CN101131402B - 一种在高存储深度下提高刷新率的方法及数字存储示波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在高存储深度下提高刷新率的方法及数字存储示波器，所述方法应用于数字存储示波器，主要包括下列步骤：对应时基设置一组采样率和小于实际存储深度的虚拟存储深度，使由所述虚拟存储深度和与其对应的采样率计算得出的虚拟采样时间大于所述的虚拟存储深度所对应的时基和屏幕水平格数计算得出的屏幕的时间长度；在示波器的停止瞬间，如果示波器为自动触发模式，且所述的虚拟存储深度小于实际存储深度，则将所述的虚拟存储深度设置为实际存储深度，重新采样，采集整个存储深度的全部数据长度的波形。通过本发明，可以使数字存储示波器在高存储深度下仍然保持较高的刷新率，既提高了刷新率又节约了成本。
Description
技术领域
本发明涉及数字存储示波器，尤其涉及一种在数字存储示波器上实现高存储深度的同时达到快的刷新率的方法。
背景技术
数字示波器有两项重要指标：存储深度和刷新率。如果只从技术角度选择，那么存储深度应该是越大越好，刷新率也是越快越好。但是，如果要在数字存储示波器上实现高存储深度的同时达到快的刷新率是一件比较困难的事情，因为数字存储示波器的原理决定了这两项指标同时实现的难度。
采样时间＝存储深度/采样率 ①
刷新率≈1/采样时间(1秒钟内捕获信号的次数) ②
公式①是数字存储示波器关于存储深度(M)、采样率(Sa)和采样时间(T)的关系式。从公式可以得出结论：当采样率为定值的情况下，存储深度和采样时间是成正比关系的，因此当提高存储深度时，一次采样完成所需要的时间也相应提高，而从公式②可以看出，采样时间的提高必然导致刷新率(R)的下降。
由于上述示波器的固有特性的存在，因此，目前国际上一些中高端示波器产品在提高存储深度的同时为了保持较高的刷新率，大都采用提高采样率或者加快处理器的运算速度的方法，这一方法的优点是可以很好的解决基本问题；缺点是产品成本太高，特别是高速ADC(模数转换器)的价格，提高一个数量级的速率其价格可能要翻好几倍。
发明内容
本发明的主要目的是运用一种新的方法使示波器在高存储深度下保持快速刷新率。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：
一种在高存储深度下提高刷新率的方法，应用于数字存储示波器，其特征在于包括下列步骤：设置小于实际存储深度的虚拟存储深度，以所述的虚拟存储深度所对应的采样率采集并显示波形；在示波器的停止瞬间，将存储深度设置为实际存储深度，重新采样，采集整个存储深度的全部数据长度的波形。
其中，如果所述虚拟存储深度和其对应的采样率计算得出的虚拟采样时间大于所述虚拟存储深度对应的时基和屏幕水平格数计算得出的屏幕的时间长度，则该虚拟存储深度小于实际存储深度，符合要求。
另外，在示波器的停止瞬间，还包括下列步骤：
如果示波器为自动触发模式，则判断存储深度大小，如果存储深度等于实际存储深度，则直接停止；如果存储深度小于实际存储深度，则重新设置虚拟存储深度、采样率、时基、触发位移，重新采样。
如果示波器为普通触发模式，则判断停止时刻是否处于触发状态，如果不是，则直接停止；如果停止时刻处于触发状态，则重新设置虚拟存储深度、采样率、时基、触发位移，重新采样.
