示波器的触发原理和触发模式

在电子行业中，不论研发、测试还是生产环节，都随处可见示波器的踪影。这是因为， “毛刺”、“欠压”、“错码”等曾经令人苦恼万分的这些问题，示波器统统迎刃而解。

触发通常是示波器被了解得最少的功能，但该功能是您应了解的最重要功能之一。

示波器触发功能决定示波器捕获目标信号的难易程度。

数字示波器拥有非常丰富的触发功能，触发的作用是捕获所需要且稳定的信号波形，设置波形的时间零点。

如果示波器没有触发，示波器可能采集到波形的任何一段时间位置，下一个波形又可能采集到另外一个位置，这样波形显示就是不稳定的。

这是一张数字示波器的内部结构图，整个硬件架构分为四部分：

示波器的模拟前端部分，主要有衰减器和放大器组成；衰减器的作用是当调节衰减比可以测试电压幅度较大的信号，当衰减比较小或者0db衰减，通过放大器的放大作用可以测试小幅度的信号，经过模拟前端后，信号被调节到合适的幅度，就可以较为理想被ADC进行模数转换，放大器的另外两个作用是垂直偏置和提供匹配电路驱动ADC和触发电路。

在示波器上进行任何测量之前，必须先设置示波器垂直和水平控制，以在示波器显示屏上以适当的刻度显示波形。主要控制包括垂直刻度调整控制、水平刻度调整控制和触发电平控制旋钮。

示波器触发的波形是这样一种波形：每次满足特定的触发条件时，示波器会在其中开始追踪 （显示）波形，从显示屏左侧到右侧。这将提供周期性信号（如正弦波和方波）以及非周期性信号（如串行数据流）的稳定显示。

下图显示采集存储器的概念演示。为便于理解触发事件，可将采集存储器分为预触发和后触发缓冲器。触发事件在采集存储器中的位置是由时间参考点点和延迟（水平位置）设置定义的。

“等效时间采样示波器和实时采样示波器有着不同的触发要求，以及不同的输入波形采样方式。 ”

即使用者设定一个条件，当被测信号满足该条件的时候，示波器被激励而捕获当前的波形。

为什么触发能帮助我们，找到感兴趣的信号或是电路中的问题呢？

下面我们以边沿触发为例，来讲解一下该过程。

我们可以将触发的概念换作这样一种描述：触发是指当某一个“已知”的“事件”到来时，示波器进行相应的“动作”。这样一来，我们感兴趣的信号信息就被示波器捕获住了。

这里有两点是我们需要注意的：

1 “事件”必须是事先指定的，即我们已经知道它的某些特征（我们感兴趣的信号信息）。

2“动作”并不意味着开始采集波形，其实在触发事件发生之前，示波器也在采集波形。这也是为什么我们在示波器上看到的触发位置，通常 是在屏幕的中心位置，即触发前后各有一半信号的原因。所以说，我们结合触发前的这部分信息（预触发信息），就能方便地分析出触发位置的错误是如何产生的。

为了交流的方便，很多时候，我们会把触发中需要设定的事件称为“触发条件”，而把示波器相应的动作称为“触发模式”。

示波器的入门可谓十分轻松，每一位刚接触示波器的初学者，都可以用Auto Scale（自动定标）功能轻易地捕捉到波形。

数字示波器拥有非常丰富的触发功能，触发的作用是捕获所需要且稳定的信号波形，设置波形的时间零点。

示波器触发的作用

信号进入示波器后经过放大后分成两路，一路通过ADC采样 另一路送给触发电路，触发电路实时监控输入信号并判断是否满足预先触发条件。触发电路决定了示波器何时开始采集波形，何时停止采集波形。可以用于异常信号捕获和电路故障调试。

简单边沿触发器的工作原理如下图所示，首先预设一个触发电平，触发信号与触发电平比较，当触发信号穿越触发电平后，电压比较器立即产生一个快沿触发脉冲，去驱动下一级硬件，这样即可进行边沿触发。

像最常用的 Auto Scale 所用的是最基础的“边沿触发”。但是对信号有一定要求，当信号不满足要求或想要捕获波形中的“毛刺”“欠压”“错码”等信息时，用Auto Scale就无能为力。此时，需要用到其他的“高级”触发模式。

在触发设置中有一个功能是设置触发释抑时间，释抑时间是指示波器重新启用触发电路所等待的时间。在释抑期间，将触发电路封闭，触发功能暂停，在释抑时间期间，即使有满足触发条件的波形，示波器也不会触发。

