1 觸發(fā)不是萬能的
1.1 觸發(fā)的作用
觸發(fā)是電子工程師最常用，也是最有效的定位電路特定行為的工具，通過設(shè)置合適的觸發(fā)條件可以有效地定位出電路中工程師想要的異常信號(hào)或感興趣的信號(hào)。
觸發(fā)主要有以下兩點(diǎn)作用：第一，隔離感興趣的事件；第二，同步波形，即穩(wěn)定顯示當(dāng)前波形。專業(yè)上的解釋是：按照需求設(shè)置一定的觸發(fā)條件，當(dāng)波形流中的某一個(gè)波形滿足這一條件時(shí)，示波器即實(shí)時(shí)捕獲該波形和其相鄰部分，并穩(wěn)定顯示在屏幕上。
在用示波器定位異常問題時(shí)，電子工程師常用的測(cè)試方式是將觸發(fā)類型設(shè)置為邊沿觸發(fā)，再結(jié)合余輝顯示的方式來診斷電路。說一下余輝的作用，它可以顯示歷史累積的信號(hào)，也就是說可以持續(xù)顯示信號(hào)的軌跡。
隨著示波器技術(shù)的不斷發(fā)展，觸發(fā)方式除了常用的邊沿觸發(fā)外，還有斜率、矮波、窗口觸發(fā)、毛刺、建立保持時(shí)間、模式、串行序列、延遲、視頻、nfc等等類型。
1.2 觸發(fā)的局限
可以隔離感興趣事件的觸發(fā)功能，再加上可以顯示歷史累積信號(hào)的余輝顯示，這兩個(gè)還真是一組絕妙搭配！但這就足夠了嗎？真的可以捕獲所有的異常信號(hào)嗎？
不忙著回答問題，先設(shè)想有如下三種情況：
第一、無法確認(rèn)異常信號(hào)是否存在。通常情況下，我們會(huì)根據(jù)電路的故障現(xiàn)象，先作出“大膽地假設(shè)”--懷疑電路板的某信號(hào)有問題，再“小心地求證”—將示波器設(shè)置成邊沿觸發(fā)和余輝顯示，然后持續(xù)觀察幾分鐘，再判定示波器上的波形是否出現(xiàn)問題。這種定位問題的思路受限于示波器的波形捕獲率。所以，大家可能會(huì)提出，應(yīng)該用特別的觸發(fā)的方式去定位，但是問題只在于，在您還不知道異常信號(hào)是否真的存在的時(shí)候，您該用哪種觸發(fā)方式呢？
第二、異常信號(hào)的種類可能是“千奇百怪”。雖然現(xiàn)代示波器的觸發(fā)類型很多，但畢竟是有限的。您是否遇到過一些特別的異常信號(hào)，發(fā)現(xiàn)無論用哪種觸發(fā)類型無法觸發(fā)？
第三、被觸發(fā)的信號(hào)上面疊加了很多噪聲，有可能導(dǎo)致誤觸發(fā)。每一個(gè)局部噪聲信號(hào)的上升沿都可能被觸發(fā)電路誤當(dāng)作是一個(gè)上升沿，每一個(gè)局部噪聲信號(hào)的微小脈寬都可能被觸發(fā)電路誤當(dāng)作一個(gè)待觸發(fā)的脈寬，這時(shí)候您還能正確地觸發(fā)嗎？
當(dāng)存在以上三種情況時(shí)，工程師會(huì)陷入如此困境：無法確認(rèn)電路中是否存在異常信號(hào)，無法設(shè)置異常信號(hào)的觸發(fā)類型，無法消除噪聲引起的誤觸發(fā)。當(dāng)碰上如上問題后，僅僅依靠設(shè)置或者更改觸發(fā)條件，工程師有可能無法將問題定位下去，而顯得手足無措。
下面，我們就以上三個(gè)問題，進(jìn)行相關(guān)探討。
注：示波器選用r&s公司的rto1024示波器（左下圖），被測(cè)信號(hào)由r&s的golden demo板（右下圖）產(chǎn)生。
2 異常信號(hào)都到哪去了？
2.1 兩個(gè)試驗(yàn)引發(fā)的思考
對(duì)于第一種情況，我們先來做兩個(gè)試驗(yàn)。
試驗(yàn)條件：golden demo板產(chǎn)生一個(gè)10mhz的方波，示波器觀察該方波信號(hào)是否有異常。
