CN101706521B

CN101706521B - 一种具有时基微调功能的数字存储示波器

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Publication number: CN101706521B
Application number: CN2009102162071A
Authority: CN
Inventors: 田书林; 叶芃; 邱渡裕; 张沁川; 曾浩
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2029-11-13
Also published as: CN101706521A

Abstract

本发明公开了一种具有时基微调功能的数字存储示波器，包括高速ADC、数据存储器、处理器以及可编程数据实时抽取模块；高速ADC输出采集数据到可编程数据实时抽取模块进行实时抽取，抽取比例根据来自处理器的抽取比例控制字设定；实时抽取后的采集数据送入数据存储器中进行存储；抽取比例控制字根据需要微调时基档位确定。本发明采用可编程数据实时抽取模块对采样数据进行实时抽点的方法，来实现改变采集系统的采样率。在本发明中，只要通过处理器改变可编程数据实时抽取模块的抽取比例控制字就能改变抽取比例，可以产生更多、更密集的采样率，尤其是慢时基档位，从而实现数字存储示波器时基微调的功能。

Description

一种具有时基微调功能的数字存储示波器

技术领域

本发明涉及数字存储示波器技术领域，具体来讲，涉及一种具有时基微调功能的数字存储示波器。

背景技术

在示波器中，垂直灵敏度和时基都采取1-2-5序列步进的方式分为若干档。在实际使用中，如果只采用上述方式来观测波形的话，那么许多情况下会给观测带来一定的限制。一个很有可能出现的情况就是在示波器波形显示时，波形不能以最佳效果显示。就垂直灵敏度而言，要么观测到波形幅度过大，超过屏幕显示，要么幅度过小，且不满整数格，对波形的幅值测量带来一定的困难；就时基而言，要么显示的波形数量过少看不到波形整体信息，要么显示的波形过密而忽略了细节信息。这就给示波器垂直灵敏度以及水平灵敏度的设定提出了新的要求。

一般来说，如今示波器的垂直灵敏度都存在一个可微调的垂直灵敏度，可以根据实际需要对垂直灵敏度进行微调扩展，给示波器的观测带来极大的方便。相对应的，对时基设置也应该具有微调的功能。

目前，虽然采用以往固定的1-2-5序列的时基设置对于进行波形显示能满足大多数观测的要求，然而在很多应用场合中，技术人员需要波形处在示波器的最佳观测状态，例如2或3个周期的信号波形显示，这可以通过使用时基微调功能来达到。不论信号的周期如何，通过时基微调功能，用户可在示波器显示屏幕中，选择波形周期个数，从而达到最佳观察状态。

在数字存储示波器中，受益于数字化的灵活处理，我们可以更精确细致地实现时基的微调，使得示波器的波形显示更加灵活。

每个时基档位下采样率的计算公式为：

S_{a} = \frac{25}{t_{b}}

式1-1

式1-1中，S_a为采样率，次每秒(Saps)；

t_b为时基，s/div；

“25”为数字存储示波器显示界面下每格对应的像素个数；

实际上，由于数字存储示波器高速数据采集系统中采样时钟不易改变的限制，通常提供给高速模数转换器，即高速ADC的采样时钟只有固定的几种。而不同时基下对应有不同的采样率，需要采集系统后端对采样率进行变化。

采集系统采用了对ADC采样率S_a变换的方法，即通过后续处理将高速ADC采样率S_a除以一个系数N。这样效果上相当于ADC以S_a/N的采样率进行采样，即对应时基档位下系统实际采样率就变为S_a/N，上述公式1-1就变为：

\frac{S_{a}}{N} = \frac{25}{t_{b}}

那么得出时基的推算公式：

t_{b} = \frac{25 N}{S_{a}}

式1-2

公式1-2表明实现时基微调完全是可能的，实际上，可以通过设置不同的N值来设置数字示波器采集系统不同的时基档位，除了容易实现传统1-2-5序列步进的时基档位，也容易实现其他步进的时基参考档位，即实现了时基的微调。

通常数字存储示波器的时基档位是按1-2-5序列步进，即对应的采样率也是按照1-2-5步进。为了达到不同的采样率的目的，现有技术中，通常的方法是采取改变数据存储器的写时钟，通过写时钟来控制存入存储器的采集数据。