　　触发释抑功能主要是针对大周期重复而在大周期内有很多满足触发条件的不重复的波形点而专门设置的，如果不采用释抑功能，触发点不固定，会造成显示不稳定。示波器采用触发释抑功能后，在示波器第一次触发之后，必须在经过触发释抑（Hold Off）时间才能够进行第二次触发。

在上图中，我们展示了三个示波器触发示例。

在左侧的屏幕截图中，示波器的触发电平设置在波形之上。在此情况下，输入信号在任何方向上都不通过触发阈值级别。使用示波器的“自动”触发模式，示波器将获取输入信号的异步图形，显示出不稳定的波形。这实际上是未触发的一个示例。

使用“自动”触发模式时，如果在指定的超时时段之后，没有发生真实触发事件，示波器将生成“自动”异步触发。尽管波形并未同步且显示不稳定，但至少我们可以看到波形是如何在垂直方向进行刻度调整的。如果使用了示波器的“正常”触发模式，且触发电平设置高于波形，则示波器不会获取任何图形，因而不会看到任何波形 – 无论是稳定还是不稳定。

在中间的屏幕截图中，示波器设置为触发输入信号的上升边沿，触发电平设置为 50% 电平左右。在此情况下，我们可以在屏幕正中看到输入信号的上升边沿。这是示波器的默认触发位置。

在右侧的屏幕截图中，示波器设置为触发输入信号的下降边沿，触发电平设置为较高电平 (+2.0 V)，接近波形的正峰值。现在我们可以在屏幕正中看到输入信号的下降边沿。这同样是触发点。

尽管所有数字示波器的默认触发位置都为屏幕中间（水平），但您可以通过调整水平延时旋钮 – 有时也称为水平位置旋钮，将触发位置重新指定为左或右。采用早期技术的模拟示波器只能在屏幕左侧触发。这表示模拟示波器只能显示触发事件发生后的波形部分 – 有时称作“正时间数据”。但 DSO 能够显示触发事件之前（负时间或预触发数据）和之后（正时间数据）的波形部分。观察预触发数据对于分析可能会导致特定错误触发条件的波形数据非常有用。

尽管分配的大多数在校电子工程和物理实验都主要使用简单的上升或下降边沿触发，但如今某些较高级的示波器提供更为高级的触发模式，以同步较复杂信号的采集（波形图形获取）。

在此特定实验中，我们展示一个复杂的 I2C 串行总线时钟和数据信号。触发一个唯一的串行总线条件（如对特定地址执行写操作）需要 I2C 触发。简单的边沿触发只能触发随机边沿交叉。

•简单触发 -Edge、Glitch、Pulse Width、Runt…

•高级触发 -Pattern、Setup/Hold…

•协议触发 -I2C、SPI、USB2.0…

•软件触发 -Zone Qualify、Serial、Measurement…

如果波形捕获率足够快，捕获到了罕见事件，那么下一步就是将它们隔离。由于需要采取多个步骤进行处理、计算和猜测，因此隔离这些罕见的事件可能有一点麻烦。

使用 Keysight InfiniiVision X 系列示波器的话，您只需在示波器屏幕上用手指划出一个区域即可隔离信号事件。然后，您需要选择是否让信号与这个区域相交。通过这种方式，您可以设置在罕见或复杂的事件上触发。

您还可以使用区域触发功能来隔离串行总线的各个部分。

例如，如果您看到许多 CAN 总线错误，您可以在错误的信号上画一个方框，选择必须相交， 从而把错误信号隔离出来。

对于波形捕获率较低的示波器，您甚至可能看不到需要隔离的毛刺。如果您有幸看到罕见事件，那么只有使用复杂的高级触发才能隔离这些事件。大多数高级触发都需要在一定程度上知道您正在测试的信号和信号的形状、参数质量以及如何正确设置示波器以便进行捕获该信号。然而，在大多数情况下，要掌握毛刺信息以便设置正确的复杂高级触发可能非常困难甚至几乎没有可能。

是德科技示波器的区域触发功能是一种“傻瓜型”系统，可以快速隔离设计中的疑难信号。而波形捕获率较低的示波器没有区域触发功能。

除了简化区域触发之外，Keysight InfiniiVision 示波器还能以更高的时序准确性和低得多的触发抖动来定位触发点。这意味着触发点的不确定度会下降。这一点适用于示波器的所有触发功能， 包括简单易用的区域触控、脉宽触发、上升/下降时间触发和矮脉冲触发。