試驗(yàn)1：首先將示波器設(shè)置為5ms的邊沿延遲觸發(fā)方式（如圖1所示），發(fā)現(xiàn)示波器顯示的方波一切正常。
可能您會(huì)說，沒有開啟余輝顯示模式，只能顯示當(dāng)前波形，無法累積顯示歷史波形，所以測(cè)試不準(zhǔn)確。好！我們開啟余輝顯示模式，等待十分鐘后，波形還是沒有發(fā)現(xiàn)異常。
可能又有人說，十分鐘太短！好，那我們?cè)傺娱L半小時(shí)。不夠的話，那就再等一小時(shí)，結(jié)果還是沒有發(fā)現(xiàn)異常。如此之后，我們是不是可以認(rèn)定波形沒有異常呢？先別忙著下結(jié)論，來看看試驗(yàn)2。
圖1 將rto1024設(shè)為5ms的邊沿延遲觸發(fā)
圖2 余輝顯示，無異常信號(hào)
試驗(yàn)2：取消示波器的5ms的邊沿延遲觸發(fā)，而采用示波器正常的邊沿觸發(fā)，現(xiàn)在見證奇跡的時(shí)刻到了：示波器屏幕上不停地閃動(dòng)異常波形，再啟動(dòng)余輝顯示模式，發(fā)現(xiàn)異常波形幾乎一瞬間就占據(jù)了整個(gè)屏幕（圖3所示）。
最后來看golden demo電路板的說明，該10mhz的方波信號(hào)中，每秒中會(huì)產(chǎn)生32次異常信號(hào)，由此看來試驗(yàn)2的結(jié)果是對(duì)的?，F(xiàn)在問題又來了，同一個(gè)方波信號(hào)，兩個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果為什么會(huì)有如此大的差距呢？而且更為關(guān)鍵的是，怎么樣才能確認(rèn)波形中存在異常信號(hào)呢？答案將在2.2節(jié)揭曉。
圖3異常信號(hào)層出不窮
2.2 確認(rèn)異常信號(hào)存在的關(guān)鍵——波形捕獲率
2.2.1 示波器工作原理
回答問題之前，先簡單介紹一下示波器的工作流程。如圖4所示，示波器的工作流程由觸發(fā)開始，然后是波形采集，波形存儲(chǔ)，波形處理，最后是波形顯示，如此循環(huán)。其中觸發(fā)和采集屬于示波器有效捕獲時(shí)間。存儲(chǔ)、處理及顯示屬于示波器盲區(qū)，即死區(qū)時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間段示波器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)不做任何處理，而直接丟掉，也就是說只有在采集階段采集到的波形才會(huì)最終顯示在示波器屏幕上。
圖4 示波器工作流程
示波器的波形捕獲率可以由如下公式表示，指每秒鐘內(nèi)示波器可以進(jìn)行循環(huán)捕獲的次數(shù)，一次捕獲處理顯示的波形成為一個(gè)波形。
波形捕獲率=1/捕獲周期=1/(有效捕獲時(shí)間+死區(qū)時(shí)間)
2.2.2 波形捕獲率的影響
在整個(gè)采集捕獲過程中，有效捕獲時(shí)間相對(duì)于死區(qū)時(shí)間幾乎可以忽略不計(jì)，所以只有不斷縮小死區(qū)時(shí)間來提高波形捕獲率，這樣才會(huì)捕獲到更多信號(hào)。如下圖5所示，當(dāng)波形捕獲率為50,000wfms/s時(shí)，死區(qū)時(shí)間竟然占到了99.5%，而有效捕獲時(shí)間只有0.5%，死區(qū)時(shí)間的異常波形（黃色區(qū)域紅圈所示為罕見異常信號(hào)）無法被我們觀測(cè)到，自然也就無法確認(rèn)當(dāng)前波形中是否存在異常信號(hào)。r&s公司的rto和rte系列示波器的波形捕獲率高達(dá)每秒百萬次，而其他基于windows的示波器一般只能做到每秒幾千次，甚至只有幾百次。
