Dlaczego układ wyzwalania jest ważny?

Jedną z najważniejszych właściwości oscyloskopu jest jego zdolność do wyzwolenia pomiaru na sygnale wejściowym. Ta cecha, którą często przyjmujemy za oczywistą lub ignorujemy skupiając się na innych, bardziej atrakcyjnych funkcjach, ma podstawowe znaczenie dla wyświetlenia przez oscyloskop sygnału użytecznego. Niemal wszyscy (w każdym razie większość użytkowników sprzed pokolenia millenialsów) mieli okazję włączyć oscyloskop analogowy i obserwować zieloną linię przewijającą się przez ekran. Choć jest to rzadziej spotykane w dzisiejszych czasach w związku z wprowadzeniem nowoczesnych technologii wyzwalania, efekty typu “ghost” (Rys. 1) wciąż mogą nieprzyjemnie zaskoczyć użytkownika podczas debugowania systemu.

W tym artykule przeanalizujemy, jak działa układ wyzwalania, a następnie skupimy się na jego rzadko wykorzystywanych cechach, które pozwalają w pełni wykorzystać możliwości oscyloskopu.

Rys. 1. Efekt typu „Ghost” wynikający z obecności szumów i niewłaściwej konfiguracji układu wyzwalania

Czym jest układ wyzwalania i jak działa?

Najprościej mówiąc, układ wyzwalania mówi oscyloskopowi, kiedy rozpocząć rejestrację sygnału. W typowym przypadku wyzwalania w trybie „edge”, realizuje to funkcja komparatora porównującego sygnał wejściowy z określonym przez użytkownika poziomem progowym. W chwili, gdy napięcie sygnału przetnie ten poziom zmieniając się od wartości mniejszej do większej (lub odwrotnie), oscyloskop  rozpocznie rejestrację sygnału i wyświetlanie jego reprezentacji na ekranie. Ten poziom progowy określany jest często mianem “trigger level” w graficznym interfejsie użytkownika. Dla bardziej złożonych sygnałów również występuje jeden lub więcej poziomów progowych, ale układ logiczny będzie bardziej skomplikowany, niż komparator. Dla przykładu, wyzwalanie w trybie „rise time” wymaga zdefiniowania dwóch wartości progowych napięcia – dolnej i górnej – określających punkty, między którymi obliczany jest czas narastania (jak pokazano na rysunku 2).

Rys .2. Wyzwalanie w trybie „rise time” z dwoma poziomami progowymi (widoczne przy lewej krawędzi ekranu)

Zrozumienie, jakie mają znaczenie te poziomy progowe jest dopiero pierwszym krokiem na drodze do opanowania układu wyzwalania oscyloskopu. Przyjrzyjmy się kilku innym właściwościom oscyloskopu, które pomogą szybciej wyzwolić go na określonym sygnale.

Wyzwalanie w trybach Auto i Normal

Czy sygnał, na którym chcemy wyzwolić pomiar występuje rzadko? Rozważmy przełączenie układu wyzwalania z trybu „Auto” na „Normal”. W trybie „Auto” oscyloskop czeka określony czas, a następnie wyzwala się nawet wówczas, gdy określony warunek wyzwolenia pomiaru nie został odnaleziony. Tryb ten może być bardzo użyteczny, gdy podłączamy oscyloskop do badanego obwodu po raz pierwszy lub podglądamy sygnały w jego różnych punktach, gdyż pozwala uzyskać natychmiastowy podgląd sytuacji, a następnie odpowiednio skorygować nastawy oscyloskopu. Jeśli jednak warunki wyzwalania pojawiają się rzadziej, niż kończą się kolejne okresy oczekiwania, otrzymany zestaw impulsów wyzwalania będzie obejmował zarówno te „właściwe”, jak i te inicjowane automatycznie. Aby tego uniknąć, przełączmy oscyloskop w tryb „Normal”. To spowoduje, że będzie on oczekiwał bezwarunkowo na spełnienie warunku wyzwolenia pomiaru i wyświetli przebieg tylko wtedy, gdy taki warunek zostanie spełniony. Oczywiście należy się upewnić, że oscyloskop jest odpowiednio skonfigurowany do rejestracji i wyświetlania konkretnego sygnału (może być do tego przydatny właśnie tryb „Auto”).

