CN101523224A - 实时示波器上的实时谱触发系统 - Google Patents

Abstract

一种实时示波器上的实时谱触发系统考虑了具有周期分量的输入信号的幅度和相位(38，40)二者，从而对输入信号的连续采集是时间对准的。用户输入频率、阈值和相位用于触发周期分量。输入信号取样由正交滤波器(34，36)根据频率输入来滤波以产生正交信号分量。输入信号的幅度的平方由正交信号分量以及相位比率和符号(40)来计算(38)，用于和计算出的值相比较。当由输入信号的幅度来启用时，相位交叉测定器(44)将相位比率和符号与计算出的值相比较，以确定相位交叉来生成触发，导致对输入信号的连续采集为时间对准的。

Description

实时示波器上的实时谱触发系统

技术领域

本发明涉及示波器触发系统，更特别地涉及实时示波器上的实时谱触发系统。

背景技术

实时示波器具有综合的触发系统，以帮助用户获得稳定的显示波形、快速捕捉异常行为等。然而，这些触发系统不能触发(trigger on)在噪声中隐藏的周期信号，使得信号的随后采集是时间对准的，如图1所示。在实时示波器中没有谱触发。诸如那些由Beaverton，Oregon的Tektronix公司制造的新的实时谱分析器具有谱触发，其能帮助捕捉频率事件以及还在时域中显示信号。然而只考虑了幅度谱(magnitudespectrum)，而未考虑相位谱。频域中的相位对应于时域中的时间延迟。实时示波器需要时间对准(alignment)即相位对准来将信号的多次采集放入波形数据库。

所需要的是用于实时示波器的谱触发系统，其考虑了幅度和相位二者从而实现连续采集之间的时间对准。

发明内容

因此本发明提供一种实时示波器上的实时谱触发系统，其考虑了幅度和相位二者，从而可以在存在噪声情况下实现具有周期分量的输入信号的连续采集之间的时间对准。用户输入用于触发周期分量的期望的频率(或者可以从输入信号自动选择期望的频率)、幅度阈值和期望的相位。从频率、幅度和相位，计算一组滤波器系数，计算平方的阈值幅度值，以及计算表示周期分量的信号分量的比率和信号分量之一的符号。这些值被输入到数字化输入信号的硬件系统，以产生信号取样，并且该取样被正交FIR滤波器根据计算出的滤波器系数滤波以产生信号分量。计算周期分量的频率的幅度的平方以及分量比率和符号。将幅度的平方与计算出的输入阈值的平方相比较，以生成用于相位交叉(phasecrossing)测定器的使能信号(enable signal)。当启用相位交叉测定器时，计算信号分量取样的比率和符号，并比较信号分量取样的比率和符号与计算出的比率和符号以确定相位交叉。引入内插以提供取样之间的更准确的的相位交叉时间。当信号相位等于期望的相位时，生成触发以获得输入信号，产生时间对准的输入信号的连续采集。

当结合附加的权利要求和附图阅读时，从下面详细的描述中，本发明的目的、优点和其它新颖的特征将更明显。

附图说明

图1是在存在噪声的情况下使用时域触发对周期信号的连续采集(a)和(b)的视图。

图2是根据本发明的实时示波器上的实时谱触发系统的方框图。

图3是用于根据本发明的实时谱触发系统的用户界面的平面图。

图4是说明作为矢量的复信号(complex signal)的表示的视图。

图5是说明根据本发明对相位取样内插以获得准确的触发时间的视图。

图6a和图6b分别是带噪声的信号的时域和频域显示。

图7a和图7b分别是隐藏在噪声中的信号的时域和频域显示。

图8是根据本发明的实时谱触发系统的可替换的实施方式的方框图。

具体实施方式

现在参照图2，实时示波器上的实时谱触发系统具有诸如图3所示的用户界面的用户输入部分10，在此处用户可以输入期望的触发频率12、在触发频率处的幅度阈值14以及在触发频率处的相位交叉(phasecrossing)16。基于用户的输入，设置(setup)部分20从用户所选择的频率计算滤波器参数22、从用户输入的幅度阈值计算平方阈值24，以及从用户所选择的相位交叉计算正交I/Q比率和I分量的符号。在设置部分20中，实时示波器执行几个计算，然后在示波器硬件中使用所述计算的结果。实施离散的傅立叶变换(DFT)以获得在期望的触发频率处的谱。

(DFT)X(k)＝∑_m＝0-(N-1)×(m)W_N ^km＝W_N ^-kN∑_m＝0-(N-1)×(m)W_N ^km＝∑_m＝0-(N-1)×(m)W_N ^-k(N-m)   (1)

