CN100465944C - 一种补偿示波器时基抖动的方法 - Google Patents

Abstract

一种补偿示波器时基抖动的方法涉及仪器仪表的数据处理领域。取样示波器测量信号时，测量结果或多或少都存在时基抖动，它使取样值产生偏差，特别是在精密测量中，时基抖动严重影响测试结果。本发明提供了一种对示波器采样中的时基抖动进行补偿的数据处理方法。其特征在于数据处理过程中，对抖动的概率密度函数进行积分，通过各个采样点的排序来确定对真值的估计。本发明对时基抖动有很好的补偿效果，使示波器的采样数据更准确。

Description

一种补偿示波器时基抖动的方法

技术领域

本发明涉及仪器仪表的数据处理领域。

背景技术

取样示波器测量信号时，测量结果或多或少都存在时基抖动，它使取样值产生偏差，特别是在精密测量中，时基抖动严重影响测试结果。例如，Nose-to-Nose校准技术的时基抖动补偿是十分关键的工作。

发明内容

本发明的目的提供了一种对示波器采样中的时基抖动进行补偿的数据处理方法，对时基抖动有很好的补偿效果，使示波器的采样数据更准确。

首先用示波器对一个信号源所产生的信号进行采样，通过GPIB转USB接口，将测量数据导入计算机，进行数据处理，特征在于数据处理过程中，对抖动的概率密度函数进行积分，通过各个采样点的排序来确定对真值的估计，具体依次包括以下步骤：

步骤1、对一个信号用示波器进行N个时间点的采样，重复M次，得到M×N个数，其中当N≥20，M≥10时，处理效果好；

步骤2、当M为奇数时，取每个采样点的M个样本中，按大小排序后，正中间的数，构成波形a；当M为偶数时，取每个采样点的M个样本，按大小排序后，正中间的两个数的平均值，构成波形a；

步骤3、取波形a中任意至少由三个相邻采样点所组成的线段，该线段两端点为采样点A和B，A和B所对应的坐标分别为(t_A，y_A)和(t_B，y_B)；得到线段AB的斜率k；

k＝(y_A-y_B)/(t_A-t_B)                公式1

步骤4、取线段AB中的任意一个采样点C，求出这个采样点的M个样本的方差σ_y

${\mathrm{\σ}}_y=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2/(M-1)}$                 公式2

其中x为M个样本的平均值；

步骤5、求时基抖动的方差σ；

σ＝σ_y/k                              公式3

步骤6、求时基抖动的概率密度函数ψ(Δt)；

$\mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\Δt}\right)=e^{-\mathrm{\Δ}{t}^2/2{\mathrm{\σ}}^2}/\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}$                 公式4

步骤7、取波形a极值点两侧水平1.6σ内的范围作为非单调区间，其它部分作为单调区间，其中1.6σ是一个推荐值，取1.6σ时处理效果好；

步骤8、用波形a的非单调区间来估计每个采样点t_i所对应的采样点根据不同情况，方法分为两种：

当极值点附近两侧的波形对称时，在波形a的t_i点上作水平线，水平线与波形a的另一个交点的水平时刻为

且t_i与

在同一个波峰或波谷内；

当极值点两侧波形不对称时，在同一个波峰或波谷内，验证极值点的另一侧内的所有采样点；当t_i点为波形a极大值附近的点时，将点t_i的M个样本从大到小排列，将要验证的点的M个样本也从大到小排列；用t_i点M个样本中的最大值减验证点M个样本的最大值；用t_i点M个样本中的第二大的值减验证点M个样本的第二大的值；依次把两个第三名相减，两个第四名相减……直到两个第M名相减；在M个差中，当两个第

名相减的差的绝对值小于3％倍的绝对值最大的差的绝对值时，该验证点为t_i的对应采样点；当t_i点为波形a极小值附近的点时，将点t_i的M个样本从小到大排列，将要验证的点的M个样本也从小到大排列；用t_i点M个样本中的最小值减验证点M个样本的最小值；用t_i点M个样本中的第二小的值减验证点M个样本的第二小的值；依次把两个第三名相减，两个第四名相减……直到两个第M名的值相减；在M个差中，当两个第

