触发不是万能的如何抵抗噪声引起的误触发

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所属分类：电工仪器仪表

1 触发不是万能的

1.1 触发的作用

触发是电子工程师最常用，也是最有效的定位电路特定行为的工具，通过设置合适的触发条件可以有效地定位出电路中工程师想要的异常信号或感兴趣的信号。

触发主要有以下两点作用：第一，隔离感兴趣的事件；第二，同步波形，即稳定显示当前波形。专业上的解释是：按照需求设置一定的触发条件，当波形流中的某一个波形满足这一条件时，示波器即实时捕获该波形和其相邻部分，并稳定显示在屏幕上。

在用示波器定位异常问题时，电子工程师常用的测试方式是将触发类型设置为边沿触发，再结合余辉显示的方式来诊断电路。说一下余辉的作用，它可以显示历史累积的信号，也就是说可以持续显示信号的轨迹。

随着示波器技术的不断发展，触发方式除了常用的边沿触发外，还有斜率、矮波、窗口触发、毛刺、建立保持时间、模式、串行序列、延迟、视频、NFC等等类型。

1.2 触发的局限

可以隔离感兴趣事件的触发功能，再加上可以显示历史累积信号的余辉显示，这两个还真是一组绝妙搭配！但这就足够了吗？真的可以捕获所有的异常信号吗？

不忙着回答问题，先设想有如下三种情况：

第一、无法确认异常信号是否存在。通常情况下，我们会根据电路的故障现象，先作出“大胆地假设”--怀疑电路板的某信号有问题，再“小心地求证”—将示波器设置成边沿触发和余辉显示，然后持续观察几分钟，再判定示波器上的波形是否出现问题。这种定位问题的思路受限于示波器的波形捕获率。所以，大家可能会提出，应该用特别的触发的方式去定位，但是问题只在于，在您还不知道异常信号是否真的存在的时候，您该用哪种触发方式呢？

第二、异常信号的种类可能是“千奇百怪”。虽然现代示波器的触发类型很多，但毕竟是有限的。您是否遇到过一些特别的异常信号，发现无论用哪种触发类型无法触发？

第三、被触发的信号上面叠加了很多噪声，有可能导致误触发。每一个局部噪声信号的上升沿都可能被触发电路误当作是一个上升沿，每一个局部噪声信号的微小脉宽都可能被触发电路误当作一个待触发的脉宽，这时候您还能正确地触发吗？

当存在以上三种情况时，工程师会陷入如此困境：无法确认电路中是否存在异常信号，无法设置异常信号的触发类型，无法消除噪声引起的误触发。当碰上如上问题后，仅仅依靠设置或者更改触发条件，工程师有可能无法将问题定位下去，而显得手足无措。

下面，我们就以上三个问题，进行相关探讨。

注：示波器选用R&S公司的RTO1024示波器（左下图），被测信号由R&S的Golden Demo板（右下图）产生。

2 异常信号都到哪去了？

2.1 两个试验引发的思考

对于第一种情况，我们先来做两个试验。

试验条件：Golden Demo板产生一个10MHz的方波，示波器观察该方波信号是否有异常。

试验1：首先将示波器设置为5ms的边沿延迟触发方式（如图1所示），发现示波器显示的方波一切正常。

可能您会说，没有开启余辉显示模式，只能显示当前波形，无法累积显示历史波形，所以测试不准确。好！我们开启余辉显示模式，等待十分钟后，波形还是没有发现异常。

可能又有人说，十分钟太短！好，那我们再延长半小时。不够的话，那就再等一小时，结果还是没有发现异常。如此之后，我们是不是可以认定波形没有异常呢？先别忙着下结论，来看看试验2。

图1 将RTO1024设为5ms的边沿延迟触发

图2 余辉显示，无异常信号

试验2：取消示波器的5ms的边沿延迟触发，而采用示波器正常的边沿触发，现在见证奇迹的时刻到了：示波器屏幕上不停地闪动异常波形，再启动余辉显示模式，发现异常波形几乎一瞬间就占据了整个屏幕（图3所示）。

最后来看Golden Demo电路板的说明，该10MHz的方波信号中，每秒中会产生32次异常信号，由此看来试验2的结果是对的。现在问题又来了，同一个方波信号，两个试验的结果为什么会有如此大的差距呢？而且更为关键的是，怎么样才能确认波形中存在异常信号呢？答案将在2.2节揭晓。

图3异常信号层出不穷

2.2 确认异常信号存在的关键——波形捕获率

2.2.1 示波器工作原理

回答问题之前，先简单介绍一下示波器的工作流程。如图4所示，示波器的工作流程由触发开始，然后是波形采集，波形存储，波形处理，最后是波形显示，如此循环。其中触发和采集属于示波器有效捕获时间。存储、处理及显示属于示波器盲区，即死区时间，在这个时间段示波器对采集到的数据不做任何处理，而直接丢掉，也就是说只有在采集阶段采集到的波形才会最终显示在示波器屏幕上。

图4 示波器工作流程

示波器的波形捕获率可以由如下公式表示，指每秒钟内示波器可以进行循环捕获的次数，一次捕获处理显示的波形成为一个波形。

波形捕获率=1/捕获周期=1/(有效捕获时间+死区时间)

