏幕上出现。因此需要一些强制触发的手段。

  使用自动触发模式即可解决此问题。自动电路输入该输出触发信号,以超过50Hz波形周期的定时时间启动单稳态多谐振荡器(MMV,单次触发)。其原因在于,市电频率是我们想要在不受自动触发干扰的情况下触发的最低频率。MMV是可重触发的,并且直到其定时结束(定时期间没有新的触发信号发生,否则延后),才会改变输出状态。当定时时间到后,它会产生一个自动触发信号,强制扫描运行。由于没有实际的触发输入,自动触发以略低于市电频率的速率运行扫描。然后,当有触发信号进入时,自动MMV再次关闭并消失。

  自动触发模式更为高级的形式是峰峰值自动触发模式。这种模式将焦点转向触发电平控制。对于给定的波形,由于在触发电平范围的两端不会发生触发,因此触发电平范围超过波形电压范围的部分会受到浪费。为了使整个控制范围变得有用,可采用正负峰值检测器获取波形的最大和最小电压,并将其输出到触发电平电位器的两端,如图4所示。

  图4:正负峰值检测器获取波形的最大和最小电压,并将其输出到触发电平电位器的两端。

  电位器不会设置到触发源波形范围以外。泰克7000系列示波器采用了这种触发模式。该方案的一个缺点是,峰值检测器必须在示波器的全带宽下工作。在高频处,检测器的响应速度不足以输出精确的峰值,因此触发范围会变得小于触发源波形的峰峰值范围。

  设置触发电平的另一种方法是在其控制范围内自动扫描触发电平电压,直到其遇到源波形,就产生一次触发。这种自动电平方案不需要电路具有超出现有触发发生器的全带宽。我在上世纪70年代末发明的它,其实现原理如图5所示。

  将DAC输出与前面板触发电平旋钮设置值求和,当有触发发生时,扫描就停止。该方案的缺点是,尽管极性仍然可选,但触发发生的电平是随机的。每当发生扫描触发时,触发输入(TRIG IN)就会触发MMV,并导致时钟断开。因此,计数器计数保持并由DAC转换成触发电平,再与触发电平设置值相加,就变成了自动触发电平。如果在多谐振荡器定时到了之后没有触发发生,它就会使能与门,计数器计数并开始搜索触发电平。这样,每次扫描,就会超过触发电平一次,从而引起扫描的自动触发。因此,自动电平触发是自动触发的进一步完善,它还在信号触发范围内提供了自动电平设置。

  除了触发发生在随机电平以外,自动电平模式的另一个主要缺点是触发范围问题。对于n屏的触发电平范围,自动电平范围必须是n+1屏才能触发屏上信号,并且触发电平旋钮是任意设置的。例如,如图6所示,对于两个屏的范围,自动电平范围是3个屏。当自动电平模式有效时,对于触发电平位于一端的情况,自动电平会将触发范围额外扩展1.5个屏。

  对于大信号,自动电平有可能在其范围内的任何点触发。因此,自动电平DAC输出会将触发电平旋钮设置值偏置(n + 1)/2个屏。对于n = 2,就是1.5屏。该旋钮的范围为n/2屏或1屏。DAC输出为+1.5屏时,触发电平旋钮只能扩展到1.5 - 1 = 0.5屏,即显示屏的顶部。

  自动电平方案可以使用MCU改进并加入到现有的示波器,而无需连接到高频电路。MCU需要触发输入位线、DAC输出,以及读取触发电平电压用ADC输入,而使MCU能直接设置触发电平而无偏置。由于扫描范围始终可以通过旋钮设置进行偏移,因此其解决了触发范围问题。

  至于随机触发点,MCU可采用二分查找(逐次逼近)法而不是扫描三角波触发电平最快地确定源波形范围,然后将触发值设置在中点,让前面板旋钮跨越这一范围,如此往复。对于n位分辨率的触发电平旋钮,设置电平需要进行n次逐次逼近触发采样。因此,尽管可以用另一个触发模式开关位置将最初的自动电平方案保留,但自动电平模式相对于峰峰值自动模式的准瞬时自动触发建立的优势不再。尽管在大约40Hz的自动模式扫描速率下,只要花200ms就可完成八九次扫描(小于人类的反应时间),但在低扫描速率下,这可能需要花很长时间才能完成,而让人感到烦恼。

  自动电平的特定实现在一定程度上取决于示波器的具体情况。但是,由于电路数量(包括MCU版本的编码)小,本文的介绍应该足以让你设定正确的方向,自己动手改进测试设备,而不亚于专业级示波器触发系统设计者。

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  Dennis Feucht从 17岁开始在泰克公司从事测量仪器校准和设计工作,后来在泰克实验室研究先进的仪器概念和人工智能。 离开泰克公司后,他又积累了电机驱动器、电源转换器、眼科手术和超声成像仪、汽车电子和发动机热力学建模、火箭推进和天体学以及机器人技术设计方面的经验。他撰写了四卷关于模拟电路设计的书,最近完成了一本有关晶体管放大器设计的书,并正在编写一本关于电力电子学的书。

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