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让我们一起解读模拟触发器

2014-10-06 09:54阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/5314184533

数字示波器中触发器大致分为两类：模拟触发器（主要由模拟电路组成）和数字触发器（通常使用逻辑器件（FPGA、ASIC）实现）。本节我们将简单介绍模拟触发器的结构和工作原理，并分析数字存储示波器中模拟触发器存在的弊端。
一、模拟触发器的结构
输入信号经过调理后分成采样通路和触发通路两个支路，两条通路最终都输出交由逻辑器件（FPGA/ASIC）做进一步处理。触发器最基本的组成单元包括比较器（CMP）和时间数字转换器（TDC），如图 2.1右所示，其中比较器需要一个比较门限电平，通常使用DAC产生。因为触发器基本是由模拟电路组成，所以称为模拟触发器。
图 2.1 模拟触发器系统框图
二、模拟触发器的工作原理
模拟触发器工作分两步，首先通过比较器将输入的模拟信号转换为逻辑信号判断是否为上升沿，并输出触发信号启动采样存储；然后通过时间数字转换器测量出触发信号与存储时基的时间差。这里两个关键的单元是比较器和时间数字转换器。
1、比较器
在示波器中，有一个名词叫触
发电平，指的就是触发器中比较器的参考门限电平，用做比较基准，当输入信号幅值超过该参考电平时 比较器输出逻辑高电平（上升沿），当输入信号幅值比参考电平低时比较器输出逻辑低电平（下降沿），结构如图 2.1 CMP单元所 示，比较器的输入输出信号关系如图 2.2所示。
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图 2.2 比较器输入输出信号


注：VIN为输入信号；VREF为比较参考电平，VCMP为输出比较信号。

在实际应用中，通常会使用迟滞比较器（施密特比较器），可以减少噪声引发的误触发，如图2.3所示。
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图 2.3 迟滞比较器
迟滞电压的大小（VH-HL，也称为触发灵敏度），可通过改变比较器反馈电阻阻值来实现，通常是固定不变的。

2、时间数字转换器
时间数字转换器（time-to-digital converter简称TDC）用于测量信号间的时间间隔，测量精度通常达到皮秒级。在数字存储示波器中用于测量触发信号与存储时基的间隔，以便还原对齐触发位置。
时间数字转换器的实现方法有很多，在模拟触发器中常用时间内插模拟扩展技术，将短脉冲进行放大后再测量。

将短时间T展宽的办法是：首先在T内对一个电容以恒定电流充电；然后以比充电电流慢N倍的速度放电，则电容放电到起始状态下的时间是T的N倍，然后再用慢速时钟对其进行测量计数得到T×N。
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图 2.4 时间内插模拟扩展电路


典型的时间内插扩展电路原理图如图 2.4所示，图中主要由一对高速电流开关Q1和Q2组成，恒流源I1=29.8mA，I2=51uA（即扩展578倍）。参考图 2.5的时间内插扩展时序图我们可以做个简单的分析。
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图 2.5 时间内插扩展时序图


A、在t1时间内，Q1与Q2均导通，电流源I1直接通过Q2到地，电容C1不能充电，电压较低；
B、在t2时间内，Q1导通，Q2截止, 电流源I1向电容C1充电，电流源I2放电，由于I1是I2的数百倍，这时可忽略I2的影响。于是电容C1两端电压升高，当大于比较器参考比较电压时，比较器输出高电平；
C、在t3时间内，Q1与Q2均截止，电流源I2向电容放电，由于这时的放电电流为刚才充电电流的数百分之一，所以放电速度相当缓慢。当电容电压低于比较电压时，比较器输出低电平；
D、在t4时间内，Q1截止，Q2导通, Q2将电容两端电压迅速拉低，回复到初始状态，又准备下一个循环。

由此可见，由于放电电流为充电电流的数百分之一，可知其放电时间约为其充电电压的数百倍，即相当于将微小的时间间隔放大了数百倍。得到展宽后的信号后，只需要用较低速的时钟进行计数测量即可，测量结果再除以放大倍数就是所求的短脉冲时间间隔。当然除了测量电流放电时间的方法之外，还有直接测量电压的方法，不过需要用到高精度ADC。

三、模拟触发器的缺点
通过分析，我们可以总结出模拟触发器的一些不足之外，包括以下几个方面：触发抖动,触发灵敏度,触发间隙

触发抖动:有以下几个因素会影响到触发器的稳定性。
1. 比较器输出抖动
比较器的参考门限电平（VREF）通常使用DAC反量化输出，其过程受DAC精度、比较器响应速度、系统噪声、环境温度影响容易产生漂移（v），这些因素将会导致比较器输出产生抖动（t1），如图 2.6右所示。当然，如果硬件电路控制得好，通常影响会比较小，甚至可以忽略。
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图 2.6 比较器输出抖动
2. 采样与触发通路间延时抖动
在模拟触发器中，信号的采样和触发是两个不同的物理通路，在设计时，我们认为两个通道间的延时为零（或是一个固定的值，可以修正）；但实际上，“采样通路”和“触发通路”两条不同路径受系统线性、非线性等因素（器件、PCB板材、噪声及环境温度变化等）干扰，会导致信号传输有延时差（dly），产生触发抖动（t2），如图 2.7所示。图 2.7 采样通路与触发通路延时抖动

3. TDC的测量精度
TDC的测量精度和实现方法与器件参数一致性有关，这是触发器的核心单元，由模拟器件组成，通常比较难控制，所以TDC的测量误差也是影响触发抖动的关键因素。

触发灵敏度:前面我们分析比较器的时候有提到触发灵敏度，需要通过更改比较器的反馈电阻来调节，在实际的应用中，通常调节好是固定的一个或两个值，不可能允许用户动态调整，因此不能很好地适应各种复杂的测试环境。

触发间隙:在分析模拟TDC的工作原理时，我们发现触发后系统（电容）需要一个时间恢复到初始状态，这个时间通常和展扩后的脉冲相当略长。这在数字存储示波器中是致命的，因为它会影响延长两次触发之间（增加死区时间）的间隙，这将严重影响波形刷新率，降低示波器的性能。
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