2.2.2 波形捕获率的影响

在整个采集捕获过程中，有效捕获时间相对于死区时间几乎可以忽略不计，所以只有不断缩小死区时间来提高波形捕获率，这样才会捕获到更多信号。如下图5所示，当波形捕获率为50,000wfms/s时，死区时间竟然占到了99.5%，而有效捕获时间只有0.5%，死区时间的异常波形（黄色区域红圈所示为罕见异常信号）无法被我们观测到，自然也就无法确认当前波形中是否存在异常信号。R&S公司的RTO和RTE系列示波器的波形捕获率高达每秒百万次，而其他基于Windows的示波器一般只能做到每秒几千次，甚至只有几百次。

图5 死区时间相对有效捕获时间示意图

现在可以回答2.1节末尾的问题了，将RTO1024设置为5ms的边沿延迟触发方式时，意味着示波器5ms才触发一次，即波形捕获率只有200 wfm/s，这是无法捕获到异常信号的；而在正常的边沿触发模式下，波形捕获率高达100万wfm/s，自然很容易确认有异常波形存在了。

图6 波形捕获率之比较

3 MASK模板测试——触发异常信号

接着上面的话题，使用波形捕获率高达百万次的示波器，我们很容易确定波形中存在异常信号。但是，如何触发图7中的异常信号呢？异常信号是如此复杂，以至于毛刺，边沿触发，矮脉冲，延迟等等触发类型都无法有效地将其触发。

图7 复杂的异常信号

怎么办？难道我们真的要缴械投降，坐以待毙了吗？答案当然是“否”，因为R&S系列示波器所具有的MASK测试功能，有效地解决了这一难题。

图8 MASK测试设置

图9 MASK模板触发到异常信号

采用MASK模板测试时，我们可以任意在时域感兴趣的范围内画出不同形状的MASK模板（如图8中的蓝色区域所示。顺便提一下，RTO示波器支持最多画出8个MASK模板），再对MASK模板做相应的设置（如：蜂鸣警告，停止，自动保存波形图片，自动保存波形数据等等），只要有异常信号触碰到MASK模板，RTO示波器就会自动执行以上动作，并将异常信号显示出来（如图9所示蓝色MASK模板内的毛刺）。

虽然异常信号的类型非常复杂，但是利用MASK模板测试功能，可以非常快速的将其触发出来，并且可以根据MASK模板设置自动做出后续动作，非常的人性化！

更为先进的是，R&S示波器还支持在频域内进行MASK模板测试，在频域中将各种异常信号捕获下来，并根据MAK模板设置做出相应的动作，这可是R&S示波器所独有的功能。

图 10 R&S示波器独有的频域模板触发功能

4 如何抵抗噪声引起的误触发

4.1 噪声引发的误触发

当今社会，电子产品的发展日新月异，这也使得我们的工作环境日益复杂，存在着大量的电磁噪声。您知道这些噪声会对示波器的触发带来什么样的影响吗？请您往下看。

我们再来做实验。先观察图11所示的波形，怎么会有上升沿和下降沿交织在一起的正弦波？是眼花了吗？当然不是，揉揉眼睛再看还是一样的结果。难道是信号本来就是这个样子吗？当然也不是，信号本身就是正常的正弦波，绝对没有“性格”分裂。

图11正弦波双沿显示

继续来，持续按动示波器的“单次触发”按键，怎么突然发现波形在下降沿触发了（图12）。再看看示波器设置，明明是上升沿触发啊！难道是示波器出问题了吗？答案自然还是“否”，我们的示波器工作一切正常！

图12 波形错误地触发在下降沿

看到这里，您是不是迷糊了，以至于无法相信自己的眼睛了。不给您卖关子了，下面将波形的边沿放大，发现什么了没有？对的，正弦波边沿叠加了很多噪声信号，而且这些噪声的上升沿和下降沿具有一定的电压幅值（图13）。当示波器触发到正弦波下降沿上的噪声的上升沿后，就出现了图11、12所示的异常信号。

图13 正弦波上叠加了噪声信号

现在明确了，问题就是这些噪声引起的，可怎么解决呢？请看4.2节！

4.2 解决之道

用R&S系列示波器的话，办法非常简单，直接忽视这些噪声就可以了。我们只要打开触发对话框中的“Noise Reject”界面（图14），然后调节迟滞电平幅度直到大于噪声的电平幅度后，波形的双沿消失了，而且也不会误触发在下降沿了（图15）。

图15所示的横穿整个屏幕的蓝色区域，即为噪声迟滞电平的范围，凡是电平小于该范围的噪声一律不触发，真是非诚勿扰啊！

图 14 “Noise Reject”界面

图 15 噪声迟滞范围，降低触发灵敏度

由1.1节可知，触发的作用有两个：隔离感兴趣的事件和同步波形。前者要求触发的灵敏度，后者则要求触发的稳定度，这两者无疑是矛盾的：对于噪声信号的稳定触发，要求触发系统在触发门限周围实现一定迟滞（如图16所示）；另一方面，对于小振幅信号，较大的迟滞又会限制触发系统的灵敏度。传统示波器的触发迟滞电平为固定值，因此无法实现两者的平衡。

R&S示波器使用全新的数字触发架构，实现了触发迟滞电平可调的功能，可以有效解决噪声信号对触发稳定度的影响，并使得兼顾触发灵敏度和触发稳定度成为了可能。