其中，当重新采样时，在采样过程中设置定时器，以在超时情况下及时退出结束。
一种数字存储示波器，包括控制处理单元、输入信号单元、显示单元、人机介面单元以及电源，所述控制处理单元分别与所述输入信号单元、显示单元、人机介面单元相连接；还包括：
一快速刷新单元，与所述控制处理单元的中央处理单元相耦合，用于设置小于实际存储深度的虚拟存储深度，并以所述虚拟存储深度所对应的采样率采集并显示波形；在示波器的停止瞬间，将存储深度设置为实际存储深度，重新采样，采集整个存储深度的全部数据长度的波形；
其中，所述快速刷新单元包括：采样率控制模块，用于控制示波器在不同的时基档位的采样率；存储深度控制模块，用于控制示波器在不同的时基档位的存储深度；Stop瞬间波形重新采样模块，用于在示波器的停止瞬间，重新采样，采集整个存储深度的全部数据长度的波形。
另外，所述示波器为自动触发模式，在其停止瞬间，如果存储深度等于实际存储深度，则直接停止；如果存储深度小于实际存储深度，则重新设置虚拟存储深度、采样率、时基、触发位移，重新采样。
另外，所述示波器为普通触发模式，在其停止瞬间，如果停止时刻不是处于触发状态，则直接停止；如果停止时刻处于触发状态，则重新设置虚拟存储深度、采样率、时基、触发位移，重新采样。
此外，该示波器还包括：定时器，用于在重新采样时，在超时情况下及时退出结束。
另外，所述控制处理单元还包括：存储单元，与所述中央处理单元相耦合，用于数据存储；逻辑控制电路，与所述中央处理单元及所述存储单元分别相耦合，用于控制时基、触发、采样和数据处理。
其中，所述存储单元为Flash、SDRAM或高速SRAM。
另外，所述人机介面单元包括：键盘、触摸屏、鼠标或者有线和/或无线通信接口。
其中，所述有线通信接口为I/O端口，与所述中央处理单元相连接，用于实现数据传输；
所述I/O端口为RS232、USB、GPIB或LAN。
另外，所述的显示单元为液晶显示屏或者等离子显示屏。
此外，该示波器还包括：波形画法处理单元，与所述中央处理单元相连接，用于将输入信号处理为适于显示单元显示的波形。
本发明的有益效果在于：
1、提高示波器的刷新率。从理论上运用本发明的方法在最高采样率为100Msa/s情况下，可以使示波器达到每秒100000次左右的理论刷新率。实际运用中每一次波形刷新还存在其它消耗时间，包括波形处理、波形显示、处理器本身的处理时间等等，因此刷新率会相应下降，实际应用中可能刷新率会达到每秒1000次左右。
2、降低示波器的成本.在保证示波器的存储深度为1M情况下，要想达到理论上的刷新率为每秒10000次，在没有应用本发明的方法的情况下，可以计算的采样率最高需要(10000×1M)Sa/s，而采用本发明的方法所需要得最高采样率仅需(10000×1K)Sa/s，两者需要一个截然不同级别的ADC芯片，其成本可想而知.
附图说明
图1为运行(RUN)状态下的采样流程图；
图2为停止(STOP)瞬间重复采样流程图；
图3A为时基为5ms时所能观察的波形整体概况；
图3B为时基为500us时所能观察的波形的基本细节；
图3C为时基为20us时所能观察的波形的详细细节；
图4为本发明的数字存储示波器的结构框图。
具体实施方式
为了实现示波器在运行状态下的高刷新率，本发明将示波器的工作分为两个过程进行说明。
运行过程(RUN)：
这个过程使用者关心的是屏幕波形和波形的刷新速度，对于屏幕外头的数据是无法看到的，因此这个过程实际需要波形长度就比较小，利用这一特性可以将波形的存储深度降低，并且以相应的采样率使屏幕保持全部波形，这样就达到了较高的采样率和较低的存储深度，从而实现高的波形刷新率。
换句话说，示波器在波形显示的时候，使用者通常看到的屏幕波形并不是存储深度的波形，而只是全部存储深度的一部分，本发明正是利用这一点来实现高存储深度时的快速刷新率的。
具体的方法是：在运行状态下由于无法看到屏幕外边的波形数据，在运行状态时设置一个虚拟存储深度使之小于真正的存储，只需超过屏幕显示的数据量即可，具体多少可以由实际情况来决定，这样，根据公式R＝Sa/M，由于M的变小使得R变大，达到我们提高刷新率的目的。如图1所示，其为本发明在运行状态下的流程图。
停止过程(STOP)：
当用户停止波形采样后，这时用户可能需要关心屏幕之外的波形数据，因此为了保证波形数据完整并且正确。在停止瞬间有一个特别重要的过程，也是本发明的关键技术，即：停止瞬间的重新采样。当用户发送停止采样的指令后，这时示波器并不能立即停止采样，必须完整地采样整个存储深度(即实际存储深度)的波形。
具体过程请参照图2所示，在停止状态时，由于用户可以通过改变时基来显示全部数据，因此停止状态时必须保存整个存储深度大小的数据。
具体的方法是：在用户响应停止消息的瞬间，将存储深度设置为满存储深度(即实际存储深度)重新采集一次波形。
如图所示，在接受STOP指令后，先判断其触发模式是自动触发模式还是普通触发模式。
对于自动触发状态，这个过程先判断存储深度大小，如果存储深度已经是等于实际存储深度，那么就无需重复采集一次直接停止；如果存储深度小于实际存储深度，那么需要重新设置相关内容，包括存储深度、采样率、时基、触发位移等，然后重新采样直到采样结束.