(Euler)W_N ^-km＝e^j2nkm/N＝cos(2πkm/N)+jsin(2πkm/N)   (2)

其中k是通过指定的频率f和示波器取样率f_s的水平设置而确定的。方程式(1)表示以卷积形式表达的离散傅立叶变换(DFT)，该卷积可以通过有限脉冲响应(FIR)滤波器实施。将作为欧拉函数(Euler function)的方程式(2)代入方程式(1)中产生谱的实部，其可以通过系数被设定为cos(2πkm/N)，m＝0，1，...，N-1的第一FIR滤波器(I)实施。方程式(1)中的谱的虚部可以通过系数被设定为sin(2πkm/N)，m＝0，1，...，N-1的正交FIR滤波器(Q)实施。当复谱(complex spectrum)可用时，可以利用平方根和反正切的复变函数(complex function)计算幅度和相位。幅度和相位相当于依据阈值的幅度的平方以及依据相位交叉的I/Q的比率和I的符号。这些值以相应的设置计算24、26来计算并被发送到实时触发硬件30。图4示出了具有I和Q分量的复信号，其以幅度和相位表示。正弦周期信号可以被认为是围绕I/Q轴的零点旋转的矢量。分量(I²+Q²)和相位是I/Q的比率和I的符号的函数，即在第一象限，该比率为正，I的符号也为正；在第二象限，该比率为负，I的符号也为负；在第三象限，该比率为正而I的符号为负；以及在第四象限，该比率为负但I的符号为正。

模拟信号由模数转换器(A/D)32取样，并且通过相应的正交FIR滤波器34、36随后对结果数字信号滤波，以获得在指定的频率处的复谱。FIR滤波器34、36的输出被输入到平方幅度测定器38和相位测定器40，相位为I/Q和I的符号的结合。幅度测定器38的输出被输入到比较器42，用于与计算出的平方阈值24比较，以在平方幅度超过平方阈值时产生使能信号，这表示存在期望的周期信号。来自相位测定器40的相位被输入到交叉时间(crossing time)测定器44。如图5所示，该交叉时间测定器44也具有作为输入的计算出的相位信息26，且执行内插以精确确定何时信号的相位对应于计算出的相位，来产生触发信号。交叉时间测定器44可以利用边缘交叉(edge-crossing)硬件来实施。该触发信号被用于触发数据采集，并且在交叉时间测定器中的时间内插硬件补偿部分取样时间以在连续采集时提供准确对准的波形。

一种可选的设定是先于DFT FIR滤波器34、36应用窗口函数，以减小谱泄露。可以配置各种窗口函数，例如Hann窗口函数、Hamming窗口函数或Gaussian窗口函数。窗口函数可以和DFT函数结合，并作为FIR滤波器34、36的一部分来实施。

如果输入信号是在多频率下被触发的，例如当监控频率跳变系统时，则将实施快速傅立叶变换(FFT)而不是DFT。考虑相位信息以保持随后的采集之间的对准。这种对准对于诸如求平均值、等效时间采集等的多采集操作是重要的。

当用户不确定该指定哪个频率用于触发函数时，可使用仪器中的谱分析函数来发现输入信号具有高功率密度的适当的频率，从而自动选择用于触发函数的频率。来自A/D转换器32的数字化的取样被输入到快速傅立叶变换(FFT)函数44中，以产生用于输入信号的频谱。通过maximum(f)函数46选择来自该频谱的具有最大谱功率的频率。所选择出的频率被自动输入到滤波器系数计算22。

实施谱触发的能力使得实时示波器能够获得在频域中发生的特定事件。例如，示波器可以触发可能表示信号失真的一组特定谐波脉冲。对于频率跳变系统，谱触发可以一次捕捉每个谐波。

如图6a和6b所示，谱触发改善了触发带噪声的周期信号的准确性。因为带噪声的边缘使得边缘检测不可靠，所以时域边缘触发的准确性可能严重恶化。当波形边缘噪声太多时，甚至实时示波器中的时钟恢复系统也不能正确地工作。

如图7a和7b所示，谱触发也使得示波器能触发隐藏在噪声中的周期信号。信号隐藏在噪声中，使得在时域中没有边缘可见。然而在频域中所述信号从本底噪声(noise floor)突显出来。如果噪声集中在高频率且可由低通滤波器过滤出来，则时域触发可工作。然而，谱触发确保准确的信号采集并忽略所有处于非关注频率的谱。还能确保准确的时间对准，从而利用求平均值的模式可获得时域中清楚的信号视图。噪声被平均掉(average out)，将关注信号留在时域图中。

