System wyzwalania jest kluczowym elementem każdego oscyloskopu. Pozwala on wykryć określone zjawiska w celu ich analizy oraz uzyskać stabilny obraz przebiegu.

Od czasu wynalezienia w latach czterdziestych, oscyloskopowe systemy wyzwalania znacznie się udoskonaliły. W pełni cyfrowy system wyzwalania oscyloskopów R&S RTO stanowi kolejny krok w rozwoju tych urządzeń, zapewniając dokładność pomiaru, wysokie tempo akwizycji i funkcjonalność.

W niniejszym artykule opisane zostały założenia konwencjonalnego systemu wyzwalania oraz zalety cyfrowego systemu wyzwalania czasu rzeczywistego oscyloskopów RTO.

1. Zasada działania konwencjonalnego systemu wyzwalania

Wyzwalanie w oscyloskopie służy dwóm celom:

1. Stabilizacja obrazu

Wynalezienie wyzwalania stanowiło przełom w zastosowaniu oscyloskopu jako narzędzia do testowania i projektowania układów elektrycznych i elektronicznych. Wyzwalanie zapewnia stabilny obraz przebiegów i ciągłe monitorowanie powtarzających się sygnałów.

2. Wyświetlanie określonych punktów sygnału

System wyzwalania może reagować na określone zdarzenia. Jest to przydatne do wyodrębniania określonych cech sygnału, na przykład poziomów logicznych, które nie zostały osiągnięte (Runt), zakłóceń sygnału powodowanego przez przesłuchy (Glitch), powolne zboczna (Rise time) czy problemy z synchronizacją sygnałów (Data2Clk). Liczba wykrywanych zdarzeń i możliwości konfiguracji wyzwalania wzrosły na przestrzeni lat.

Dokładność systemu wyzwalania oraz jego możliwości określają, jak dobrze badany sygnał może zostać przeanalizowany i wyświetlony.

1.1. Budowa typowego systemu wyzwalania

Większość współczesnych oscyloskopów jest cyfrowa, co oznacza, że mierzony sygnał jest próbkowany i przechowywany jako ciąg próbek o wartościach dyskretnych. Jednak układ wyzwalania nadal jest układem analogowym przetwarzającym mierzony sygnał. Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony schemat blokowy cyfrowego oscyloskopu.

Rys. 1. Uproszczony schemat blokowy cyfrowego oscyloskopy z analogowym układem wyzwalania

Wejściowy wzmacniacz służy do dostosowania amplitudy badanego sygnału do zakresu pracy przetwornika analogowo-cyfrowego, a tym samym zakresu wyświetlacza oscyloskopu. Sygnał uzyskany ze wzmacniacza jest przesyłany równolegle do przetwornika A\C i systemu wyzwalania. Na ścieżce z przetwornikiem następuje próbkowanie sygnału, a uzyskane wartości cyfrowe są zapisywane do pamięci akwizycji. Na drugiej ścieżce, system wyzwalania porównuje sygnał z odpowiednim warunkiem wyzwolenia – na przykład przekroczenie wartości podczas wyzwalania zboczem (Edge). Przekroczenie poziomu wyzwalania przez sygnał pomiarowy jest zdarzeniem, które powoduje wyzwolenie.

Rys. 2. Przykładowy sygnał pomiarowy próbkowany przez przetwornik analogowo-cyfrowy z zaznaczonym punktem wyzwalania

1.2. Analogowy układ wyzwalania

Aby zapewnić dokładne wyświetlanie sygnału na siatce oscyloskopu, konieczne jest precyzyjne określenie czasu wyzwolenia. Jeśli pomiar czasu tego punktu nie jest dokładny, wyświetlany przebieg nie przechodzi przez punkt wyzwolenia – przecięcie poziomu wyzwolenia i momentu jego wystąpienia. Przykładową sytuację przedstawiono na wykresie 3.

Rys. 3. Przykład wyświetlanego przebiegu przesuniętego względem punktu wyzwolenia

Oto przyczyny, które mogą spowodować niedokładne określenia punktu wyzwolenia:

1. Niedokładny pomiar zbocza wyzwalającego

W systemie wyzwalania sygnał pomiarowy jest porównywany z poziomem wyzwalania za pomocą komparatora. Czas pojawienia się zbocza na wyjściu komparatora musi zostać bardzo precyzyjnie zmierzony. W tym celu stosowany jest przetwornik TDC. Niedokładność wyniku otrzymanego przez TDC powoduje przesunięcie aktualnie wyświetlanego przebiegu do punktu wyzwalania. Składowa losowa błędu TDC sprawia, że przesunięcie to zmienia się za każdym razem , co skutkuje wahaniem czasu wyzwalania (trigger jitter).

2. Błąd systematyczny spowodowany różnymi ścieżkami badanego sygnału

Sygnał pomiarowy jest przetwarzany na dwóch różnych ścieżkach – na ścieżce akwizycji z przetwornikiem analogowo-cyfrowym i ścieżce z układem wyzwalania (patrz rysunek 1). Obie ścieżki zawierają liniowe oraz nieliniowe zakłócenia, które wprowadzają systematyczne przesunięcie między wyświetlanym sygnałem a sygnałem powodującym wyzwolenie. W najgorszym wypadku układ wyzwalający może w ogóle nie zareagować na zdarzenie wyzwalające widoczne na ekranie lub też przeciwnie – reagować na zdarzenia, których ścieżka akwizycji nie rejestruje i nie wyświetla.

3. Źródła szumów w obu ścieżkach sygnału pomiarowego

Sygnał dociera do przetwornika analogowo-cyfrowego oraz systemu wyzwalania dwiema osobnymi ścieżkami. Ścieżki te zawierają wzmacniacze, które stanowią różne źródła szumów. Także to powoduje wahania amplitudy i przesunięcie punktu wyzwolenia na ekranie oscyloskopu. Wahania punktu wyzwolenia zostały przestawione na rysunku 4. Po lewej widać, jak punkt wyzwolenia przesuwa się losowo względem idealnej pozycji.

Rys. 4. Wahania punktu wyzwalania podczas akwizycji wielu przebiegów

W kolejnym rozdziale została przedstawiona implementacja cyfrowego systemu wyzwalania. System ten nie powoduje wymienionych powyżej efektów i sprawia, że wyzwalanie jest bardziej dokładne.