如图1所示，数据存储器2的写时钟WCLK的改变是通过对数据同步时钟的分频方式来实现的：写时钟产生模块3按照数字存储示波器1-2-5步进时基档位的要求，设有多个分频模块301，将来自高速ADC1，与采样时钟相关的数据同步时钟通过多个分频模块301分别进行分频，产生的多个时钟，然后经过选择器302选择一路作为写时钟WCLK，再送到数据存储器2的时钟写时钟输入端；数据存储器2在写时钟WCLK沿有效时存入来自高速ADC1的采集数据DATA，也就达到了实现S_a/N采样率的目的。其中，处理器4根据选择的时基档位输出选择控制信号给多路选择器302，使其选择该时基档位对应的分频输出。数据存储器2的采集数据通过数据总线DATA BUS输出到处理器4进行处理和显示。

上述用数据同步时钟分频的方式实现变采样率的方法，需要在每个时基档位下都对应设置一个分频，其灵活性不高，尤其是时基档位非常多的系统中，要求的分频模块个数较多。虽然这种方法在实现1-2-5步进时基档位是可行的，但是在时基微调下由于要求的时基档位更多更密集，分频模块个数毕竟有限，不可能实现时基微调功能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中数字存储示波器的不足，提供一种具有时基微调功能的数字存储示波器。

为实现上述目的，本发明的具有时基微调功能的数字存储示波器，包括高速ADC、数据存储器以及处理器，其特征在于，还包括一可编程数据实时抽取模块；

高速ADC输出采集数据到可编程数据实时抽取模块进行实时抽取，抽取比例根据来自处理器的抽取比例控制字设定；实时抽取后的采集数据送入数据存储器中进行存储；

抽取比例控制字根据需要微调时基档位确定。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明针对现有技术中，采用数据同步时钟分频的方式实现变采样率的方法，在时基微调下，由于需要更多、更密集的时基档位，分频模块远远不能满足的情况下，采用可编程数据实时抽取模块对采样数据进行实时抽点的方法，来实现改变采集系统的采样率。在本发明中，只要通过处理器改变可编程数据实时抽取模块的抽取比例控制字就能改变抽取比例，可以产生更多、更密集的采样率，尤其是慢时基档位，从而实现数字存储示波器时基微调的功能。

附图说明

图1是现有技术中数字存储示波器采集系统变采样率的原理框图；

图2是本发明具有时基微调功能的数字存储示波器采集系统原理框图

图3是图2所示可编程数据实时抽取模块的一种具体实施方式原理框图；

图4是图2所示可编程数据实时抽取模块的另一种具体实施方式原理框图；

图5是图4所示可编程数据实时抽取模块一种具体实施方式下采样脉冲、使能脉冲以及抽取比例控制字之间的时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这儿将被忽略。

图2是本发明具有时基微调功能的数字存储示波器的采集系统原理框图。

如图1所示，本发明具有时基微调功能的数字存储示波器采集系统包括高速ADC1、数据存储器2、处理器4以及可编程数据实时抽取模块3。

高速ADC1输出采集数据到可编程数据实时抽取模块3进行实时抽取，抽取比例根据来自处理器4的抽取比例控制字设定；实时抽取后的采集数据送入数据存储器2中进行存储。

图2中可以看出，由高速ADC1送出的采集数据并不直接送往数据存储器2中进行存储，而是在高速ADC1与数据存储器2之间增加了一个可编程数据流实时抽取模块3，通过这一模块实现对采样数据的抽点。