名相减的差的绝对值小于3％倍的绝对值最大的差的绝对值时，该验证点为t_i的对应采样点

步骤9、通过对ψ(Δt)进行积分，估计非单调区间内每个采样点的真值，组成一个不完整的波形b，分两种情况：

当t_i点为波形a极大值附近的点，则将该点的M个样本从大到小排列，取排序为第

的样本作为对波形b中t_i点的估计；

当t_i点为波形a极小值附近的点，将该点的M个样本从小到大排列，取排序为第的样本作为对波形b中t_i点的估计；

步骤10、将波形a的单调区间和波形b组合到一起，得到处理结果波形c。

本发明对时基抖动有很好的补偿效果，使示波器的采样数据更准确。

附图说明

图1、硬件框图

图2、波形a

图3、波形a的线段

图4、波形a，1部分为非单调区间，2部分为单调区间

图5、波形b

图6、波形c

图7、模拟一个信号源所产生的波形

图8、抖动补偿前波形

图9、抖动补偿后波形

具体实施方式

首先用示波器对一个信号源所产生的信号进行N个时间点的采样，重复M次，得到M×N个数，当N≥20，M≥10时，处理效果好。通过GPIB转USB接口，将测量数据导入计算机，如图1所示。

当M为奇数时，将每个采样点的M个样本中按大小排序后，取正中间的数，构成波形a。当M为偶数时，将每个采样点的M个样本按大小排序后，取正中间的两个数的平均值，构成波形a，如图2所示。

如图3所示，取波形a中任意至少由三个相邻采样点所组成的线段，该线段两端点为采样点A和B，A和B所对应的坐标分别为(t_A，y_A)和(t_B，y_B)。得到线段AB的斜率k。

k＝(y_A-y_B)/(t_A-t_B)

取线段AB中的任意一个采样点t_c，求出这个采样点的M个样本的方差σ_y

${\mathrm{\σ}}_y=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2/(M-1)}$

其中x为M个样本的平均值。

求时基抖动的方差σ。

σ＝σ_y/k

求时基抖动的概率密度函数ψ(Δt)。

$\mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\Δt}\right)=e^{-\mathrm{\Δ}{t}^2/2{\mathrm{\σ}}^2}/\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}$

取波形a极值点两侧水平1.6σ内的范围作为非单调区间，其它部分作为单调区间，如图4所示。

用波形a的非单调区间来估计每个采样点t_i所对应的采样点

，根据不同情况，方法分为两种：

当极值点附近两侧的波形对称时，在波形a的t_i点上作水平线，水平线与波形a的另一个交点的水平时刻为

且t_i与

在同一个波峰或波谷内。

当极值点两侧波形不对称时，在同一个波峰或波谷内，验证极值点的另一侧内的所有采样点。当t_i点为波形a极大值附近的点时，将点t_i的M个样本从大到小排列，将要验证的点的M个样本也从大到小排列。用t_i点M个样本中的最大值减验证点M个样本的最大值。用t_i点M个样本中的第二大的值减验证点M个样本的第二大的值。依次把两个第三名相减，两个第四名相减……直到两个第M名相减。在M个差中，当两个第名相减的差的绝对值小于3％倍的绝对值最大的差的绝对值时，则该验证点为t_i的对应采样点

。当t_i点为波形a极小值附近的点时，将点t_i的M个样本从小到大排列，将要验证的点的M个样本也从小到大排列。用t_i点M个样本中的最小值减验证点M个样本的最小值。用t_i点M个样本中的第二小的值减验证点M个样本的第二小的值。依次把两个第三名相减，两个第四名相减……直到两个第M名的值相减。在M个差中，当两个第