上述关于图2的实施是可通过硬件或软件执行的数字实施。其中FIR滤波器34、36以比ADC 32慢的速率操作，ADC的输出可以被输入到缓冲存储器48中，其内容随后被如采集之间所示处理。换句话说，ADC 32数字化输入的信号并将数据取样存储在缓冲存储器48中，该缓冲存储器的内容在充满时随后被如上所示处理。当缓冲存储器48的内容被处理时，来自ADC 32的取样数据未被存储，即丢失。

模拟实施如图8所示，其中输入信号被输入到分路器(splitter)50以形成两个信号流。信号流之一被输入到ADC 32，被数字化并被存储在再循环存储器52。另一个信号流和来自振荡器58的基准信号的相应的正交分量一起被输入到一对正交混频器54、56。来自混频器54、56的输出被输入到平方电路(squaring circuit)64、66所跟随的相应低通滤波器60、62。混频器54、56和低通滤波器60、62一起执行DFT函数，类似于图2的FIR滤波器34、36。平方电路64、66的输出被输入到加法器68以产生M²＝I²+Q²，即平方的输入信号幅度。如前，该平方的幅度被输入到比较器42，用于与指定的幅度阈值比较。来自比较器42的输出被输入到由来自振荡器58的分量之一控制的门70，其信号被经由限幅器72转换为方波，从而控制信号发生在基准信号的零交叉处。当从比较器42检测到期望的频率时，门70提供触发事件信号到触发电路74，触发电路74产生用于停止再循环存储器52的存储的与基准信号同相的触发信号。可选地，可以将延迟电路71插入在限幅器72和门70之间，延迟量由期望的相位确定，从而触发电路74产生在基准信号的期望相位处的触发电路。触发电路74提供触发位置信号到数字信号处理器(DSP)76。利用对于每次采集将取样数据调整到处于期望相位的DFT函数，DSP 76处理来自再循环存储器52的取样数据。DSP 76将调整过的取样数据提供到采集存储器以进一步的处理。

可选地，来自低通滤波器60、62的输出可以被输入到除法器78以获得I/Q，并且结果比率被输入到另一个比较器80，用于与相位参数比较。来自两个比较器42、80的输出可以通过诸如AND门82来结合，以提供与基准信号的期望相位同相的触发事件到触发系统74。在所有的情况下，传递给采集存储器的每次采集涉及基准信号的相同相位，即，多次采集是经时间对准的。

结果，包括谱触发的增强的触发系统实时地准确地触发信号(例如脉冲群波形、带噪声的波形和频率跳变波形)以准确地捕捉重大事件。来自准确的相位对准的准确触发改善了多采集应用的性能。除了实时示波器外，触发幅度和相位的谱触发可应用于其它的仪器，例如实时谱分析器。谱触发还可以用于后采集方式中。

因此本发明提供了一种用于增强的触发系统的谱触发，其触发相对于基准信号具有期望的幅度和相位二者的所期望频率信号，从而信号的每次采集和每另一次采集都是时间对准的。

Claims (21)

1.一种实时谱触发发生器，包括：

用于将输入信号转换成具有作为给定频率的函数的正交分量的频域信号的部件；和

用于从作为给定阈值和给定相位的函数的该正交分量生成触发的部件。

2.如权利要求1所述实时谱触发发生器，其中转换部件包括滤波器，该滤波器具有从给定频率确定的系数，用于从输入信号生成正交分量。

3.如权利要求2所述的实时谱触发发生器，其中转换部件进一步包括用于以再循环的方式以第一速率存储输入信号的取样的部件，来自存储器的取样由滤波器以较慢的第二速率处理以生成正交分量。