可编程数据流实时抽取模块3的抽取比例受处理器4的控制，具体是处理器4根据需要的微调时基档位，输出抽取比例控制字来控制抽取比例，抽取比例控制字决定抽取比例。

可编程数据流实时抽取模块3是本发明的关键，其抽取的速率，即实际采样率，要求变化能够尽可能的细腻，这样可以产生更多、更密的微调时基档位。

实施例1

图3是图2所示可编程数据实时抽取模块的一种具体实施方式原理框图。

如图3所示，在本实施例中，可编程数据流实时抽取模块3基于计数比较器原理设计。

在本实施例中，可编程数据流实时抽取模块3包括D触发器301、高速计数器302、计数控制器303以及数字比较器304；

D触发器301接收来自高速ADC1的采集数据，在其使能端EN为高电平时，将输入的采样数据锁存，并在下一个采样时钟fs将锁存采样数据锁存送到数据存储器2中存储；

在本实施例中，抽取比例控制字即为抽取比例N值，通过处理器4进行设定，其中N＝1、2、3、...，并存入计数控制器302中；高速计数器301对采样时钟fs进行计数；高速计数器302计数值与计数控制器302中的抽取比例N值在数字比较器303中进行比较，当两个值相等时，数字比较器303输出一个采样时钟脉冲的宽度信号，一方面作为D触发器304的使能信号，控制D触发器301锁存输入的采样数据，同时，此信号送到高速计数器302的清零端，将高速计数器302清零，使高速计数器302又从零开始计数，如此反复，实现的实际采样率：

f_{wen} = \frac{f_{s}}{N}

本实施例中的可编程数据流实时抽取模块3可以满足数字存储示波器的时基微调的功能。

表1给出了ADC采样率为500MSPS下不同的时基下对应的不同N值：

时基档位	对应的N值
		50ns/div	1
150ns/div	3
		250ns/div	5
450ns/div	9
		750ns/div	15
1.25us/div	25
		2.25us/div	45
2.5us/div	50
		2.75us/div	55
3us/div	60
		......	......
3ms/div	60000
		3.25ms/div	65000

表1

表2中给出了ADC采样率为250MSPS下不同的时基下对应的不同N值：

时基档位	对应的N值
		9us/div	90
9.1us/div	91

9.2us/div	92
		9.3us/div	93
9.4us/div	94
		9.5us/div	95
12.5us/div	125
		22.5us/div	225
27.5us/div	275
		77.5us/div	775
......	......
		7.5ms/div	75000
15.25ms/div	152500

表2

从表1、2中可以看出，时基微调弥补了以往固定的1-2-5步进时基的限制，能更好的显示某些在固定时基下不好观测的频率信号。比如测量一个工程上常遇到的32.768KHz信号，它的周期为30.5ms，采用固定时基观测要么波形无法整格显示，给观测结果带来误差；要么屏幕显示信号的周期数太多，无法观测波形的细节信息。而用可变时基15.25ms/div进行观测，可以2格显示一个完整周期的信号，给信号观测带来极大的方便和灵活性。

从表1、2中还可以看出，在慢时基档位，可以产生更多、更密集的采样率，而在快速时基下，由于抽取比例N为整数，不能分得更细，其覆盖的时基档位不够细腻，其抽取比例N值要求的步进需要不能存在小数的步进，如2.5、3.5等，故此方法有一定的局限。

实施例2

图4是图2所示可编程数据实时抽取模块的另一种具体实施方式原理框图。

如图4所示，在本实施例中，可编程数据流实时抽取模块3基于累加器原理设计。

在本实施例中，可编程数据流实时抽取模块3包括D触发器301、高速累加器305、使能脉冲产生模块306；

D触发器301接收来自高速ADC 1的采集数据，在其写使能端为高电平时，将输入的采样数据锁存，并在下一个采样时钟fs将锁存采样数据锁存送到数据存储器2中存储；

处理器4根据当前时基档位对应的抽取比例N值，产生相应的抽取比例控制字K，送入高速累加器305中；高速累加器305以采样时钟fs为参考，每来一个时钟脉冲就加一次抽取比例控制字K，当出现进位时，将进位输出信号送到使能脉冲产生模块306；在采样时钟fs控制下，使能脉冲产生模块306在每个脉冲周期进行一次检测，看是否出现进位输出信号，每检测出现一次进位动作，则产生一个宽度为一个采样时钟fs的使能脉冲Wen，送到D触发器301使能控制端EN，此时，D触发器304锁存输入的采样数据，D触发器301锁存当前数据。

