Что такое триггер осциллографа? Почему он настолько критичен для измерений

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру осциллографов на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования  

Практическое применение

ВЫБОР Осциллографа: ПОЧЕМУ ВАЖЕН ЦИФРОВОЙ ЗАПУСК на событие vs аналоговый запуск

Продукты:

1. Общие сведения

Триггер осциллографа определяет точный момент времени, когда этот прибор фиксирует критически важные события, представляющие интерес. Запуск на событие часто упускается из виду как ключевой параметр выбора осциллографа до тех пор, пока прибор не будет приобретён. Осциллографы с превосходными параметрами запуска и функциональностью дают инженерам и разработчикам большое преимущество в виде быстрой и эффективной отладке и тестировании электронного и электротехнического оборудования. Превосходная система запуска способна сэкономить массу времени посредством  изолирования трудно обнаруживаемых событий, что позволяет инженерам реализовывать проекты более качественно и точно.

Инженеры обращают самое пристальное внимание и сравнивают характеристики важнейших спецификаций осциллографов, такие как полоса пропускания, длина записи и частота дискретизации. Сравнительная оценка точности и качества активации триггеров может оказаться куда как более труднодостижимой. Традиционный запуск осциллографа на предопределённое событие основан на аналоговой схеме, в которой сигнал сегментируется на тракт содержащихся в нём данных и отдельный тракт для запуска развёртки. Современные архитектуры осциллографов содержат один тракт, общий как для сигнала, так и для запуска. Такого рода одно трактовый подход именуется цифровым запуском. Цифровой триггер обладает множеством преимуществ по сравнению с давно применяемыми алгоритмами аналогового триггера.

Настоящая статья предполагает:

1. Толкование аналоговых и цифровых архитектур запуска.

2. Преимущества триггера с цифровым запуском

3. Как определить событие цифрового или аналогового триггера

2. История технологии цифрового запуска

Справедливости ради следует отметить, что именно компания Rohde & Schwarz в недавнем прошлом запатентовала первый вариант цифрового запуска осциллографа на событие и впервые применила его у своих моделей R&S®RTO1000. Цифровой запуск стал критически важной функцией в новых семействах осциллографов R&S, включая все модели серий R&S®MXO, RTE, RTO2000 и RTO6, а также моделей серийного ряда RTP. На мировом рынке контрольно-измерительного оборудования подавляющее большинство реализуемых осциллографов задействуют исключительно аналоговые триггеры. Тем не менее, известнейшие бренды- производители осциллографов, помимо R&S, сумели (и с успехом) продемонстрировать некоторые свои модели, включающие в себя определённые цифровые элементы запуска.

3. Цифровые и аналоговые архитектуры

Осциллографы с аналоговой архитектурой запуска сегментируют входящий сигнал на тракты данных и отдельный тракт для активации запуска. Схема триггера выделена в отдельную составляющую от тракта данных. Пользователи не имеют возможности видеть сигнал запуска на дисплее осциллографа. Схема аналогового триггера осуществляет оценку захваченного сигнала. Следует отметить, что осциллографы могут включать в себя некоторые дополнительные второстепенные фильтры на тракте запуска, как например, фильтр ВЧ для устранения шумов на этом тракте. Фильтры, задействованные на трассе запуска, обладают отличиями от более широкого и более функционального набора фильтров, задействуемых в режиме постобработки данных, которые, тем не менее, можно применять на пути сигнала. Схема аналогового триггера может быть реализована в виде ASIC (Интегральная схема специального назначения) или FPGA (устройство программируемой логики) или в виде отдельных готовых компонентов.

Рисунок 2. Функционал цифровой схемы в сравнении с функционалом аналоговой схемы.

В осциллографах с архитектурой цифрового запуска тракт сигнала и тракт запуска одинаковы. События запуска активируются после АЦП. В этом случае пользователи уже могут видеть сигнал запуска на экране осциллографа, поскольку этот сигнал совпадает с сигналом тракта передачи данных. Фильтры после сбора данных, как то интерполяция, полосовая фильтрация и извлечение сигнала, могут быть задействованы в реальном времени ещё до того, как осциллограф оценит условие запуска.

Рис. 3. У осциллографов серии R&S®MXO 4 ASIC R&S®MXO-EP (Extreme Performance) присутствует специальный блок цифрового запуска. 28-нм CMOS ASIC, имеющий более 36 миллионов транзисторов и способный обрабатывать 200 Гбит/с.

4. Преимущества режима цифрового запуска

4.1 Повышенная чувствительность триггера

Чувствительность запуска осциллографа определяется минимальной амплитудой сигнала, определяющей правильность этого запуска. В зависимости от моделей осциллографов на их дисплее присутствуют маркеры сетки, которые разделяют экран по вертикали на 8 или 10 делений. В технических спецификациях осциллографов указано количество делений по вертикали, которые указываю на амплитуду сигнала, чтобы схема запуска могла гарантировать правильную идентификацию этого события.

