超越邊沿觸發(fā) 如何使用示波器觸發(fā)進(jìn)行調(diào)試

　　簡介

　　示波器是電氣工程師的基礎(chǔ)儀器，但我經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有些工程師不能有效地使用其觸發(fā)功能。觸發(fā)常被認(rèn)為非常復(fù)雜，現(xiàn)在存在這樣一種趨勢，即如果有任何問題，直接到實(shí)驗(yàn)室去求助專家來幫助設(shè)置觸發(fā)。本文的目的在于幫助工程師了解觸發(fā)的基本原理以及有效使用觸發(fā)的策略。

　　什么是觸發(fā)？

　　任何示波器的存儲器都是有限的，因此所有示波器都必須使用觸發(fā)。觸發(fā)是示波器應(yīng)該發(fā)現(xiàn)的用戶感興趣的事件。換句話說，它是用戶想要在波形中尋找的東西。觸發(fā)可以是一個事件（即波形中的問題），但不是所有的觸發(fā)都是事件。觸發(fā)實(shí)例包括邊沿觸發(fā)、毛刺信號觸發(fā)和數(shù)字碼型觸發(fā)。

　　示波器必須使用觸發(fā)的原因在于其存儲器的容量有限。例如，Agilent90000系列示波器具有20億采樣的存儲器深度。但是，即便擁有如此大容量的存儲器，示波器仍需要一些事件來區(qū)分哪20億個采樣需要顯示給用戶。盡管20億的采樣聽起來似乎非常龐大，但這仍不足以確保示波器存儲器能夠捕獲到感興趣的事件。

　　示波器的存儲器可視為一個傳送帶。無論什么時候進(jìn)行新的采樣，采樣都會存儲到存儲器中。存儲器存滿時，最舊的采樣就會被刪除，以便保存最新采樣。當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時，示波器就會捕獲足夠的采樣，以將觸發(fā)事件存儲在存儲器要求的位置（通常是在中間），然后將這些數(shù)據(jù)顯示給用戶。

　　重復(fù)采樣模式與單次采樣模式

　　過去，最常見的示波器運(yùn)行模式是重復(fù)模式。這意味著一旦示波器觸發(fā)并將數(shù)據(jù)顯示給用戶，它將立即開始搜索下一個觸發(fā)事件。這就是示波器波形更新如此頻繁的原因。

　　任何一款示波器要想進(jìn)行觸發(fā)并將數(shù)據(jù)顯示給用戶，都需要時間來重新準(zhǔn)備觸發(fā)。這個時間也稱為“掛起時間”。在掛起時間內(nèi)，示波器不能捕獲任何波形。因此，掛起時間越短，錯失的事件越少。例如，如果有一個毛刺信號恰巧在掛起時間內(nèi)出現(xiàn)，那么它將不能在示波器的顯示屏上顯示。如果這個毛刺信號是一個罕見事件，則用戶可能認(rèn)為波形中沒有毛刺信號，而事實(shí)上它卻是存在的。因此，示波器的掛起時間越短，錯失波形中重要事件的幾率就越低。

　　表述此概念的另一種方法是“更新速率”，即每秒鐘的波形數(shù)量。例如，Agilent7000系列示波器具有100000波形/秒的更新速率。

　　單次采樣模式用于查找單一觸發(fā)，而不會繼續(xù)采集更多波形。因此，當(dāng)用戶想要查找某個事件，檢查導(dǎo)致該事件的原因和事件發(fā)生后所出現(xiàn)的問題時，便可使用單次采樣模式。這種模式對于分析不重復(fù)并且每次操作都會發(fā)生變化的波形尤其重要。

　　自動模式與觸發(fā)模式

　　如果沒有發(fā)生觸發(fā)事件，將會出現(xiàn)什么情況呢？這一個非常好的問題。在這種情況下，屏幕上的波形將不會更新。這不是我們想要的情況，因?yàn)橛脩艨赡懿恢廊绾胃淖冇|發(fā)來獲得屏幕上的波形。例如，如果探頭滑落，示波器將可能停止觸發(fā)。不過，如果屏幕不能更新，信號丟失將很不明顯。

　　為了解決這個問題，示波器擁有一個稱為“自動（Auto）”觸發(fā)的模式。在此模式下，如果在一段時間內(nèi)無法找到觸發(fā)，示波器將自動觸發(fā)以更新屏幕。通常，示波器上有一些指示器（例如前面板上的LED）來指示上一個觸發(fā)是真實(shí)觸發(fā)還是自動觸發(fā)。這樣，如果用戶看到“自動（Auto）”指示器，他們就會知道所設(shè)置的觸發(fā)沒有發(fā)生。例如，如果用戶設(shè)置的觸發(fā)為毛刺信號，他們將會知道示波器沒有檢測出毛刺信號。

