CN101609106B

CN101609106B - 数字示波器的自动设置方法

Info

Publication number: CN101609106B
Application number: CN2009100268777A
Authority: CN
Inventors: 高礼忠; 罗张; 贺丙杰; 常斌
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: CN101609106A

Abstract

本发明提供了一种数字示波器的自动设置方法，该方法包括如下步骤：步骤S1：将前端模拟输入信号通道设置为交流耦合方式，滤除输入信号中的直流电平，再将触发系统的触发信号电平设置为零电平，使得输入信号转换为方波形式的触发信号，该方波形式的触发信号的频率为f_x；步骤S2：设置数字示波器的时基档位；设定中界频率

，其中，f₀为固定的定时器频率，该回定的定时器频率f₀满足能在显示屏幕上至少显示一个周期的输入信号。通过对多路输入信号同时进行测频和测幅提高了自动设置的效率；自动测频时采用直接测频和多周期测量相结合开同时进行的方法，提高了频率测定的准确度和效率。

Description

数字示波器的自动设置方法

技术领域

本发明涉及测量仪器，特别涉及一种数字示波器的自动设置功能的实现方法。

背景技术

目前，数字示波器一般包括：前端模拟通道、数据采集存储部分、触发系统、监控与分析处理部分、显示及人机交互部分。数据采集存储部分中的模数转换器将通过前端模拟通道调理后的模拟信号转换为数字信号，并存储起来。当监控与分析处理部分需要进行数据处理时，读取存储器中的数据。

为了对被测信号进行准确的观测，就必须使被测信号在显示屏上稳定的显示出来。所以需要调节水平时基、垂直幅度、触发通道、触发电平等到适当值。但是，有时并不清楚被测信号的这些标量的大体范围，所以很难调节相应的参数。为了解决上述问题，现有的技术是：数字示波器将被测信号的频率及幅度测量出来，从而方便的将信号波形稳定的显示出来。但是面对低频信号时，通常会出现频率测定不够准确；多路输入信号同时打开时自动设置时间太长。因此如何提高测定低频信号频率的准确度并同时减短测量时间成为迫切需要解决的问题。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种数字示波器的自动设置方法，用于提高自动设置的速度和精度，并将信号稳定的显示在显示屏上。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：所述数字示波器包括前端模拟输入信号通道、数据采集存储部分、触发系统、监控与分析处理部分、显示屏幕及人机交互部分，其特征在于：该自动设置方法包括数字示波器时基档位的自动设置和幅度档位的自动设置，其方法包括如下步骤：

步骤S1：将前端模拟输入信号通道设置为交流耦合方式，滤除输入信号中的直流电平，再将触发系统的触发信号电平设置为零电平，使得输入信号转换为方波形式的触发信号，该方波形式的触发信号的频率为f_x；

步骤S2：设置数字示波器的时基档位；

设定中界频率

f_{m} = \sqrt{f_{0} \cdot f_{c}},

其中，f₀为固定的定时器频率，该固定的定时器频率f₀满足能在显示屏幕上至少显示一个周期的输入信号，f_c为选用的标准信号的频率，f_m为中界频率，当触发信号的频率f_x≥f_m时，采用直接测频法，当f_x＜f_m时，采用多周期测频法；根据频率f_x在固定频率查找表中的位置来设置数字示波器的时基档位；

步骤S3：采用二分查找法设置输入信号的幅度档位；先得到输入信号中的幅度最大值MAX_AVERAGE和幅度最小值MIN_AVERAGE；将显示屏幕沿Y方向分为五个区域，设定相应分界为MAX_HIGH，MAX_LOW，MIN_HIGH，MIN_LOW，判断测得输入信号中的最大值MAX_AVERAGE和最小值MIN_AVERAGE在哪个区域内，来确定当前的幅度档位。

优选的，步骤S2中，设定一个频率为标准信号的频率f₀的定时器，对方波形式的触发信号的上升沿计数，在方波形式的触发信号的第一个上升沿到来时，对标准信号计数；在定时器结束并且判断到又一个标准信号上升沿时，停止所有计数，得到方波形式的触发信号的上升沿个数X，标准信号上升沿个数N；当X≥M时，触发信号为高频信号，利用f_x＝X×f₀得到方波形式的触发信号的高频频率；当X＜M时，触发信号为低频信号，利用f_x＝X/N×f_c得到方波形式的触发信号的低频频率。