例如，如果您想要同步示波器的采集并显示复杂脉冲流中的脉冲，那么可以使用时间限定的脉宽触发条件。这样的话，您可以对特定脉冲执行关键时序测量。

如果您在普通示波器和Keysight InfiniiVision 示波器上都设置了这种类型的触发，是德科技示波器会将触发点精确放置在指定的触发参考位置。普通示波器系列则会将触发点放置在指定触发点之前400 ps 处。在这个示例中，它将触发点放置到边缘后的纹波上，而不是放置在上升边缘上。

如果要从这个触发点进行测量，您使用的是错误波形部分的数据。您可以在下图中观察到这种偏斜。

在使用高级参数触发时，Keysight InfiniiVision 示波器将触发点将触发点准确地放置在屏幕中心。

如需测试高速信号，请选择具有准确触发功能和真正高速波形捕获率的示波器。

选择正确的示波器触发方式，可保证测量时波形稳定显示。

是德科技示波器触发源有内触发源和外触发源两种。

内触发就是用被测信号做触发信号，外触发是外部输入触发信号，此时，内触发旋钮不起作用。

如果选择外触发源，那么触发信号应从外触发源输入端输入，家电维修中很少采用这种方式。

如果选择内触发源，一般选择通道1（CH1）或通道2（CH2），应根据输入信号通道选择，如果输入信号通道选择为通道1，则内触发源也应选择通道1.

示波器的11种触发类型：边沿、依次按边沿、脉冲宽度、码型、OR、上升 / 下降时间、第 N 个边沿猝发、矮脉冲、设置和保持、视频、NFC 和区域。

Auto Scale所用的是最基础的“边沿触发”，它可捕获 25 Hz 以上频率、大于 0.5% 的占空比和大于 10 mV 峰峰值电压幅度的重复波形。当信号不满足上述要求或想要捕获波形中的“毛刺”“欠压”“错码”等信息时，用 Auto Scale 就无能为力。此时，需要用到其他的“高级”触发模式。是德科技的示波器有诸多触发类型可供用户选择，下面将以MSOX4154A 示波器为例进行介绍。MSOX4154A 示波器一共有11类触发：边沿触发、依次按边沿触发、脉冲宽度触发、码型触发、或触发、上升/下降时间触发、第N个边沿触发、矮脉冲触发、建立和保持触发、视频触发、串行总线触发。

1. 边沿触发

入门级的 Auto Scale 所采用的“边沿触发”，通过查找波形上的指定沿（上升沿或下降沿等）和电压电平来识别触发。比如向示波器通道1输入一个正弦波串，希望在波形的上升沿触发。利用“边沿触发”，选择触发源为通道1；选择斜率为上升沿；并调整Trigger Level（触发电平）。如 图，

图 边沿触发

“边沿触发”可以捕获到被测信号电平开始变化时候的波形，那么如何捕获一段信号结束时候（如 图）的波形呢？例如，您想观察电源关断输出瞬间的波形变化。“边沿触发”显然是无法完成这项工作的。这时需要用到“码型触发”。我们只需要设置触发条件为波形停止（码型为0）1.06ms 后（时间限定超时>1.06ms）触发，就可以成功捕获该波形：

图 码型触发当我们获得了如图的长波形，发现其中有很多幅度异常的波峰，想要抓取这些幅度异常的波形，就需要用到“矮脉冲触发”。

图例如晶振厂家，在验证晶振频率的同时，还需要关注其电平信号大小，是否准确。 如上图所示是一个晶振生成的的几个脉冲串。如图 ，在途中红色圈中电平值明显与信号标准电平不同，我们需要关注哪些信号？不同的电平持续时间又是怎样的？这些问题可以交给“矮脉冲触发”来完成。“矮脉冲触发”可以捕获到该“欠幅”的波形，在此基础上再调整“限定符”，可以分别捕获到脉宽不同的“欠幅”波形，如图 图

图 矮脉冲触发

图 矮脉冲触发 限定符

图 矮脉冲触发 限定符>387ns

下面我们来看下违规测试，这就涉及了另一种触发模式“建立和保持时间”。

首先我们要明确什么建立时间和保持时间。数据从一个器件传递到另一个器件时通常使用时钟信号进行同步。而数据信号在时钟信号出现前必须要保持稳定一段时间，这样是为了确保时钟采样稳定、准确、可靠,这段时间是必要的建立时间（setup time）。另外，数据信号还需要在时钟沿出现后保持一定的时间,这个时间称之为保持时间（hold time）。 我们知道了这两个时间的概念后,在理解建立和保持时间触发就容易多了。