　　然而，當(dāng)您回顧上一段的內(nèi)容時就會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自動觸發(fā)發(fā)生時，它就意味著每次觸發(fā)之后，示波器進(jìn)行重新準(zhǔn)備時具有掛起時間。為了完全避免這一時間，示波器應(yīng)改為“觸發(fā)（triggered）”模式。（這在某些示波器中稱為“正常”模式）。在“觸發(fā)（triggered）”模式中，除非發(fā)現(xiàn)觸發(fā)事件，否則示波器將不會進(jìn)行觸發(fā)。因此，如果用戶將觸發(fā)模式設(shè)置為毛刺信號并且示波器一直沒有進(jìn)行觸發(fā)，那么用戶就可以確信毛刺信號沒有發(fā)生（至少示波器能夠檢測出）。

普通觸發(fā)模式

邊沿觸發(fā)

　　邊沿觸發(fā)是所有觸發(fā)模式中最普通的一種觸發(fā)。它的使用如此頻繁的原因在于，所有波形都有邊沿，只要觸發(fā)電平設(shè)置正確，這種觸發(fā)模式就能正常工作。同時，這一優(yōu)勢也是其最大的劣勢，因?yàn)樗軐Υ蠖鄶?shù)波形非常頻繁地進(jìn)行觸發(fā)，所以它和自動觸發(fā)（Auto Trigger）非常相似。

毛刺信號/脈沖寬度/超時觸發(fā)

　　雖然許多問題只需使用邊沿觸發(fā)便可以輕松找出，但是有時工程師必須使用更復(fù)雜的觸發(fā)。其中，最簡單的觸發(fā)便是脈沖觸發(fā)。脈沖觸發(fā)被定義為一段高于（正脈沖）或者低于（負(fù)脈沖）某個閾值電平的時間。最常見的脈沖觸發(fā)是毛刺觸發(fā)，它常用于對小于最小寬度的脈沖進(jìn)行觸發(fā)。這是一個違反觸發(fā)的實(shí)例，因?yàn)槭静ㄆ鳠o論在何時觸發(fā)都會指示出一個問題。

　　具有最大時間值的脈寬觸發(fā)的一個令人困惑的方面是發(fā)生觸發(fā)的時間。在某些情況下，用戶可能想要在超過時間值時示波器立即進(jìn)行觸發(fā)。這稱為“超時”觸發(fā)，因?yàn)槭静ㄆ鞑⒉恍枨笠粋€完整的脈沖來進(jìn)行觸發(fā)。換句話說，即使不發(fā)生第二個跳變，超時觸發(fā)仍將進(jìn)行。

　　相反，我們所說的“脈沖”觸發(fā)只有等到第二個跳變出現(xiàn)后才會進(jìn)行觸發(fā)。也就是說，對于正脈沖來說，即使超過最大時間，也要一直等到下降沿才會發(fā)生觸發(fā)。這意味著時間限制點(diǎn)之后的觸發(fā)可以良好地進(jìn)行。因此，超時觸發(fā)的使用率比脈寬觸發(fā)高得多。由于這并不直觀，所以我們?yōu)橛脩籼峁┝藘煞N選擇，用戶可以使用超時觸發(fā)，也可以使用脈沖末端觸發(fā)。如果選擇超時選項(xiàng)，則此時的脈寬觸發(fā)將與超時觸發(fā)完全相同。

　　有關(guān)脈寬觸發(fā)的另一個令人費(fèi)解的地方是它們并不全是違反觸發(fā)。雖然毛刺信號很明顯是違反觸發(fā)，但長脈沖也可能是一個正常事件。因此，這取決于是否規(guī)定了脈沖寬度為違反觸發(fā)的一個條件。

上升時間和下降時間

　　違反觸發(fā)的下一種類型是上升時間觸發(fā)和下降時間觸發(fā)。它們可用于查找上升或下降太快或太慢的邊沿。此類觸發(fā)由兩個觸發(fā)電平（邏輯高和邏輯低）和信號在這兩個電平之間的最長時間和最短時間來定義。

