如何通过触发和同步数字化仪进行数据采集？

对于采集信号并进行数字化处理的任何仪器来说，触发都是一个很重要的功能。如果不能根据特定波形特征进行触发，你可能永远看不到数字化波形中的感兴趣点。数字化仪可以用多种模式采集数据。环形缓冲器或正常模式工作时就像数字示波器一样。采集的数据被加载进环形缓冲器。当触发发生时，允许后置触发器延时的数据被锁定用于显示和处理。数字化仪还支持流采集模式，在这种模式下数字化仪采集、数字化并连续存储波形。因此触发器并不指示波形的起始位置，而是特定特征发生的时间点。不管是哪种模式，你都可以看到感兴趣事件之前和之后发生的事情。

最常见的触发方法是使用数字化仪某个通道的输入信号。基本原理是，检测到波形上一个定义好的点，将这个“触发事件”标记为采集数据上的一个已知位置。图1提供了一个基本的边沿触发例子。信号源是输入通道，触发事件发生在波形上升沿越过500mV触发电平之时。当触发事件发生时，所采信号上的位置被标记为时间轴上的零时间点，如图中的光标位置所示。如果信号是重复的，数字化仪将在每次采集新数据时在相同点进行触发，从而实现稳定的显示。

图1：基本的边沿触发，它定义了时间轴上的零时间点(用垂直虚线标记)，触发事件发生在波形上升沿越过触发电平(水平虚线)之时。

信号波形、电平和时序的宽范围变化要求数字化仪的触发电路非常灵活。图2显示了Spectrum M4i系列数字化仪的触发“引擎”框图。它提供了现代数字化仪支持的宽范围触发条件例子。

图2：Spectrum M4i数字化仪框图展示了这些通用数字化仪的“触发引擎”、触发源和触发逻辑。

框图左边显示的是数字化仪的硬件触发源，它们包括任意输入通道以及两个外部触发输入(Ext0或Ext1)之一。每个源都能够支持多种触发类型。因为许多数字化仪模块都有多用途I/O线，你可以用它们来报告数字化仪的运行/装载状态，它们可以提供触发输出信号以及其它功能。除了硬件触发源外，你还可以使用程序控制下的软件触发功能，这对开发自动化测试是很有用的。

数字化仪可能包含强大的触发与/或逻辑单元，可以帮助你将来自多个源的输入组合成一个复杂的多要素触发器。这样的触发器可以确保数字化仪只在专门定义的图案发生时才触发。另外一个功能是可以与其它数字化仪卡进行交叉触发。

  触发模式

主要的触发源内置支持多种触发模式的双路触发电平比较器。这些触发源包括单边沿和双边沿触发器，重装载(滞后)触发器，窗口触发器，对于多源触发器来说，还有相关的触发选通信号发生器。

边沿触发器是最基本的触发器类型。你只需设置触发电平，并选择想要的触发沿。数字化仪会标记触发源的所选边沿越过触发阈值时的时间点。边沿选择可以是上升沿、下降沿或两个沿都触发。

重新装载或滞后触发器设置两个电平，第一个是装载电平，第二个触发电平。就跟边沿触发器一样，用户也要选择边沿类型。首先信号所选边沿必须越过装载电平，将触发器装载好。然后当信号的相同边沿再次越过触发电平时数字化仪再触发。重新装载触发模式可以用来防止数字化仪被噪声信号的错误边沿误触发。

窗口触发器使用每个触发源的两个触发阈值来定义幅度窗口。窗口触发器有两种工作模式：进入窗口触发和退出窗口触发。进入窗口触发是指只要源信号越过阈值电平之一并进入窗口时就触发。退出窗口触发是指源信号已经位于两个触发阈值之间、随后离开窗口时进行触发。当源信号可以在任意一个方向改变状态时就可以使用窗口触发器。

当使用带数字化仪内置触发逻辑的多源触发模式时，通常需要使用一个通道创建选通波形，用于支持来自另一个通道的触发。你可以使用高电平、低电平、窗口内或窗口外选择来实现这个目的。这些触发模式产生的内部选通信号可以与第二个触发源一起使用，并通过与逻辑选通触发器。