对于普通触发状态，这个过程先要需要区分停止时刻是否处于触发状态以决定是否需要重复采样。当处于触发状态而重复采样时，在采样过程中需要设置定时器以便在超时情况下还无法结束采样时可以及时退出结束，避免系统进入无限等待状态。
接下来详细叙述如何设置虚拟存储深度。
虚拟存储深度的设置主要和时基、采样率、屏幕水平格数相关。示波器主要用于观察时域信号，时基是指示波器显示屏幕的单位格内所占的时间长度，通过它可以直观的观察到波形的整体的细节变化，通过图3A-图3C也可以更深入地了解时基与观察到的波形之间的关系。
其中，图3A为时基为5ms时所能观察的波形整体概况；图3B为时基为500us时所能观察的波形的基本细节；图3C为时基为20us时所能观察的波形的详细细节。
再请参照下表，其列出了运行状态的时基、采样率、虚拟存储深度的关系，以及根据他们算出的理论刷新率。
| 时基 | 虚拟存储深度 | 采样率(Sa/s) | 理论刷新率(次/S) |
| 2ns | 1K | 200M | 200000 |
| 5ns | 1K | 200M | 200000 |
| 10ns | 1K | 200M | 200000 |
| 20ns | 1K | 100M | 100000 |
| 50sn | 1K | 100M | 100000 |
| 100ns | 1K | 100M | 100000 |
| 200ns | 1K | 100M | 100000 |
| 500ns | 2k | 100M | 50000 |
| 1us | 5k | 100M | 20000 |
| 2us | 10k | 100M | 10000 |
| 5us | 20k | 100M | 5000 |
| 10us | 50k | 100M | 2000 |
| 20us | 100k | 100M | 1000 |
| 时基 | 虚拟存储深度 | 采样率(Sa/s) | 理论刷新率(次/S) |
| 50us | 200k | 100M | 500 |
| 100us | 500k | 100M | 200 |
| 200us | 1M | 100M | 100 |
| 500us | 1M | 50M | 50 |
| 1ms | 1M | 20M | 20 |
| 2ms | 1M | 10M | 10 |
| 5ms | 1M | 5M | 5 |
| 10ms | 1M | 2M | 2 |
其中，采样率可以根据产品来定义，一般由时基来决定。而虚拟存储深度设置的规则为：必须保证屏幕上有一个完整的波形。
以屏幕12div为例，在时基为10ns时，屏幕的时间长度T1＝10ns×12＝120us；虚拟采样时间T2＝1K/200M＝5us，T2＞T1，故波形长度超出屏幕范围，虚拟存储深度1k符合要求。
根据刷新率(R)＝Sa/M，可以算出理论最大刷新率＝200M/1K＝200000。
再请参照下表，其为停止状态的时基、采样率、实际存储深度的设置。
由于停止状态考虑的是瞬间的数据采集，因此不考虑刷新速度，只需要设置为满存储深度，实现采集全部数据长度即可，具体的采样是属于现有技术的内容，在此不再赘述。
下面结合图4的数字存储示波器的结构框图对本发明进行详细说明。
图4是本发明的具有高存储深度和快速刷新率的数字存储示波器的结构框图，如图所示，与现有技术的示波器一样，本发明的示波器也包括：
输入信号单元，用于获得外输入模拟信号波形，在本实施例中，其由两个探测器、两个可变增益放大器以及两个模数转换器组成，所述探测器用于获取外部模拟信号输入，所述可变增益放大器(VGA，Variable-GainAmplifier)用于控制前端模拟信号输入的增益、偏移，以产生一个合适幅度的信号输入ADC，所述模数转换器(ADC，Analog Digital Converter)用于将VGA输出的信号转换为数字信号；