Sprzężenie układu wyzwalania

Sprzężenie AC można zastosować nie tylko w przypadku sygnału wejściowego, ale również w układzie wyzwalania. Co więcej, wejście oscyloskopu może pracować ze sprzężeniem DC, a układ wyzwalania ze sprzężeniem AC. Stosowany jest wtedy filtr górnoprzepustowy o częstotliwości odcięcia 10 Hz w torze wyzwalania, eliminujący składową stałą (taką częstotliwość przyjęto w oscyloskopach Keysight InfiniiVision, natomiast w innych może ona się różnić). Trzeba tu zaznaczyć, że odnosi się to tylko do układu wyzwalania, natomiast sam oscyloskop w dalszym ciągu umożliwia oglądanie napięcia DC na ekranie. Można też włączyć opcję “Low Frequency Reject,” eliminującą szum niskoczęstotliwościowy z układu wyzwalania. Jest tu również stosowany filtr górnoprzepustowy, lecz o częstotliwości odcięcia (-3 dB) równiej 50 kHz, z nie 10 Hz. Sprzężenie AC powoduje odfiltrowanie składowej DC i szumów o bardzo małej częstotliwości, natomiast opcja “Low Frequency Reject” pozwala wyeliminować niskoczęstotliwościowe komponenty szumu, np. te pochodzące linii zasilającej.

Jeśli poszukujemy czegoś dokładnie odwrotnego i mamy problem z szumem powyżej częstotliwości 50 kHz, można użyć zamiast tego opcji “High Frequency Reject”. Uaktywnia ona filtr dolnoprzepustowy eliminujący szum wysokoczęstotliwościowy i zwiększa stabilność układu wyzwalania.

Możliwe, że niechciany szum ma w swoim widmie składowe o częstotliwości zarówno większej, jak i mniejszej od częstotliwości granicznej funkcji “frequency reject” oscyloskopu i na ekranie wciąż widoczny jest efekt „ghost”. To już wymaga większej kreatywności. Można spróbować użyć opcji “Noise Reject”. Jest to bardzo przydatne narzędzie zwiększające histerezę układu wyzwalania.

Histereza układu wyzwalania

Analizując histerezę, wróćmy dla uproszczenia do trybu wyzwalania zboczem. Komparator w układzie wyzwalania ma pewien zakres histerezy ułatwiający jego stabilizację. Zamiast pojedynczego poziomu progowego, oscyloskop w rzeczywistości zachowuje się tak, jakby miał jednocześnie włączone dwa poziomy progowe. Dla przykładu, jeśli układ wyzwalania aktywuje się przy napięciu progowym 1 V na zboczu narastającym oznacza to, że konieczny jest wzrost napięcia sygnału wejściowego od wartości 0,9 V do 1 V w celu wyzwolenia oscyloskopu. Nie wystarcza przy tym, gdy napięcie wejściowe przez chwilę wahnie się od 1,01 V do 0,99 V, a następnie znów wzrośnie do 1,01 V. Pewną wartość histerezy wprowadza się celowo dla uniknięcia przypadkowych, niepożądanych wyzwoleń.

Ogólnie chodzi o to, żeby oscyloskop wyzwalał się na rzeczywistym zboczu sygnału, a nie wskutek niewielkich wahnięć napięcia. Wartość histerezy jest skorelowana ze skalą pionową oscyloskopu. W przypadku oscyloskopów Keysight InfiniiVision histereza jest na poziomie 0,4 podziałki pionowej. Przy współczynniku skalowania 1 V na działkę szerokość pętli histerezy wynosi 0,4 V, natomiast przy 10 V/działkę są to już 4 V. Dzięki temu uzyskuje się właściwe wartości wyzwalania i eliminuje niepożądane efekty typu ghost.