　　上升時間觸發(fā)和下降時間觸發(fā)的一個令人困惑的方面是觸發(fā)電壓閾值并不依賴于自動測量電壓閾值。例如，測量出信號的上升時間并且期望上升時間觸發(fā)能夠在同一時間值上進(jìn)行觸發(fā)本來是非常正常的。但在許多情況下，測量閾值默認(rèn)為信號電壓范圍的10% 和 90%。因?yàn)橛|發(fā)閾值是獨(dú)立的，所以用戶很容易錯誤地設(shè)置不同的閾值，例如 5% 和 95%。在這種情況下，用戶可能會感到很困惑，因?yàn)闇y量顯示的是上升時間值，但是使用相同的時間值卻不能使示波器進(jìn)行觸發(fā)。

建立觸發(fā)與保持觸發(fā)

　　另一類違反觸發(fā)是建立觸發(fā)和保持觸發(fā)。當(dāng)然，這要求使用數(shù)據(jù)信號和時鐘信號。這種觸發(fā)還要求規(guī)定建立時間、保持時間或者兩者都要規(guī)定。當(dāng)檢測建立時間和保持時間違反觸發(fā)條件時，示波器將進(jìn)行觸發(fā)。

矮脈沖觸發(fā)

　　毛刺信號是一個非常窄的脈沖，而矮脈沖是一個非常矮的脈沖。矮脈沖是由三個電壓電平來定義的。如果一個信號通過兩個閾值（同一方向），然后又再次通過其中一個閾值而未通過第三個閾值，那么將出現(xiàn)矮脈沖觸發(fā)。例如，如果三個閾值為 1V、2V 和 3V，信號從 0V 向 2.3V 前進(jìn)，然后返回到 0V，這就是一個矮脈沖，因?yàn)樗仙龝r通過 1V、2V ，然后下降時又通過 2V。

　　這個觸發(fā)最令人困惑的地方是三個閾值電平的定義。通常，閾值電平定義為 10%、50% 和 90% 時恰好合適，但它不是直觀的，為什么需要三個閾值電平，而不是兩個閾值電平呢？

窗口觸發(fā)

　　窗口觸發(fā)（Window）是一種高級觸發(fā)，它使用兩個電壓閾值和兩個時間值。窗口觸發(fā)即是當(dāng)信號進(jìn)入或退出某個電壓范圍時進(jìn)行觸發(fā)。另外，時間也可以是一個范圍，因此可以指定信號在某個電壓范圍之內(nèi)（或之外）的最短時間和最長時間作為觸發(fā)條件。這為進(jìn)行各種不同的觸發(fā)提供了極大的靈活性。

序列觸發(fā)

　　序列觸發(fā)具有在示波器進(jìn)行觸發(fā)之前，首先查找一個事件，然后搜索另一個事件的能力。例如，序列觸發(fā)使用戶可以查找一個信號邊沿，該信號邊沿后緊隨另一個信號脈沖。

圖1. 序列觸發(fā)

　　所示的是 Agilent 90000 示波器的序列觸發(fā)實(shí)例。 注意，圖中所示的即是通道 2 上的脈沖如何緊隨通道 1 上的邊沿。

　圖1：序列觸發(fā)。

軟件觸發(fā)

　　示波器中最常見的觸發(fā)是硬件觸發(fā)。在這種情況下，因?yàn)閷τ|發(fā)進(jìn)行實(shí)時處理，所以即使是最罕見的觸發(fā)事件也可以被捕獲。然而，一些事件非常復(fù)雜，以至于硬件觸發(fā)無法捕獲。為了觸發(fā)這些事件，需要將軟件觸發(fā)（例如 Agilent Infiniuum 示波器上的 InfiniiScan）與硬件觸發(fā)一起使用。當(dāng)進(jìn)行硬件觸發(fā)時，軟件觸發(fā)將搜索捕獲到的事件跡線。如果找到此跡線，那么示波器就會進(jìn)行觸發(fā)。然而，盡管此類觸發(fā)功能很強(qiáng)大，但無法進(jìn)行實(shí)時觸發(fā)。對于頻繁發(fā)生的事件來說，這沒有什么問題，但對于罕見事件而言，這卻是一個巨大的缺陷。在這種情況下，軟件觸發(fā)將可能錯失大多數(shù)罕見事件實(shí)例，而示波器可能需要很長時間才能觸發(fā)。即使如此，讓示波器自動查找事件還是要好得多，盡管它要花費(fèi)幾分鐘的時間，但這總比找不到任何事件要強(qiáng)。