图3显示了使用高电平触发器选通另一个通道上的触发源的例子。只要CH0通道上的正弦波超过触发电平，就会为信号位于阈值上方的整段时间产生一个上升的选通信号。这个选通信号要与CH1通道上的信号进行与操作。由于选通信号只是当CH1上出现低幅度脉冲时才是上升的，因此，数字化仪将在脉冲波形越过触发电平时才触发，见图中的水平红色虚线。

图3：使用CH0上的高电平触发器创建一个选通信号，用于选择CH1通道上两个脉冲中较低幅度的脉冲。只要触发源位于触发电平上方(触发电平0)，高电平触发器就会创建一个上升状态的选择信号。这个选通信号与CH1的脉冲波形相与，就可以使数字化仪在遇到较低幅度脉冲时进行触发。

    触发逻辑

图3所示例子显示了在遇到多个触发源时可用触发逻辑的一个用途。与(AND)逻辑和或(OR)逻辑都是支持的。或功能的输入包括任何通道、外部触发输入、软件触发以及强制触发功能。逻辑或功能允许其中任何一个触发源触发数字化仪。与逻辑功能的输入包括所有通道、外部触发输入和使能触发功能。与功能要求所有选择的触发输入同时有效才能启动触发器。记住，选通触发模式(高电平和低电平)提供了输入逻辑的逻辑取反功能，因此你可以创建与非(NAND)和或非(NOR)条件。

图4显示了一个使用或触发逻辑的无线定位应用例子。每个输入通道连接到一个传感器。到源的方向取决于每个传感器所发脉冲的到达时间。

图4：你可以使用或触发逻辑对最早发生射频脉冲的通道进行触发。



源的位置确定了哪个通道先看到它。或触发逻辑允许最先产生脉冲的通道触发数字化仪，从而保证两个传感器输出都被采集到。

   其它触发相关功能

还有其它两种触发功能值得一提。第一个是触发延时，即图2所示触发框图的最后一个单元。这个功能使用计数器，可以让你将触发事件往后延迟指定的采样数。如果延时从默认(0)值发生了改变，那么水平轴上的触发点将从0改变到输入的延时值。

第二个功能是外部触发输出和触发状态线。这些功能在同步多台仪器时很有用。触发输出、装载和运行状态可以通过多用途I/O通道获得，如图2所示。

    同步

理论上，在同步多台仪器时会发生两个问题。首先是安排公用触发器。其次是让两台仪器基于同步时钟工作。我们很容易看出，当试图同步多台数字化仪时可能会有问题发生。

使用具有目标时钟速率的外部时钟可以实现时钟的同步。第二种方法是提供比如10MHz的外部基准，然后应用到锁相环(PLL)，将基准时钟频率倍频到想要的时钟速率。像本文中使用的Spectrum M4i系列等许多数字化仪都是通过公共的外部时钟输入处理两种外部时钟的。外部时钟输入被连接到内部PLL，你可以将它设置为倍频基准时钟，或将数字化仪锁相到外部时钟，不改频率直接让它通过。这样可以保证时钟频率正确，但不能保证每台数字化仪中的时钟具有相同的相位。

在同步过程的触发侧，你必须考虑到每台数字化仪的外部触发输入使用独立的比较器检测触发电平越界。基准电平的少许不同以及建立和保持时间的不同可能导致时间轴上的触发点位置发生离散的变化，进而形成某种触发抖动。保证多台数字化仪精确同步的唯一方法是将时钟分配给每个模块，然后将触发事件同步到系统时钟。

    同步多台数字化仪

上述例子中使用的Spectrum M4i系列数字化仪都带有被称为星状集中器(Star Hub)的可选同步配件。这种Star-Hub模块支持最多8块同一系列卡的同步。

该模块用作星状连接的时钟和触发信号集中器。带这种模块的数字化仪用作时钟主设备，这种卡或任何其它卡可以是主触发器。如果使用Star-Hub模块，主卡上可用的所有触发模式仍然可用。它还能扩展与/或触发逻辑，以适应来自任何所连数字化仪的输入。通过同步来自数字化仪的ARM信号，Star-Hub还能同步多台数字化仪中的不同预触发器、内存段大小和后置触发器设置。

    本文小结

数字化仪要求触发器将信号采集关联到时间上的一个已知点。多种触发源和模式使得选择想要的触发点非常容易。另外，通过Star-Hub精确同步时基的能力支持多台仪器耦合在一起，从而提供大量的采集通道。具有智能触发引擎的数字化仪可以帮助你触发并采集种类广泛的复杂信号。