Таким образом, для осциллографов с установленной  чувствительностью запуска 1 деление по вертикали при установленном значении 100 мВ/деление, сигнал запуска, такой как фронт, должен иметь амплитуду не менее 100 мВ, чтобы гарантированно активировать должный запуск развёртки осциллографа. На осциллографах с 8 делениями по вертикали одно деление составляет 12,5% от вертикальной шкалы полного экрана, поэтому 1 деление будет соответствовать амплитуде 125 мВ. На некоторых моделях осциллографов чувствительность запуска не является единственной характеристикой, а зависит как от масштаба по вертикали (В/дел), так и от полосы пропускания и режима триггера.

Рис. 5. Режим цифрового триггера осциллографов обеспечивает самую высокую в мире чувствительность запуска такого рода приборов, составляющую всего 0,0001 деления. Это позволяет одновременно игнорировать на экране прибора события, обладающие очень малой амплитудой по сравнению с большей амплитудой сигнала.

4.2 Управление гистерезисом со стороны пользователя

Пользователи определяют порог запуска триггера и могут контролировать его значение через вращение соответствующей ручки или устанавливая уровень срабатывания в диалоговом окне. Когда сигнал проходит выставленный порог, то он обязательно должен превысить пороговый уровень на определенную амплитуду, чтобы осциллограф зафиксировал это изменение как событие запуска. Гистерезис триггера — это дополнительная величина амплитуды, превышающая указанный порог триггера.

Рисунок 6. Все настройки осциллографа имеют предельную величину настройки, которая сегментирует низкий уровень триггера от высокого. Для таких режимов запуска, как фронт, гистерезис определяет минимальную амплитуду, которую должен перейти сигнал, чтобы его можно было распознать как событие запуска. Гистерезис полезен для обеспечения того, чтобы осциллограф не сработал как по шумам среды измерений, так и по шуму самого  сигнала.

Для осциллографов с аналоговым триггером гистерезис устанавливается производителем по умолчанию и не регулируется пользователем, либо, как вариант, может быть настроен на несколько предустановленных значений. Для более современных осциллографов с цифровыми триггерами амплитуда гистерезиса может автоматически устанавливаться параллельно с настройками, идентичными настройкам их аналоговых собратьев. Кроме того, величины гистерезиса цифрового триггера корректируются в соответствии с конкретными относительными и/или абсолютными значениями, настраиваемыми пользователем. Регулируемый пользователем гистерезис позволяет устанавливать высокие значения, чтобы исключить ложные срабатывания из-за шума, или устанавливать низкие значения для запуска при едва заметных изменениях амплитуды сигнала.

Рис. 7. С помощью цифрового триггера пользователи имеют возможность регулировать гистерезис как относительное или абсолютное значение. Такая гибкость позволяет запускать развёртку на различные участки сигнала, которые аналоговые триггеры не могут легко игнорировать.

 

4.3 Расширенный диапазон фильтров

Все осциллографы, присутствующие на мировом рынке, обычно обладают различными фильтрами для анализа сигналов. В качестве примера можно привести фильтры ограничения полосы пропускания. Такие фильтры могут быть реализованы на аналоговом измерительном оборудовании с использованием алгоритмов DSP (обычно в FPGA) или на уровне программного обеспечения. В осциллографах с аналоговой архитектурой триггера фильтры сигнального тракта не распознаются схемой триггера. В осциллографах с архитектурой цифрового запуска фильтры можно применять либо в отношении к цифровому триггеру, либо к сигналу для просмотра данных и их анализа, либо к обоим вариантам. Преимущество состоит в том, что то, что видно на осциллографе, идентично тому, что распознаёт триггер.

Рисунок 8. Осциллографы с аналоговыми триггерами применяются для извлечения только отображаемого сигнала, а не к триггеру. В осциллографе R&S RTP извлечение в реальном времени применяется перед запуском, что позволяет запускать тот же извлечённый сигнал, который пользователи видят на экране осциллографа.

4.4 Режим HD в применении  к триггеру

Для сигналов малой амплитуды шумы осциллографа подставляют серьёзную опасность, т.к. они могут маскировать такой сигнал как для анализа, так и для запуска развёртки. Осциллограф не способен осуществить запуск по малому сигналу, амплитуда которого скрыта шумами измерительной системы прибора. Большинство осциллографов обладают режимом сбора данных, который позволяет установить компромисс между полосой пропускания и разрешением по вертикали. Общие названия этого режима упоминаются как режим высокого разрешения, eRes или HD. Для высокого разрешения (HD) подвижной фильтр усредняет параллельные выборки, тем самым, понижая эффективную частоту дискретизации, но увеличивая разрешение по вертикали. Для осциллографов с аналоговым запуском HD применяется исключительно к тракту сигнала, а не к тракту запуска.