觸發(fā)策略

進(jìn)行觸發(fā)以顯示波形

　　迄今為止，這是最簡單的案例，因?yàn)樗褂玫氖亲詣佑|發(fā)。設(shè)置此觸發(fā)的最簡單的方法是輕松按下示波器前面板上的“Autoscale”按鈕。這是顯示示波器波形的最快速的方法。在許多情況下，這已足以使用戶了解之后出現(xiàn)的情況。

進(jìn)行觸發(fā)以調(diào)試模擬問題

　　如果簡單的觸發(fā)不能夠揭示問題，下一種方法是尋找簡單的模擬問題。這里嘗試的主要觸發(fā)模式是毛刺信號、矮脈沖、上升時間和下降時間。這些模式可揭示出大多數(shù)常見的模擬問題。另外，用戶還可以使用建立和保持觸發(fā)，以確保建立和保持觸發(fā)不是問題的根源。

　　在這種情況下，示波器應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)可重復(fù)模式來運(yùn)行。（對于大多數(shù)示波器來說，這簡稱為“Run”）。

　　某些模擬問題（例如非單調(diào)邊沿）只有使用軟件觸發(fā)才能夠檢測出來。在這種情況下，請確保將硬件觸發(fā)和軟件觸發(fā)設(shè)置為相同的邊沿和斜率。這是一個很常見的問題，它使用戶誤以為沒有觸發(fā)發(fā)生，實(shí)際上是由于硬件觸發(fā)設(shè)置不正確造成的。

　　如果您注意到波形在示波器上顯示時間非常短，您可以使用軟件觸發(fā)中的區(qū)域觸發(fā)對其進(jìn)行觸發(fā)。區(qū)域觸發(fā)允許我們將一部分格子線指定為“必須交叉”的區(qū)域，只有波形穿過那個區(qū)域，示波器才會進(jìn)行觸發(fā)?；蛘?，此區(qū)域也可以設(shè)置為“不得交叉”，以便過濾出您不想看到的波形。

　　在這種情況下，將示波器設(shè)置為觸發(fā)模式是非常明智的，如此一來，在沒有發(fā)現(xiàn)事件時，示波器就不會進(jìn)行觸發(fā)。這也意味著這個特殊問題并未發(fā)生，并且可在問題的根源中排除這個問題。因此，這是一個排除問題的過程。

進(jìn)行觸發(fā)以調(diào)試軟件或 FPGA 問題

　　在前兩種情況下，示波器是根據(jù)某個特定的模擬問題進(jìn)行觸發(fā)。但是，在許多情況（例如軟件或 FPGA 問題）下，我們的目標(biāo)并不是對問題進(jìn)行觸發(fā)，而僅僅是想通過對波形的跟蹤來嘗試著找出邏輯問題，而不是模擬問題。

　　在這種情況下，將示波器設(shè)置為使用深存儲器和單次模式運(yùn)行非常重要。（對于安捷倫示波器來說，這是“Single”按鈕，而非“Run”按鈕）。深存儲器為您提供最大數(shù)量的波形，這些波形還可以為您提供捕獲問題的最佳時機(jī)。對于大多數(shù)示波器來說，無論“Time per Division”旋鈕何時改變，存儲器深度都可進(jìn)行自動設(shè)置，此外，存儲器深度也可手動設(shè)置。對于 Agilent Infiniium 示波器來說，此設(shè)置在“Acquisition”菜單中完成。

　　觸發(fā)事件應(yīng)設(shè)置為在感興趣區(qū)域的某個地方發(fā)生的已知事件。最常見的選項(xiàng)是脈沖、數(shù)字碼型和串行觸發(fā)。脈沖觸發(fā)是最簡單的觸發(fā)，因?yàn)樗恍柚付}沖長度。碼型觸發(fā)和串行觸發(fā)非常特殊，因?yàn)樗鼈冎С钟脩糁付ㄌ囟ㄖ?。例如，常見串行觸發(fā)是對一個特定地址執(zhí)行寫操作。一旦找到感興趣的事件，那么跟蹤此跡線就會找到問題的根源。對于串行總線來說，啟動數(shù)據(jù)的串行解碼功能非常有用。這樣不僅可以顯示模擬波形，還可將波形轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)包，從而使通過數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤變得非常容易。

總結(jié)

　　觸發(fā)是一個非常強(qiáng)大的示波器特性，但是通常用戶必須不能僅限于了解簡單的邊沿觸發(fā)。其關(guān)鍵是了解用戶是否正在尋找模擬問題或者正在跟蹤一個邏輯問題。示波器在這兩方面都可提供出色的功能，但這取決于用戶使用正確的策略。