示波器的数字触发技术（上）

图 1：采用模拟触发单元的数字示波器的简化方框图

输入放大器用于调节被测信号，以便将被测信号的幅度调整到 A/D 转换器的工作范围，并适合示波器显示。调节后的信号经放大器输出，并行传递到 A/D 转换器和触发系统。A/D 转换器在一条路径上对测量信号进行采样和量化，数字化的样本值被写入采集存储器。触发系统在另一条路径上将该信号与有效触发条件（例如，采用“边沿”触发的触发电平）进行比较。

当有效触发条件满足时，开始记录 A/D 转换器样本，采集的波形被进一步处理和显示。图 2 举例显示采集样点和显示的波形。A/D 转换的数字化样本点在图中以圆圈标注。本例中使用具有正斜率的触发事件“边沿”。被测信号跨越触发电平产生有效触发事件。

图 2：具有 A/D 转换器样本点和触发点的测量信号举例

1.3 模拟触发器的缺点

为了在示波器网格上精确显示信号，需要对触发点进行精确定时。如果触发时间测定不准确，显示的波形就不能与图中的触发点交叉（触发电平和触发位置的交叉点）。相关案例参阅图 3。

图 3：显示的波形和实际触发位置不符的例子

下述原因会引起触发位置失准：

1.对触发边沿的测量不准确

在触发系统中，被测信号经比较器与触发门限进行比较，需要非常精确地测量比较器输出的边沿定时。为此，需要应用时间数字转换器 （Time-to-Digital-Converter，TDC）。TDC 不准确会导致个别显示波形相对触发点偏移。TDC 误差的随机分量会导致在每个触发事件上改变这个偏移量，从而导致触发抖动。 [p]

2.被测信号两条路径中的系统误差源

处理被测信号经过两条不同路径---使用 A/D 转换器的采集路径和触发电路路径（参阅图 1）。两条路径包括不同的线性和非线性失真，这些失真引起显示的信号和确定的触发点之间的系统性偏差。最糟糕情况是，触发电路或许不响应有效触发电平（尽管这些触发电平可以在显示器上看到），或者触发电路对触发事件做出响应，而这些触发事件事实上不能被采集路径捕获和显示。

3.两条信号路径中的信号噪声源

经过A/D 转换器和经过模拟触发系统的两条路径上包括具有不同噪声源的多个放大器。这也将导致在示波器屏幕上作为触发位置偏移（触发抖动）出现的延迟和幅度变异。触发抖动，作为叠加的信号轨迹的宽度和高度，显示在图 4 右图区域。图 4 的左图显示相对于理想触发点，表现为随机垂直和水平偏移的触发抖动。

图 5：采用数字方式实现触发功能的数字示波器方框图

与模拟触发不同，数字触发系统直接针对A/D 转换器的样本工作，被测信号不会被分成两个不同的路径上，因此，数字触发处理的是和采集、显示相同的信号。在第 1-3 节讨论的模拟触发系统误差已在原理上消除。

数字触发技术使用数字信号处理方法进行触发点测定，以精确的算法检测有效触发事件并精确测量时间戳。

数字触发技术面临的挑战是对测量信号无缝监测的实时信号处理能力。R&S数字触发器基于 10 GS/s 的 A/D 转换器工作，因此必须处理 80Gbit/s 数据（8 位 A/D 转换器）。

由于数字触发技术使用与采集单元相同的数字化数据，因此要切记其只对模数转换器范围内的信号触发。

2.2 采用数字触发技术检测触发事件

对于选定的触发事件，首先，比较器将测量信号与规定的触发门限进行对比。在最简单的“边沿”触发时，当信号在要求的方向上（下降或上升）跨越触发门限时，触发事件被检测到。

在数字系统中，信号由样本表示。采样理论规定采样率至少是最大信号频率的两倍。只有在这样的条件下信号才有可能被完整重建。

从图 2 和图 3 可以看到，仅观察 A/D 转换器样本并不足以看到所有信号细节。这种情况同样适用于数字触发器：纯粹根据 A/D 转换器样本的触发决策是不充分的，因为跨越触发门限有可能被漏掉。因此，通过使用内插算法上调采样信号采样率到 20Gs/s，可以增加定时分辨率（参阅图 6）。在内插器后面，比较器将样本值与规定的触发门限进行比对。如果检测到触发电平，比较器即改变输出电平。

图 6：在数字触发系统中通过“up-sampling”方法增加采样率

图 7 通过采用up sampling方法将采样分辨率提高1倍，信号中的“盲”区缩小。左侧波形样本不含过冲。高于 A/D 转换器样本的触发门限无法检测过冲。右侧通过内插将波形采样率实现翻倍，便有可能实现过冲触发。

图 7：增加采样分辨率限制盲触发区域举例

此例中波形最大频率为 3.5GHz。该例表明 R&S的数字触发系统基于 10Gsample/s A/D 转换器速率也能够可靠检测出的更高频率分量信号。

2.3 用数字触发系统确定触发定时

在任意时间点有效重建测量信号的关键要求是满足采样定理（奈奎斯特准则）。R&S示波器使用多相滤波器，这些滤波器能够在任何定时点，以大于 90dB 的信噪比 （SNR） 计算出测量信号。使用精度为 250fs 的迭代方法，实时计算出测量信号和触发门限的交叉点。

某些诸如“毛刺”或“脉冲宽度”类触发事件以定时条件为基础，实时确定门限中的交叉点一样，支持对这类事件非常精确的触发。RTO能够以 1ps 分辨率建立触发事件定时，指定的最窄可检测脉冲宽度为 50ps。