4.如权利要求2所述的实时谱触发发生器，其中所述转换部件进一步包括：

用于从输入信号生成频谱的部件；和

用于在频谱内检测具有作为给定频率的最大值的频率的部件。

5.如权利要求2、3或4所述的实时谱触发发生器，其中生成部件包括：

用于获得正交分量的幅度的平方的和作为频域信号的幅度的部件；

用于将该平方的和与给定阈值的平方比较以当给定频率存在于频域信号中时产生使能信号的部件；

用于确定正交分量的幅度的比率的部件；以及

用于响应所述使能信号产生作为比率和给定相位的函数的触发的部件。

6.如权利要求1所述的实时谱触发发生器，其中转换部件包括用于从输入信号产生正交信号作为具有由给定频率确定的频率的基准信号的函数的部件。

7.如权利要求6所述的实时谱触发发生器，其中产生部件包括：

振荡器，具有作为输入的给定频率以及作为输出的基准信号的正交分量；

用于混合输入信号和基准信号的正交分量以产生正交信号的部件；以及

用于对每个正交信号低通滤波以产生频域信号的正交分量的部件。

8.如权利要求7所述的实时谱触发发生器，其中生成部件包括：

用于获得频域信号的正交分量的幅度的平方的和以产生幅度值的部件；

用于比较幅度值和给定阈值以生成频率检测信号的部件；以及

用于在基准信号的给定相位处产生触发的部件。

9.如权利要求8所述的实时谱触发发生器，其中产生部件包括：

用于将基准信号的正交分量之一转换为方波的部件；以及

用于在存在频率检测信号时在方波边缘上生成触发的部件。

10.如权利要求9所述的实时谱触发发生器，其中产生部件进一步包括先于生成部件用于延迟作为给定相位的函数的方波的部件。

11.如权利要求8所述的实时谱触发发生器，其中产生部件包括：

用于获得正交分量的幅度的比率的部件；和

用于生成作为比率、给定相位和频率检测信号的函数的触发信号的部件。

12.一种实时谱触发发生器，包括：

滤波器，用于将在输入处作为给定频率的函数的输入信号转换为在输出处的频域信号的正交分量；

触发发生器，用于从作为给定阈值和给定相位的函数的正交分量生成触发。

13.如权利要求12所述的实时谱触发发生器，其中所述滤波器包括一对具有由给定频率确定的滤波器系数的滤波器，用于将作为公用输入的输入信号转换为作为相应输出的正交分量。

14.如权利要求13所述的实时谱触发发生器，进一步包括：

时域频域转换器，具有作为输入的输入信号以及作为输出的频谱；和

频率检测器，具有作为输入的频谱以及作为输出的具有最大值的频率，所述频率为给定频率。

15.如权利要求13或14所述的实时谱触发发生器，进一步包括再循环存储器，再循环存储器具有作为以第一速率输入的输入信号的取样以及具有耦合到滤波器的输入的输出，以便以较慢的第二速率提供作为输入信号的取样到滤波器。

16.如权利要求13所述的实时谱触发发生器，其中触发发生器包括：

幅度电路，具有经耦合以从该对滤波器的输出接收正交分量的输入，并具有作为输出的平方幅度值；

比率电路，具有经耦合以从该对滤波器的输出接收正交分量的输入，并具有作为输出的幅度比率和符号；

比较器，具有作为第一输入的平方幅度值，用于与作为第二输入的从给定阈值得出的值相比较，以产生作为输出的使能信号；以及

交叉时间电路，具有作为第一输入的幅度比率和符号，和作为第二输入的从给定相位得出的计算出的幅度比率和符号，以产生作为输出的触发。

17.如权利要求12所述的实时谱触发发生器，其中滤波器包括：

基准振荡器，具有作为输入的给定频率，以及在输出处提供给定频率的正交分量；

一对混频器，具有作为第一公用输入的输入信号，以及作为第二输入的给定频率的相应正交分量，以产生输入信号的正交信号；以及

一对低通滤波器，每个具有输出和耦合到混频器的相应输出之一的输入，以提供频域信号的相应正交分量。

18.如权利要求17所述的实时谱触发发生器，其中触发发生器包括：

限幅器，具有用于从基准振荡器接收正交分量之一的输入，和用于提供方波的输出；

平方电路，具有作为输入的频域信号的正交分量，以产生作为输出的平方幅度值；

比较器，具有作为第一输入的平方幅度值和作为第二输入的从给定阈值得出的平方阈值，并且提供作为输出的频率检测信号；以及

门，具有作为输入的频率检测信号和作为时钟输入的方波，以提供作为输出的触发。

19.如权利要求18所述的实时谱触发发生器，其中触发发生器进一步包括：

再循环存储器，用于在第一输入处接收输入信号的取样；

触发电路，具有作为输入的触发，并提供作为第一输出的触发位置以及作为第二输出的停止命令，所述停止命令耦合到再循环存储器的第二输入以停止接收取样；以及

处理器，具有用于从再循环存储器接收取样的第一输入，用于接收触发位置的第二输入，以及用于接收给定相位的第三输入，所述处理器在输出处提供为时间对准而调整的作为给定相位的函数的取样到采集存储器。

20.如权利要求17所述的实时谱触发发生器，其中触发发生器包括：

频率检测电路，具有作为输入的频域信号的正交分量和给定阈值，以产生频率检测信号；

相位检测器，具有作为输入的频域信号的正交分量和给定相位，并提供作为输出的相位检测信号；以及

组合器，具有作为输入的频率检测信号和相位检测信号以产生作为输出的触发。

21.一种生成实时谱触发的方法，包括以下步骤：

将输入信号转换为具有作为给定频率的函数的正交分量的频域信号；

从作为给定阈值和给定相位的函数的正交分量生成实时谱触发。

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