圖5 死區(qū)時(shí)間相對(duì)有效捕獲時(shí)間示意圖
現(xiàn)在可以回答2.1節(jié)末尾的問題了，將rto1024設(shè)置為5ms的邊沿延遲觸發(fā)方式時(shí)，意味著示波器5ms才觸發(fā)一次，即波形捕獲率只有200 wfm/s，這是無法捕獲到異常信號(hào)的；而在正常的邊沿觸發(fā)模式下，波形捕獲率高達(dá)100萬wfm/s，自然很容易確認(rèn)有異常波形存在了。
圖6 波形捕獲率之比較
3 mask模板測(cè)試——觸發(fā)異常信號(hào)
接著上面的話題，使用波形捕獲率高達(dá)百萬次的示波器，我們很容易確定波形中存在異常信號(hào)。但是，如何觸發(fā)圖7中的異常信號(hào)呢？異常信號(hào)是如此復(fù)雜，以至于毛刺，邊沿觸發(fā)，矮脈沖，延遲等等觸發(fā)類型都無法有效地將其觸發(fā)。
圖7 復(fù)雜的異常信號(hào)
怎么辦？難道我們真的要繳械投降，坐以待斃了嗎？答案當(dāng)然是“否”，因?yàn)閞&s系列示波器所具有的mask測(cè)試功能，有效地解決了這一難題。
圖8 mask測(cè)試設(shè)置
圖9 mask模板觸發(fā)到異常信號(hào)
采用mask模板測(cè)試時(shí)，我們可以任意在時(shí)域感興趣的范圍內(nèi)畫出不同形狀的mask模板（如圖8中的藍(lán)色區(qū)域所示。順便提一下，rto示波器支持最多畫出8個(gè)mask模板），再對(duì)mask模板做相應(yīng)的設(shè)置（如：蜂鳴警告，停止，自動(dòng)保存波形圖片，自動(dòng)保存波形數(shù)據(jù)等等），只要有異常信號(hào)觸碰到mask模板，rto示波器就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行以上動(dòng)作，并將異常信號(hào)顯示出來（如圖9所示藍(lán)色mask模板內(nèi)的毛刺）。
雖然異常信號(hào)的類型非常復(fù)雜，但是利用mask模板測(cè)試功能，可以非?？焖俚膶⑵溆|發(fā)出來，并且可以根據(jù)mask模板設(shè)置自動(dòng)做出后續(xù)動(dòng)作，非常的人性化！
更為先進(jìn)的是，r&s示波器還支持在頻域內(nèi)進(jìn)行mask模板測(cè)試，在頻域中將各種異常信號(hào)捕獲下來，并根據(jù)mak模板設(shè)置做出相應(yīng)的動(dòng)作，這可是r&s示波器所獨(dú)有的功能。
圖 10 r&s示波器獨(dú)有的頻域模板觸發(fā)功能
4 如何抵抗噪聲引起的誤觸發(fā)
4.1 噪聲引發(fā)的誤觸發(fā)
當(dāng)今社會(huì)，電子產(chǎn)品的發(fā)展日新月異，這也使得我們的工作環(huán)境日益復(fù)雜，存在著大量的電磁噪聲。您知道這些噪聲會(huì)對(duì)示波器的觸發(fā)帶來什么樣的影響嗎？請(qǐng)您往下看。
我們?cè)賮碜鰧?shí)驗(yàn)。先觀察圖11所示的波形，怎么會(huì)有上升沿和下降沿交織在一起的正弦波？是眼花了嗎？當(dāng)然不是，揉揉眼睛再看還是一樣的結(jié)果。難道是信號(hào)本來就是這個(gè)樣子嗎？當(dāng)然也不是，信號(hào)本身就是正常的正弦波，絕對(duì)沒有“性格”分裂。
圖11正弦波雙沿顯示
繼續(xù)來，持續(xù)按動(dòng)示波器的“單次觸發(fā)”按鍵，怎么突然發(fā)現(xiàn)波形在下降沿觸發(fā)了（圖12）。再看看示波器設(shè)置，明明是上升沿觸發(fā)??！難道是示波器出問題了嗎？答案自然還是“否”，我們的示波器工作一切正常！