控制处理单元，用于控制示波器正常工作，包括中央处理器、存储器、逻辑控制电路，其中，所述中央处理器(CPU，Central Processing Unit)为示波器的核心系统，负责处理外部信息，包括键盘、IO、数据处理、IO实现、控制逻辑(Logic)单元以及各个模块间的数据通信等，所述存储器(Memory)，用于存储数据，可以为Flash、SDRAM、高速SRAM等，所述逻辑控制电路则用于控制时基、触发、采样、数据处理等；
显示单元，用于显示输入信号的波形，通过一波形画法处理单元(PlotWave)与所述CPU相连，可以为液晶显示屏或者等离子显示屏等，所述波形画法处理单元用于处理相应信号并通过显示器进行波形显示；
人机介面单元，用于接收外部操作指令或进行数据传输，可以为键盘(Keyboard)、触摸屏、鼠标或者有线和/或无线通信接口，所述有线接口可以为I/O端口(I/O Port)，主要用于实现数据传输，包括RS232、USB、GPIB、LAN等；
供电单元(Power Supply)，用于对示波器供电。
与现有技术不同的是，本发明在现有的示波器的基础上增加了一个快速刷新单元(Fast Refresh)41与所述CPU相耦合，用于控制采样率、虚拟存储深度及最后STOP瞬间的流程。该快速刷新单元包括：一个采样率控制模块411，用于控制示波器在不同的时基档位的采样率；一个存储深度控制模块412，用于控制示波器在不同的时基档位的存储深度(虚拟存储深度)；一个Stop瞬间波形重新采样模块413，用于在示波器的停止瞬间，重新采样，采集整个存储深度的全部数据长度的波形。
其中，在示波器的运行状态，该快速刷新单元根据时基设置一个小于实际存储深度的虚拟存储深度，根据该设置的虚拟存储深度及示波器的其他相关设置采集并显示波形，如此，使用者看到的就是虚拟存储深度的屏幕波形；而在示波器的停止瞬间，本发明的快速刷新单元再将存储深度设置为满存储深度重新采样，采集整个存储深度的全部数据长度的波形。如此即可根据虚拟存储深度和采样率得出实际存储深度下的理论刷新率，既保证了高的存储深度，又提高了刷新率。
上述过程在针对本发明的方法进行描述时已经作了详细说明，在此不再赘述。
而在停止瞬间进行重新采样时，所述快速刷新模块与所述CPU以及所述存储器、所述逻辑控制单元互动完成下述过程：
判断示波器的触发模式是自动触发模式还是普通触发模式：
如果所述示波器为自动触发模式，而且存储深度等于实际存储深度，则直接停止；如果存储深度小于实际存储深度，则重新设置虚拟存储深度、采样率、时基、触发位移等参数，重新采样。
如果所述示波器为普通触发模式，而且停止时刻不是处于触发状态，则直接停止；如果停止时刻处于触发状态，则重新设置虚拟存储深度、采样率、时基、触发位移，重新采样。
另外，本发明的示波器还包括一个定时器，可位于所述CPU或存储器或逻辑控制电路或快速刷新模块中，用于在重新采样时，在超时情况下及时退出结束。
综上所述，本发明通过上述快速刷新单元与所述CPU、存储器、逻辑控制电路的配合，在数字存储示波器的运行状态，设置一个小于实际存储深度的虚拟存储深度(由采样率控制模块和存储深度控制模块共同决定)，并在停止瞬间，将存储深度设置为满存储深度重新采样(由Stop瞬间波形重新采样模块来完成)，采集整个存储深度的全部数据长度的波形。如此即可实现示波器在高存储深度下的快速刷新率。
需要说明的是，上述实施例，只是本发明的一个较佳实施例，而本发明的保护范围不限于此，任何根据本发明的精神所作的均等变化与修饰，均应包含于本发明的保护范围.