优选的，步骤S3包括如下步骤：

步骤31：将显示屏幕幅度方向平均分为五个区域，分界线由下至上依次对应为MIN_LOW、MIN_HIGH、MAX_LOW、MAX_HIGH；

步骤32：幅度档位最小值为LEFT，幅度档位最大值为RIGHT，幅度档位中值MIDDLE＝(LEFT+RIGHT)/2；

步骤33：判断所有通道是否已经设置完毕，如果是，则自动设置完成；否则，设置通道数i＝0；

步骤34：判断i是否超出通道的总数，如果没有，则执行步骤35；否则执行步骤33；

步骤35：判断通道i是否已经打开，如果是，执行步骤36，否则i＝i+1，执行步骤34；

步骤36：读取输入信号中的幅度最大值MAX_AVERAGE和幅度最小值MIN_AVERAGE；

步骤37：如果MAX_LOW＜MAX_AVERAGE＜MAX_HIGH，

并且MIN_HIGH＞MIN_AVERAGE＞MIN_LOW；

或者MIN_LOW＜MIN_AVERAGE＜MIN_HIGH，

并且MAX_LOW＜MAX_AVERAGE＜MAX_HIGH，

则找到适合的幅度档位，结束；

或者LEFT＝RIGHT，则将LEFT赋值给MIDDLE，则MIDDLE即为信号的幅度档位，结束；否则执行步骤38；

步骤38：如果MAX_HIGH＜MAX_AVERAGE；

或者MIN_LOW＞MIN_AVERAGE，

表示信号幅度超过了显示屏幕，重新设置LEFT＝MIDDLE+1，再计算中值MIDDLE＝(LEFT+RIGHT)/2，执行步骤39；

步骤39：重新设置RIGHT＝MIDDLE-1，计算中值MIDDLE＝(LEFT+RIGHT)/2；

步骤40：判断LEFT是否等于RIGHT，如果不相等说明没有遍历所有档位，则i＝i+1，执行步骤34；如果相等则说明已经遍历完，将LEFT的档位值设置为当前档位，输入信号的幅度测量完成。

优选的，所述数字示波器的时基档位的范围为1ns/div-40ms/div，所述数字示波器的幅度档位的范围为5mv/div-5v/div。

有益效果：本发明的有益效果在于：通过对多路输入信号同时进行测频和测幅提高了自动设置的效率；自动测频时采用直接测频和多周期测量相结合并同时进行的方法，提高了频率测定的准确度和效率；自动测定信号幅度时采用了二分法，有效提高了查找效率，进一步提高了自动设置的速度。

附图说明

图1是自动设置功能结构框图；

图2是直接测频与多周期测量结合法示意图；

图3是自动测定信号幅度的软件流程图；

图4是二分法快速搜索示意图，图中L为LEFT(幅度档位最小值)、M为MIDDLE(幅度档位中值)、R为RIGHT(幅度档位最大值)；

图5是显示屏分界图，图中A1为MAX_HIGH(最大值的顶值)、A0为MAX_LOW(最大值的底值)、B1为MIN_HIGH(最小值的顶值)、B0为MIN_LOW(最小值的底值)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种数字示波器的自动设置方法，用于提高自动设置的速度和精度，并将信号稳定的显示在显示屏上。将直接测频法和周期测量法相结合并同时进行，测定不同频率段的信号，测定信号幅度时采用二分查找法来提高搜索效率。

为了实现上述的发明目的，本发明提供了一种数字示波器的自动设置方法，包括以下步骤：

直接对外部多路输入信号进行测频比较困难，而通道信号与触发信号是同频信号，因此可以对触发信号进行频率测定，间接实现多路输入信号的频率测定。由于外部信号的直流电平无法知道，就很难配置触发电平产生触发信号。所以将通道耦合方式设置为交流耦合，滤除多路输入信号中的直流电平，再将触发电平设置为零电平，这样信号经过触发比较器后将输出方波形式的触发信号。为了提高该方法的通用性及测定效率，同时对多路输入信号测频，最后将当前打开通道中最低的通道作为触发源。

本发明所述的一种数字示波器自动设置要完成频率测定和幅度测定。采用直接测频导致的测量误差主要是对被测信号计数产生的±1的误差，在忽略闸门信号自身误差的情况下，测量精度为：Δf_x＝±1/T₀。而测量低频时，由于±1误差产生的测量误差很大，所以测量低频时不宜采用直接测频方法。所以测量低频信号时可以采用直接测周期的方法，该方法在被测信号频率越低时，±1误差对测量误差的影响越小，因为测周期时的±1误差是标准频率信号频率的±1误差。标准频率信号的频率越高该误差较小，且不随被测频率降低而增大。同时利用“多周期测量法”还可以减小“触发误差”对测周期的影响。本文将这两种方法结合起来使用，实现对信号精确的测频。