圖12 波形錯(cuò)誤地觸發(fā)在下降沿
看到這里，您是不是迷糊了，以至于無法相信自己的眼睛了。不給您賣關(guān)子了，下面將波形的邊沿放大，發(fā)現(xiàn)什么了沒有？對(duì)的，正弦波邊沿疊加了很多噪聲信號(hào)，而且這些噪聲的上升沿和下降沿具有一定的電壓幅值（圖13）。當(dāng)示波器觸發(fā)到正弦波下降沿上的噪聲的上升沿后，就出現(xiàn)了圖11、12所示的異常信號(hào)。
圖13 正弦波上疊加了噪聲信號(hào)
現(xiàn)在明確了，問題就是這些噪聲引起的，可怎么解決呢？請(qǐng)看4.2節(jié)！
4.2 解決之道
用r&s系列示波器的話，辦法非常簡單，直接忽視這些噪聲就可以了。我們只要打開觸發(fā)對(duì)話框中的“noise reject”界面（圖14），然后調(diào)節(jié)遲滯電平幅度直到大于噪聲的電平幅度后，波形的雙沿消失了，而且也不會(huì)誤觸發(fā)在下降沿了（圖15）。
圖15所示的橫穿整個(gè)屏幕的藍(lán)色區(qū)域，即為噪聲遲滯電平的范圍，凡是電平小于該范圍的噪聲一律不觸發(fā)，真是非誠勿擾?。?
圖 14 “noise reject”界面
圖 15 噪聲遲滯范圍，降低觸發(fā)靈敏度
由1.1節(jié)可知，觸發(fā)的作用有兩個(gè)：隔離感興趣的事件和同步波形。前者要求觸發(fā)的靈敏度，后者則要求觸發(fā)的穩(wěn)定度，這兩者無疑是矛盾的：對(duì)于噪聲信號(hào)的穩(wěn)定觸發(fā)，要求觸發(fā)系統(tǒng)在觸發(fā)門限周圍實(shí)現(xiàn)一定遲滯（如圖16所示）；另一方面，對(duì)于小振幅信號(hào)，較大的遲滯又會(huì)限制觸發(fā)系統(tǒng)的靈敏度。傳統(tǒng)示波器的觸發(fā)遲滯電平為固定值，因此無法實(shí)現(xiàn)兩者的平衡。
r&s示波器使用全新的數(shù)字觸發(fā)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了觸發(fā)遲滯電平可調(diào)的功能，可以有效解決噪聲信號(hào)對(duì)觸發(fā)穩(wěn)定度的影響，并使得兼顧觸發(fā)靈敏度和觸發(fā)穩(wěn)定度成為了可能。
圖 16 觸發(fā)遲滯能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)噪聲信號(hào)的穩(wěn)定觸發(fā)
5 結(jié)論
對(duì)于已知信號(hào)，在我們準(zhǔn)確地設(shè)置觸發(fā)條件后，理論上肯定能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定顯示我們感興趣的信號(hào)。如果無法確定異常信號(hào)是否存在，或者異常信號(hào)類型非常復(fù)雜，或者信號(hào)本身受到噪聲干擾，這就使得電子工程師們手足無措，而無法選擇正確的觸發(fā)條件?？梢?，觸發(fā)是定位問題最有效的工具，但卻不是發(fā)現(xiàn)問題的有效手段。
但是“一個(gè)好漢三個(gè)幫”，百萬波形捕獲率快速捕獲異常信號(hào)，mask模板測(cè)試觸發(fā)任意異常波形，觸發(fā)電平遲滯可調(diào)的方法忽略噪聲干擾。r&s示波器的這三個(gè)特點(diǎn)，勢(shì)必與觸發(fā)功能配合得相得益彰，用r&s示波器定位問題自然是事半功倍。
“工欲善其事，必先利其器”，這樣的利器無疑是每個(gè)電子工程師的最愛！