Claims (15)
1.一种在高存储深度下提高刷新率的方法，应用于数字存储示波器，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
对应时基设置一组采样率和小于实际存储深度的虚拟存储深度，使由所述的虚拟存储深度和与其对应的采样率计算得出的虚拟采样时间大于所述的虚拟存储深度所对应的时基和屏幕水平格数计算得出的屏幕的时间长度；
在示波器的停止瞬间，如果示波器为自动触发模式，且所述的虚拟存储深度小于实际存储深度，则将所述的虚拟存储深度设置为实际存储深度，重新采样，采集整个存储深度的全部数据长度的波形。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在示波器的停止瞬间，所述方法还包括下列步骤：
如果示波器为自动触发模式，所述存储深度等于实际存储深度，则直接停止。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在示波器的停止瞬间，所述方法还包括下列步骤：
如果示波器为普通触发模式，且停止时刻处于非触发状态，则直接停止。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，如果示波器为普通触发模式，且停止时刻处于触发状态，则重新设置虚拟存储深度、采样率、时基、触发位移，重新采样。
5.如权利要求1、2或4所述的方法，其特征在于，当重新采样时，在采样过程中设置定时器，以在超时情况下及时退出结束。
6.一种数字存储示波器，所述数字存储示波器包括：控制处理单元、输入信号单元、显示单元、人机介面单元以及电源，其中，所述控制处理单元分别与所述输入信号单元、显示单元、人机介面单元相连接；其特征在于，所述数字存储示波器还包括：
一快速刷新单元，与所述控制处理单元的中央处理单元相耦合，用于对应时基设置一组采样率和小于实际存储深度的虚拟存储深度，使由所述的虚拟存储深度和与其对应的采样率计算得出的虚拟采样时间大于所述的虚拟存储深度所对应的时基和屏幕水平格数计算得出的屏幕的时间长度；在示波器的停止瞬间，如果示波器为自动触发模式，且所述的虚拟存储深度小于实际存储深度，则将所述的虚拟存储深度设置为实际存储深度，重新采样，采集整个存储深度的全部数据长度的波形；
其中，所述快速刷新单元包括：
采样率控制模块，用于控制示波器在不同的时基档位的采样率；
存储深度控制模块，用于控制示波器在不同的时基档位的存储深度；
Stop瞬间波形重新采样模块，用于在示波器的停止瞬间，如果示波器为自动触发模式，且所述的虚拟存储深度小于实际存储深度时，重新采样，采集整个存储深度的全部数据长度的波形。
7.如权利要求6所述的数字存储示波器，其特征在于，如果所述示波器为自动触发模式，在其停止瞬间，如果存储深度等于实际存储深度，则直接停止。
8.如权利要求6所述的数字存储示波器，其特征在于，如果所述示波器为普通触发模式，在其停止瞬间，如果停止时刻处于非触发状态，则直接停止；如果停止时刻处于触发状态，则重新设置虚拟存储深度、采样率、时基、触发位移，重新采样。
9.如权利要求6所述的数字存储示波器，其特征在于，所述数字存储示波器还包括：
定时器，用于在重新采样时，在超时情况下及时退出结束。
10.如权利要求6所述的数字存储示波器，其特征在于，所述控制处理单元还包括：
存储单元，与所述中央处理单元相耦合，用于数据存储；
逻辑控制电路，与所述中央处理单元及所述存储单元分别相耦合，用于控制时基、触发、采样和数据处理。
11.如权利要求10所述的数字存储示波器，其特征在于，所述存储单元为Flash、SDRAM或高速SRAM。
12.如权利要求6所述的数字存储示波器，其特征在于，所述人机介面单元包括：键盘、触摸屏、鼠标或者有线和/或无线通信接口。
13.如权利要求12所述的数字存储示波器，其特征在于，所述有线通信接口为I/O端口，与所述中央处理单元相连接，用于实现数据传输；
所述I/O端口为RS232、USB、GPIB或LAN。
14.如权利要求6所述的数字存储示波器，其特征在于，所述的显示单元为液晶显示屏或者等离子显示屏。
15.如权利要求6所述的数字存储示波器，其特征在于，所述数字存储示波器还包括：
波形画法处理单元，与所述中央处理单元相连接，用于将输入信号处理为适于显示单元显示的波形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BEIJING RIGOL TECHNOLOGIES, INC. Free format text: FORMER OWNER: WANG YUE Effective date: 20110510 Free format text: FORMER OWNER: WANG TIEJUN LI WEISEN |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20110510 Address after: 102206 Beijing City, Shahe Town, step on the river village, No. 156 Patentee after: Beijing Rigol Technologies, Inc. Address before: 102206 Beijing City, Shahe Town, step on the river village, No. 156 Co-patentee before: Wang Tiejun Patentee before: Wang Yue Co-patentee before: Li Weisen |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: WANG YUE Effective date: 20110824 Owner name: WANG TIEJUN LI WEISEN |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20110824 Address after: 102206 Beijing City, Shahe Town, step on the river village, No. 156 Co-patentee after: Wang Tiejun Patentee after: Wang Yue Co-patentee after: Li Weisen Address before: 102206 Beijing City, Shahe Town, step on the river village, No. 156 Patentee before: Beijing Rigol Technologies, Inc. |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20151013 Address after: 102206 Beijing City, Shahe Town, step on the river village, No. 156 Patentee after: Beijing Rigol Technologies, Inc. Address before: 102206 Beijing City, Shahe Town, step on the river village, No. 156 Patentee before: Wang Yue Patentee before: Wang Tiejun Patentee before: Li Weisen |