本发明所述的一种数字示波器的自动设置中幅度的测定采用二分法以缩短查找时间，提高自动设置速率。将采集的数据进行最大值和最小值的求解，并跟给定值进行比较。只要在规定的范围内即可以确定此时的幅度档位。为了进一步提高测定的速度，同时采集多路输入信号，从而可以同时实现对多路输入信号进行自动测幅。在求取多路输入信号的幅度最大值和幅度最小值时，为了避免噪声对信号的影响，首先将异常值抛弃，再求取幅度最大值(MAX_AVERAGE)和幅度最小值(MIN_AVERAGE)。将所有的幅度档位排序后存入一个连续的列表，设置左值(LEFT)为最小幅度档位，右值(RIGHT)为最大幅度档位，中值档位(MIDDLE)为左值、右值的平均值。将测得的幅度最大值和幅度最小值分别与给定值进行比较。根据不同的情况，决定幅度测定的走向：即重新计算左值、右值和中值。直到测得的幅度最大值和幅度最小值都满足要求时结束，这时的中值就是测定得到的幅度档位。

本发明提供的数字示波器的自动设置实现方法，利用硬件测定信号频率，完成时基档位(1ns/div-40ms/div)的设置，通过二分查找法测定信号的幅度，完成幅度档位(5mv/div-5v/div)的设置，提高了自动设置的效率和准确度，图1为自动设置功能结构框图。下面具体说明其原理：

1)多路输入信号的频率即触发信号频率f_x测定

直接对外部多路输入信号进行测频比较困难，而通道信号与触发信号是同频信号，因此可以对触发信号进行频率测定，从而间接实现多路输入信号的频率测定。由于外部信号的直流电平无法知道，就很难配置触发电平产生触发信号，所以先将通道设置为交流耦合方式，滤除多路输入信号中的直流电平，再将触发电平设置为零电平，这样信号经过触发电平比较器后将输出方波形式的触发信号。为了提高硬件测频的准确度，采用了直接测频和多周期测量相结合的方法。因此就存在直接测频和多周期测量的频率分界点，即中界频率。

f_{m} = \sqrt{f_{0} \cdot f_{c}} - - - (1)

式中f₀-直接测频法选用的固定定时器频率，由于本发明所述的一种数字示波器自动设置中时基档位的最小值为40ms/div，为了在屏幕上至少显示一个周期的信号，将固定的定时器时间设置为400ms，即该固定的定时器频率f₀＝2.5Hz。

f_c-多周期测量法选用的标准频率信号的频率，本设计采用10MHz。

f_m-中界频率，由公式(1)计算可得f_m＝5KHz，当输入信号的频率f_x为中界频率时，计数值M＝2000。

当f_x≥f_m时，采用直接测频法，当f_x＜f_m时，采用多周期测量法，图2为直接测频与多周期测量结合法的示意图。由于输入信号的频率f_x并不知道，所以采用测频、测周期同时进行。闸门打开时开始对被测触发信号上升沿进行计数，当第一次判断到触发信号的上升沿时开始对标准频率信号f_c进行计数，直到闸门信号关闭，如果此时的触发信号计数值为0或者1，则停止触发信号计数和标准频率信号计数，这时表示测定的频率小于2.5Hz或者是直流电平，根据自动设置的要求将当前档位设置为最小档位40ms/div；如果触发信号的计数值大于1则继续等待一个上升沿，但是不将其计入上升沿个数总和中，得到触发信号计数值X，同时停止标准频率信号计数得到计数值N。当X≥M时，直接利用f_x＝X×f₀得到被测信号的频率；当X＜M时，则f_x＝X/N×f_c，这样通过直接测频与多周期测量结合法就可以精确的测定多路输入信号的频率了。根据测定的频率设置相应的时基档位，使被测信号在屏幕上显示2-5个周期。

2)多路输入信号的幅度测定

将采集的数据进行最大值和最小值的求解，并跟给定值进行比较。只要在规定的范围内即可以确定此时的幅度档位。为了提高测定的速度，数据采集模块同时采集多路输入信号，从而可以同时实现多路输入信号的自动设置。图3是自动测定信号幅度的流程图。

为了避免直流偏置对幅度测定的影响，先将通道设为交流耦合方式滤除多路输入信号中的直流电平，进行幅度测定，最后再将通道设置为直流耦合方式获取直流偏置，完成自动设置。

监控与分析处理模块从存储模块中读取多路信号数据，进行幅度的测定。对多路输入信号的数据进行幅度最大值和幅度最小值的求取，为了避免噪声对信号的影响，首先将异常值抛弃，在剩余的数据中求取幅度最大值(MAX_AVERAGE)和幅度最小值(MIN_AVERAGE)。将测得的幅度最大值和幅度最小值与给定值进行比较。图4为二分法快速搜索示意图。

单路输入信号幅度测定的具体步骤如下：

步骤1：将显示屏幅度方向分为五个区域，分界线由下至上依次对应为MIN_LOW、MIN_HIGH、MAX_LOW、MAX_HIGH。图5为显示屏分界图。

步骤2：幅度档位最小值LEFT＝1(5mv/div)，幅度档位最大值RIGHT＝10(5v/div)，幅度档位中值MIDDLE＝(LEFT+RIGHT)/2(100mv/div)。