对于同步时钟与信号之间的建立时间和保持时间，不满足条件的区域我们称为违规区域，如何捕捉到这些违规信号呢？对于示波器来说这是个简单的事情：借助触发功能，设置相应的建立时间、保持时间，完成违规捕获任务。

是德科技的示波器内置的“建立和保持触发”可以轻松得到建立时间和保持时间的容限。如图，示波器成功捕获到了建立时间

图 建立和保持触发

如果在做抽样检测时， 质检员想随机排查产品故障，特别是当某一信号条件达成后，延迟一段时间后的某一边沿的波形，就可以用到“依次按边沿触发”，如图，当ch1的脉冲上升沿来到后，示波器成功捕获到了延迟 4ns 后 ch2 中满足 Trigger Level 的第四个上升沿的波形。

图 依次按边沿触发

和“依次按边沿触发”类似的，还有“第N个边沿触发”，可以捕获到当信号闲置一段时间后的波形，如图，示波器成功捕获了信号中时间超过 4us 后的满足 Trigger Level 的第 2 个上升沿。 示波器的这种边沿触发在实际工作中发挥着巨大的作用，快速准确发现问题。

图 第N个边沿触发

除此之外，是德科技 MSOX4154A 示波器还支持“视频触发”和“串行总线触发”。

“视频触发”适用于 NTSC 和 PAL 标准的、以视频 IRE 单位进行的光标测量。通过DSOX4VID 选件，将提供多种 HDTV 触发标准，例如480p/60、567p/50、720p/50、720p/60、1080i/50、1080i/、1080p/24、1080p/25、1080p/30、1080p/50、1080p/60等。

“串行总线触发”的选件非常丰富。您可以根据测试需求选择I2C、SPI或RS232或CAN、LIN等等触发和解码功能。

以上触发都需要设置条件，操作人员需要了解波形特征、熟悉示波器的菜单。因此，对示波器新手是一项挑战。有没有一种更快、更便捷的触发呢？用那句形象的广告语“哪里不会点哪里”，而我们的示波器可以让你 “哪里不对点哪里”。InfiniiScan Zone 触摸触发提供了完整的触发解决方案。您只需在屏幕上观察感兴趣的信号并在它周围绘制一个区域 (方框)。过去需要几个小时才能完成的工作现在只需要短短几秒钟。如果您想把区域移动到其它位置，只需将它们拖放到目的地即可。4000 X和3000T 系列经过简单设置后，可以在任何一个区域必须交叉或不得交叉的条件下，在一个或两个区域方框上同时触发。InfiniiScan Zone 触发不会影响波形捕获率；即便启用更多的特性，4000X和3000T系列仍将保持每秒 200,000 个波形以上的超快捕获率。换句话说，示波器可以轻松地在任何事件上进行触发，查看信号的所有细节。

有了如此多种多样的触发种类，是不是所有信号中的偶发问题信号都能被示波器捕获到呢？

很遗憾，答案是否定的。

那么为何捕获不到？

请看下文分解：

在调试新设计时，波形和解码更新速率极为重要，尤其是当您尝试找出并调试偶发问题时，这是最难解决的问题。更快的波形和解码更新速率可提高示波器捕获偶发事件的几率。要知道这是为什么，首先您必须了解什么是示波器的"死区时间"(有时也称为"盲区时间")。如下图所示，所有示波器都具有"死区时间"，即指示波器两次采集(即示波器处理上一个捕获波形，并将其显示在示波器显示屏上)的间隔时间。在此处理过程中或死区时间内，示波器基本上"无视"您正在调试的设计中出现的任何信号活动。请注意，图中突出显示的毛刺发生在示波器的死区时间内。在两次示波器采集周期之后，这些毛刺将不会在示波器屏幕上显示。

示波器死区时间和显示采集时间

当您知道设备的更新速率时，可轻松确定示波器的死区时间百分比。示波器的死区时间百分比等于示波器采集周期时间减去屏幕上采集时间得出的值，再除以示波器采集周期时间的比率。示波器的采集周期时间是示波器波形捕获率的倒数，必须根据所用的特定设置条件进行测量。以下方程总结了示波器的死区时间百分比的计算方法:

% DT = 示波器的死区时间百分比= 100 x [(1/U) – W]/(1/U)= 100 x (1 – UW)

其中U = 示波器的捕获率W = 显示采集窗口 =时基设置x 10

由公式可见，示波器的捕获率 U和 显示采集窗口 W 直接影响了示波器的死区时间，从而直接影响示波器是否可以抓取到更多的“不良”信号。

示波器的显示采集窗口各个厂家都相差不多，所以示波器的捕获率成了决定示波器捕获“不良”信号能力的根本因素。