Czasem to nie wystarcza, na przykład przy korzystaniu z sondy cęgowej lub pracy w środowisku o ekstremalnie dużym poziomie szumów. W takich przypadkach można skorzystać z opcji “noise reject” zwiększającej szerokość pętli histerezy w układzie wyzwalania. Pomaga to wyeliminować niepożądane wyzwolenia, ale też wymaga dużej amplitudy sygnału (na ekranie), aby w ogóle wyzwolić pomiar.

Aby zobaczyć na ekranie oscyloskopu efekt histerezy, można przełączyć układ wyzwalania w tryb „rising or falling edge”. Zbocza sygnału nie przecinają się wtedy dokładnie na środku ekranu. Występuje tu lekkie przesunięcie w prawo, gdyż oscyloskop wprowadza efekt histerezy dla zbocza narastającego i opadającego. Po zmianie trybu wyzwalania oscyloskopu jednym lub drugim zboczem, zaabsorbuje on histerezę powyżej lub poniżej punktu środkowego ekranu, wskutek czego nie zaobserwujemy tego efektu.

Czas martwy (holdoff)

Omawiając zaawansowane tryby wyzwalania trzeba też wspomnieć o regulacji czasu martwego (holdoff). Jest ona wykorzystywana już od czasu oscyloskopów analogowych i może być bardzo użyteczna w określonych warunkach, na przykład przy oglądaniu paczek impulsów cyfrowych (burst), choć może być też stosowana w przypadku dowolnych sygnałów okresowych. Parametr holdoff pozwala modyfikować czas ponownego aktywowania układu wyzwalania. Generalnie, oscyloskop próbuje zarejestrować dane tak szybko, jak jest to możliwe. Po akwizycji danych ponownie aktywuje układ wyzwalania tak szybko, jak tylko pozwalają na to jego parametry i czeka na kolejny impuls. Regulując parametr holdoff, użytkownik wprowadza specjalnie pewien dodatkowy czas dodawany do czasu aktywacji, po którym będzie możliwe ponowne wyzwolenie oscyloskopu. Do czego jest to przydatne? W podanym przykładzie paczek impulsów cyfrowych istnieje możliwość, że układ wyzwalania będzie gotowy do pracy dopiero w środku paczki impulsów. Oznacza to, że sygnał wyświetlany na ekranie będzie przeskakiwał w prawo i w lewo w zależności od tego, w którym miejscu paczki aktywuje się układ wyzwalania (Rys. 3).

Rys. 3. Widok paczki impulsów cyfrowych przy niewłaściwie zaprogramowanym układzie wyzwalania

Jeśli jednak holdoff zostanie ustawiony na nieco mniejszej wartości niż częstotliwość pojawiania się paczek impulsów, wyzwolenie oscyloskopu nastąpi zawsze na zboczu pierwszego impulsu i przebieg na ekranie będzie stabilny (Rys. 4). Regulacja parametru holdoff może być użyteczna w przypadku dowolnych sygnałów okresowych, jednak najczęściej wykorzystuje się ją w przypadku szyn cyfrowych i sygnałów typu burst.

Rys. 4. Sygnał z rysunku 3 przy właściwym ustawieniu parametru holdoff

Wejście wyzwalania sygnałem zewnętrznym

Jeśli opisane tu metody w dalszym ciągu nie dają dobrych rezultatów, można wykorzystać wejście wyzwalania sygnałem zewnętrznym. Może on pochodzić z zewnętrznego urządzenia lub może to być jakikolwiek sygnał z badanego układu.

Podsumowanie

Po przeczytaniu tego artykułu użytkownik powinien poradzić sobie z różnymi zjawiskami powodującymi niepoprawne działanie układu wyzwalania. Wprowadzając korekty w zaawansowanym układzie wyzwalania oscyloskopu można zapewnić stabilne i poprawne wyzwalanie na dowolnym sygnale wejściowym.

Dystrybutorem produktów Keysight Technologies w Polsce jest firma AM Technologies Sp. z o.o. Sp.k., Al. Jerozolimskie 146c, 02-305 Warszawa, tel. 22 5322800, fax 22 5322828, http://www.amt.pl, e-mail: info@amt.pl.