步骤3：判断测得的幅度最大值和幅度最小值的范围：

如果MAX_LOW＜MAX_AVERAGE＜MAX_HIGH，

并且MIN_HIGH＞MIN_AVERAGE＞MIN_LOW；

或者MIN_LOW＜MIN_AVERAGE＜MIN_HIGH，

并且MAX_LOW＜MAX_AVERAGE＜MAX_HIGH，

则找到适合的幅度档位；

或者LEFT＝RIGHT，则将LEFT赋值给MIDDLE，则MIDDLE即为信号的幅度档位，查找结束。

步骤4：

如果MAX_HIGH＜MAX_AVERAGE；

或者MIN_LOW＞MIN_AVERAGE，

表示信号幅度超过了显示屏，将搜索的范围缩小到右半边，重新设置LEFT＝MIDDLE+1，再计算中值MIDDLE，重新搜索。

步骤5：如果不是步骤3和步骤4则表示现在的幅度档位太大，使信号衰减的过多，因此将搜索范围缩小到左半边，重新设置RIGHT＝MIDDLE-1，计算中值MIDDLE。

步骤6：判断LEFT是否等于RIGHT，如果不相等说明没有遍历所有档位，继续搜索；如果相等则说明已经遍历完，将LEFT的档位值设置为当前档位，完成搜索，信号的幅度测定完成。

多路信号输入时，将屏幕平均分为相应的份数，每一路信号占用屏幕的一份。这时对每一路信号幅度的测定都采用上述方法实现，最后完成多路信号的幅度测定。最终将多路信号显示在屏幕的不同位置，完成所述的数字示波器的自动设置功能。

采用这两种方法实现一种数字示波器的自动设置功能，在提高频率测定准确度的同时又提高了整个自动设置的速度。

以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims

1.一种数字示波器的自动设置方法，所述数字示波器包括前端模拟输入信号通道、数据采集存储部分、触发系统、监控与分析处理部分、显示屏幕及人机交互部分，其特征在于：该自动设置方法包括数字示波器时基档位的自动设置和幅度档位的自动设置，其方法包括如下步骤：

步骤S2：设置数字示波器的时基档位；

设定中界频率

步骤S3：采用二分查找法设置输入信号的幅度档位；先得到输入信号中的幅度最大值MAX_AVERAGE和幅度最小值MIN_AVERAGE；将显示屏幕沿Y方向分为五个区域，设定相应分界为最大值的顶值MAX_HIGH、最大值的底值MAX_LOW、最小值的顶值MIN_HIGH、最小值的底值MIN_LOW，判断测得输入信号中的幅度最大值MAX_AVERAGE和幅度最小值MIN_AVERAGE在哪个区域内，来确定当前的幅度档位；

步骤S3包括如下步骤：

步骤31：将显示屏幕幅度方向分为五个区域，分界线由下至上依次对应为MIN_LOW、MIN_HIGH、MAX_LOW、MAX_HIGH；

步骤37：如果MAX_LOW＜MAX_AVERAGE＜MAX_HIGH，

并且MIN_HIGH＞MIN_AVERAGE＞MIN_LOW；

或者MIN_LOW＜MIN_AVERAGE＜MIN_HIGH，

并且MAX_LOW＜MAX_AVERAGE＜MAX_HIGH，

则找到适合的幅度档位，结束；

步骤38：如果MAX_HIGH＜MAX_AVERAGE；

或者MIN_LOW＞MIN_AVERAGE，

步骤40：判断LEFT是否等于RIGHT，如果不相等说明没有遍历所有档位，则i＝i+1，

执行步骤34；如果相等则说明已经遍历完，将LEFT的档位值设置为当前档位，输入信号的幅度测量完成。

2.根据权利要求1所述的数字示波器的自动设置方法，其特征在于：步骤S2中，设定一个频率为标准信号的频率f₀的定时器，对方波形式的触发信号的上升沿计数，在方波形式的触发信号的第一个上升沿到来时，对标准信号计数；在定时器结束并且判断到又一个标准信号上升沿时，停止所有计数，得到方波形式的触发信号的上升沿个数X，标准信号上升沿个数N；当X≥M时，触发信号为高频信号，利用f_x＝X×f₀得到方波形式的触发信号的高频频率；当X＜M时，触发信号为低频信号，利用f_x＝X/N×f_c得到方波形式的触发信号的低频频率，其中M为计数值。

3.根据权利要求1或2所述的数字示波器的自动设置方法，其特征在于：所述数字示波器的时基档位的范围为1ns/div-40ms/div，所述数字示波器的幅度档位的范围为5mv/div-5v/div。