名相减的差的绝对值小于3％倍的绝对值最大的差的绝对值时，该验证点为t_i的对应采样点

通过对ψ(Δt)进行积分，估计非单调区间内每个采样点的真值，组成一个不完整的波形b，分为如下两种情况：

当t_i点为波形a极大值附近的点，则将该点的M个样本从大到小排列，取排序为第

的样本作为对波形b中t_i点的估计。

当t_i点为波形a极小值附近的点，将该点的M个样本从小到大排列，取排序为第

的样本作为对波形b中t_i点的估计。

不完整的波形b如图5所示。

将波形a的单调区间和波形b组合到一起，得到处理结果波形c，如图6所示。

图7中，用计算机仿真了一个信号源所产生的波形，当采样存在时基抖动时，直接得到的采样结果误差大，如图8所示。而经过以上方法处理后，得到的采样结果误差小，如图9所示。根据仿真实验统计，经过上述方法处理后的平均误差，小于处理前平均误差的15％，也就是说该方法对时基抖动有很好的补偿效果，使示波器的采样数据更准确。

Claims (1)

1、一种对示波器采样中的时基抖动进行补偿的数据处理方法，首先用示波器对一个信号源所产生的信号进行采样，通过GPIB转USB接口，将测量数据导入计算机，进行数据处理，特征在于数据处理过程中，对抖动的概率密度函数进行积分，通过各个采样点的排序来确定对真值的估计，具体依次包括以下步骤：

步骤1、对一个信号用示波器进行N个时间点的采样，重复M次，得到M×N个数，N≥20，M≥10；

步骤2、当M为奇数时，将每个采样点的M个样本中按大小排序后，取正中间的数，构成波形a；当M为偶数时，将每个采样点的M个样本按大小排序后，取正中间的两个数的平均值，构成波形a；

步骤3、取波形a中任意至少由三个相邻采样点所组成的线段，该线段两端点为采样点A和B，A和B所对应的坐标分别为(t_A，y_A)和(t_B，y_B)；得到线段AB的斜率k；

k＝(y_A-y_B)/(t_A-t_B)             公式1

步骤4、取线段AB中的任意一个采样点C，求出这个采样点的M个样本的方差σ_y

${\mathrm{\σ}}_y=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2/(M-1)}$                         公式2

其中x为M个样本的平均值；

步骤5、求时基抖动的方差σ；

σ＝σ_y/k                  公式3

步骤6、求时基抖动的概率密度函数ψ(Δt)；

$\mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\Δt}\right)=e^{-\mathrm{\Δ}{t}^2/2{\mathrm{\σ}}^2}/\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}$                            公式4

步骤7、取波形a极值点两侧水平1.6σ内的范围作为非单调区间，其它部分作为单调区间；步骤8、用波形a的非单调区间来估计每个采样点t_i所对应的采样点

根据不同情况，方法分为两种：

当极值点附近两侧的波形对称时，在波形a的t_i点上作水平线，水平线与波形a的另一个交点的水平时刻为

且t_i与

在同一个波峰或波谷内；

当极值点两侧波形不对称时，在同一个波峰或波谷内，验证极值点的另一侧内的所有采样点；当t_i点为波形a极大值附近的点时，将点t_i的M个样本从大到小排列，将要验证的点的M个样本也从大到小排列；用t_i点M个样本中的最大值减验证点M个样本的最大值；用t_i点M个样本中的第二大的值减验证点M个样本的第二大的值；依次把两个第三名相减，两个第四名相减……直到两个第M名相减；在M个差中，当两个第

名相减的差的绝对值小于3％倍的绝对值最大的差的绝对值时，该验证点为t_i的对应采样点

当t_i点为波形a极小值附近的点时，将点t_i的M个样本从小到大排列，将要验证的点的M个样本也从小到大排列；用t_i点M个样本中的最小值减验证点M个样本的最小值；用t_i点M个样本中的第二小的值减验证点M个样本的第二小的值；依次把两个第三名相减，两个第四名相减……直到两个第M名的值相减；在M个差中，当两个第

名相减的差的绝对值小于3％倍的绝对值最大的差的绝对值时，该验证点为t_i的对应采样点

步骤9、通过对ψ(Δt)进行积分，估计非单调区间内每个采样点的真值，组成一个不完整的波形b，分两种情况：

当t_i点为波形a极大值附近的点，则将该点的M个样本从大到小排列，取排序为第

的样本作为对波形b中t_i点的估计；

当t_i点为波形a极小值附近的点，将该点的M个样本从小到大排列，取排序为第

的样本作为对波形b中t_i点的估计；

步骤10、将波形a的单调区间和波形b组合到一起，得到处理结果波形c。

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