由于使能脉冲Wen是按一定间隔时间出现的，其出现的频率即为“实时采样率”，每有效一次，锁存一次数据，实现了采样数据的实时抽取，使能脉冲Wen输出的频率遵循如下公式

f_{wen} = f_{s} \times \frac{K}{2^{M}}

式1-3

其中f_wen为使能脉冲输出频率，对应为实时采样率；M为累加器位宽。由于实时采样率

f_{wen} = \frac{S_{a}}{N} = \frac{25}{t_{b}}

式1-4

根据式1-2、式1-3、式1-4得到，时基

t_{b} = 25 \times \frac{2^{M}}{K} \times f_{s}

式1-5

故只要连续调节抽取比例控制字K，即可不再受限1-2-5步进的限制，抽取比例N值还可以是小数，从而实现对时基t_b的微调。微调的步进受累加器宽度M的影响，M越大，微调步进则可以实现的更小、更细腻。

在本实施例中，数字存储示波器高速ADC1的采样率为100MSPS，即f_s＝100MSPS，采样间隔10ns，时基微调要求实际采样率f_wen＝40MSPS，即抽取比例为2.5。

抽取比例控制字K可以通过如下公式得到。

K = \frac{2^{M}}{\frac{f_{s}}{f_{wen}}} = \frac{2^{M}}{N}

式1-6

在本实施例中，累加器宽度M为28，K理论值为107374182.4，对应十六进制为6666666，从而实现了40MSPS的实际采样率。

当然，如图5所示，此时由于实际采样间隔为25ns，从频率为100MHz，即周期为10ns的采样时钟进行分频，存在一定的非均匀性，但对于大多数慢速时基档位即实际采样率很低，存在的非均匀可以忽略。

表3中给出了高速ADC1采样率为100MSPS下不同的时基下对应的不同抽取比例N值以及抽取比例控制字K值，的高速累加器位宽M为28。累加器的位数越宽，实现的控制精度越高，时基误差越小，实际为提高精度，应该以更宽的累加器来进行，比如32bit、48bit、甚至更高等。

表3

从表3中可以看出，在本实施例中，可以以小数倍数进行抽点，从而实现对时基t_b更小、更细腻的微调，给信号观测带来一定的方便和灵活性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种具有时基微调功能的数字存储示波器，包括高速ADC、数据存储器以及处理器，其特征在于，还包括一可编程数据实时抽取模块；

高速ADC输出采样数据到可编程数据实时抽取模块进行实时抽取，抽取比例根据来自处理器的抽取比例控制字设定；实时抽取后的采样数据送入数据存储器中进行存储；

抽取比例控制字根据需要微调时基档位确定。

2.根据权利要求1所述的具有时基微调功能的数字存储示波器，其特征在于，所述的可编程数据实时抽取模块包括D触发器、高速计数器、计数控制器以及数字比较器；

D触发器接收来自高速ADC的采样数据，在其使能端为高电平时，将输入的采样数据锁存，并在下一个采样时钟fs将锁存采样数据锁存送到数据存储器中存储；

抽取比例控制字即为抽取比例N值，通过处理器进行设定，并存入计数控制器中；高速计数器对采样时钟fs进行计数；高速计数器计数值与计数控制器中的抽取比例N值在数字比较器中进行比较，当两个值相等时，数字比较器输出一个采样时钟脉冲的宽度信号，一方面作为D触发器的使能信号，控制D触发器锁存输入的采样数据，同时，此信号送到高速计数器的清零端，将高速计数器清零，使高速计数器又从零开始计数。

3.根据权利要求1所述的具有时基微调功能的数字存储示波器，其特征在于，所述的可编程数据实时抽取模块包括D触发器、高速累加器、使能脉冲产生模块；

D触发器接收来自高速ADC的采样数据，在其写使能端为高电平时，将输入的采样数据锁存，并在下一个采样时钟fs将锁存采样数据锁存送到数据存储器中存储；

处理器根据当前时基档位对应的抽取比例N值，产生相应的抽取比例控制字，送入高速累加器中；高速累加器以采样时钟fs为参考，每来一个时钟脉冲就加一次抽取比例控制字，当出现进位时，将进位输出信号送到使能脉冲产生模块；在采样时钟fs控制下，使能脉冲产生模块在每个脉冲周期进行一次检测，看是否出现进位输出信号，每检测出现一次进位动作，则产生一个宽度为一个采样时钟fs的使能脉冲，送到D触发器使能控制端，此时，D触发器锁存输入的采样数据，触发器锁存当前数据。