Для осциллографов с цифровым запуском, режим HD (высокое разрешение или чёткость) устанавливает аналогичный компромисс между полосой пропускания и разрешением по вертикали за счёт применения фильтра на основе DSP. Режим HD способен гарантировать разрешение триггера до 18 бит, кроме того, имеет дополнительную ценность в виде подавления шумов как результат  уменьшения полосы пропускания. Этот метод значительно понижает шумы измерения системы и повышает чувствительность триггера до большей величины, что описано выше. Режим HD можно применять уже на частоте 1 кГц с увеличенным разрешением запуска до 18 бит.

Рис. 9. В отличие от осциллографов с аналоговым запуском, архитектура цифрового запуска R&S позволяет применять режим HD в реальном времени как к просматриваемому сигналу, так и к триггеру.

4.5 Интерполяция

Поскольку аналоговые архитектуры разделяют часть сигнала для создания тракта запуска, то путь запуска имеет аналоговое значение, которое аналоговая схема распознаёт со всеми ограничениями в установках пороговых значений и полосе пропускания. Триггер этих аналоговых схем обычно имеет пороговый диапазон с большим приращением горизонтальной составляющей. Например, настройки порога запуска развёртки могут быть ограничены шагом 100 мВ.

Для цифровых триггеров пользователи имеют возможность установить любое пороговое значение, если оно находится в пределах настроенного вертикального диапазона и, следовательно, отображается на экране осциллографа. Это связано с тем, что архитектура цифрового запуска оценивает сигнал уже после АЦП и не ограничена полосой пропускания. Поскольку информация является цифровой, осциллограф также способен принимать решения на основе интерполяции между точками выборки, чтобы изолировать мельчайшие детали, тем самым, регулируя порог срабатывания и чувствительность триггера.

Рисунок 10. В отличие от своих аналоговых собратьев, цифровые триггеры способны использовать интерполяцию между точками выборки, чтобы исключить области, которые в противном случае, были бы слепы для запуска. Это приводит к повышению чувствительности триггера вплоть до величины 0,0001 дел.

4.6 Уменьшение джиттера триггера

Осциллографы с аналоговыми триггерами страдают от большего джиттера триггера, чем осциллографы с цифровыми триггерами. Для аналоговых триггеров, поскольку путь запуска и путь сигнала различны (о чём говорилось в самом начале), при обнаружении события запуска в тракте триггера, осциллограф должен определить точное время пути прохождения сигнала, которое должно соответствовать настройкам. При последовательных измерениях пользователи обязательно обратят внимание на некоторое дрожание триггера. Некоторые производители осциллографов предусматривают коррекцию джиттера запуска на программном уровне. Этот метод хорошо работает для уменьшения джиттера триггера, но требует ряда циклов обработки информации, замедляющих время повторного включения триггера и общую скорость обновления экранных изображений осциллографа.

Рисунок 11. Осциллографы с цифровым запуском имеют минимальный джиттер запуска. 

5. Цифровой или аналоговый триггер: как отличить?

Большинство триггеров у современных осциллографов являются аналоговыми. Если это специально не указано в технической документации прибора, то осциллограф, скорее всего, использует устаревшую технологию аналогового запуска. Необходимо выяснить у производителя осциллографов, имеет ли конкретный осциллограф цифровой или аналоговый запуск. Кроме того, при достаточном опыте пользователя, несколько пунктов в таблице данных интересующего его (пользователя) прибора позволяют сделать обоснованную оценку.

► Чувствительность запуска: если чувствительность запуска меньше 0,1 дел, архитектура запуска осциллографа цифровая. Аналоговые триггеры не способны обладать такой чувствительностью.

► Управление гистерезисом: если прибор позволяет устанавливать широкий диапазон величин гистерезиса триггера, от самого большого до самого маленького (т.е. от 5 делений до 0,01 деления), то это цифровой триггер. Аналоговые триггеры не обладают способностью выбирать из нескольких предустановленных условий, соответственно, пользователи не имеют полного контроля над гистерезисом.

 

6. Заключение

    Цифровые алгоритмы запуска обладают рядом бесспорных преимуществ, которых не было в старых технологиях аналогового запуска. Понимание этих характеристик помогает определить, насколько важны эти преимущества при выборе осциллографа. Также следует учитывать, что алгоритм цифрового запуска развёртки – самое последнее слово в современном приборостроении, пионером которого, бесспорно является компания Rohder&Schwarz.

    Пользователям осталось только определить для себя насколько ему важна эта технология в решении его (пользователя) текущих задач, ибо осциллографы с цифровым запуском существенно дороже даже превосходных по своим параметрам современных осциллографов с аналоговым запуском.

    Если не стоят задачи невероятно сложных разработок электронных схем, то старая добрая схема аналогового триггера в современных цифровых осциллографах более чем достаточна.