CN102539864B - 数字示波器及信号测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种数字示波器，包括数据采集部件、数据存储器、数据处理部件和显示部件数据采集部件，用于对被测信号采样，产生多个采样点数据；数据存储器，用于保存采样点数据；数据处理部件，用于在采样点数据保存到数据存储器的同时，读取数据存储器中已经保存的采样点数据，并根据每次读取的采样点数据，产生与之对应的数学计算波形显示数据；显示部件，用于根据数学计算波形显示数据同步显示与之对应的数学计算波形。本发明的数字示波器用户体验较佳，使用较方便。

Description

数字示波器及信号测量方法

技术领域

本申请涉及数字示波器技术，具体涉及一种数字示波器及信号测量方法。

背景技术

示波器是观察电信号时常用到的测量装置，示波器可以改变水平档位来改变时基从而观察波形的细节，也可以改变垂直档位将幅度较小的波形进行放大从而便于观察。数字示波器（DSO）是近年发展起来的一种先进测量仪器。与传统的模拟示波器相比，数字示波器具有很多优点，如数字示波器可以进行波形存储、快速傅立叶变换等等。

参考图1，数字示波器100包括测量部件101、轨迹强度生成器102、存储器103、显示部件104、触发器105和中央控制器106。

测量部件101接收被测信号，对被测电信号进行信号整理，并执行数字采样。测量部件101在将经过信号整理的被测信号输出至触发器105的同时，还得到并输出采样点数据。

触发器105根据测量部件101产生的经过信号整理的被测信号或其输出的采样点数据产生触发信号。触发器105可以具有多种触发类型，比如：边沿触发类（上升沿、下降沿、上升沿&下降沿）、脉冲宽度触发类（大于、小于或等于设定的脉冲宽度）、斜率触发类（大于或小于设置的上升或下降时间）、时间设置类（设置上升或下降时间或时间窗）等。当测量部件101接收的被测信号或其输出的采样点数据符合触发条件时，触发器105可以产生触发信号，并将触发信号输出到中央控制单元106。中央控制单元106根据触发器105输出的触发信号，控制轨迹强度生成器102从测量单元101采集所述采样点数据。示波器100也可以接收来自示波器100的外部或内部其他的部件的触发信号，中央控制单元106也可以根据这些触发信号，控制轨迹强度生成器102从测量单元101采集所述采样点数据。

在本实施例中，轨迹强度生成器102的主要工作是根据采样点数据来对波形轨迹进行绘图。具体而言，轨迹强度生成器102接收来自测量部件101的采样点数据，并根据所述采样点数据计算出波形轨迹的强度信息。例如，轨迹强度生成器102在接收到关于被测信号的采样信息后，执行如下操作：

1.在来自测量单元101的采样点数据中，依次根据每两个相邻采样点的幅度差值的大小，即根据每两个相邻采样点的幅度值的差值的绝对值的大小,设定两个采样点中的后一个采样点的强度，从而得到一组反映所述采样点数据中全部采样点的幅度值变化情况的强度值。在关于幅度值变化情况的强度值计算时，对应幅度变化大的采样点，可以设置较小的强度值，反之则设置较大的强度值。强度的具体取值可以由函数计算或通过查表方式来获得；

2.根据显示部件104中的LCD显示器108的像素数目、示波器100的显示时基和测量部件101的采样率，将上述关于采样点数据中各个采样点的强度值按采样先后顺序划分入多个时间窗口中，进行压缩合并处理，可以形成用于在LCD显示器108上显示波形轨迹的强度信息。在LCD显示器108上，显示器108的横轴对应波形轨迹的时间轴，纵轴对应波形轨迹的幅度值，横轴上的每个时间点对应一个所述时间窗口。在所述波形轨迹的强度信息中，对应一个时间点可以有多个轨迹点的强度信息，每个所述轨迹点的强度值均是由对应同一时间窗口、同一幅度值的一个或多个采样点的强度值计算而得。在现有技术中，对于波形轨迹的同一时间窗口上的每个轨迹点的强度值的计算有多种方法，对于本实施例而言，采用了点显示方式和矢量显示方式两种，用户可以选择。

对于点显示方式：通过对同一时间窗口内的每一个幅度值，统计采样点出现的次数，使采样点出现的次数多，强度值就高，出现的次数少，强度值就小，由此可以计算出对应该时间窗口的所有轨迹点的强度值。

对于矢量显示方式：不仅需要计算出每个所述时间窗口中的每个轨迹点的强度值，还需根据每两个轨迹点的强度值，计算出每两个轨迹点之间的各个中间点的强度值，在计算每两个轨迹点之间的各个中间点的强度值时，可以根据两个采样点之间的幅值变化快慢确定其强度的大小，变化快使其强度值小，变化慢，使其强度值大。

在本实施例中，显示部件104包括强度映射装置和LCD显示器。强度映射装置接收来自轨迹强度生成器102输出的强度信息，将强度信息映射为LCD显示器的亮度，在对应LCD显示器的一个像素位置，轨迹强度生成器102输出不同的强度信息时，强度映射装置可以使LCD显示器的该像素位置呈现不同的亮度，据此实现波形轨迹的显示。

用户不仅希望数字示波器100能够实现波形轨迹的显示，往往还希望数字示波器100具有“数学计算功能”，即对被测信号进行一些用户指定的数学计算，并以计算结果作为纵轴、时间作为横轴，将所述计算结果以数学计算波形的方式现实出来。例如用户希望对通道1的被测电压信号进行平方计算来获得功率的波形；再例如用户希望将通道1和通道2的信号相加。

为了实现上述数学计算功能，在测量部件101输出所述采样点数据时，存储器103用于接收在来自测量单元101的采样点数据，将所有的采样点全部保存起来。存储器103具有一个数据端口，当存储器103通过该数据端口写入所述采样点数据时，存储器103就不能进行任何读取操作。而当存储器103通过该数据端口读取所述采样点数据时，存储器103也不能进行任何写入操作。即所述采样点数据的写入和读取只能是交替进行，而不能同时进行。

等待所述采样点数据时全部输出完毕后，中央控制器106控制存储器103从写操作转变为读操作，并从存储器103中读取所述采样点数据，将每个采样点的幅度值按照用户设定的数学计算来进行运算而得到一个对应的运算结果。中央控制器106根据全部采样点数据所对应的运算结果，并根据所述运算结果产生与之对应的数学计算波形显示数据。根据所述运算结果产生数学计算波形显示数据的产生方法，可以采用根据所述采样点数据产生所述波形轨迹的强度信息的方法，这里不再详细介绍。显示部件104接收所述数学计算波形显示数据，根据所述数学计算波形显示数据显示数学计算波形。

数字示波器100虽然能够完成波形轨迹的显示，也能够完成数学计算波形的显示，但是却存在以下问题：随着测量部件101不断的输出采样点数据，轨迹强度生成器102也不断的产生波形轨迹的强度信息，因此显示部件104可以与采样点数据基本同步的显示出对应的波形。但是只有当采样点数据输出完毕后，中央控制器106才可以读取存储器103中的采样点数据，产生所述数学计算波形显示数据，显示部件104才能够显示数学计算波形。当用户将数字示波器100的时基设置到比较大的时候，波形的捕获速率相对而言是比较快的，这意味着产生屏幕上一屏波形轨迹所需要的时间很小，因此用户并不容易察觉所述波形轨迹和所述数学计算波形并不是同步产生的。但是，当用户将数字示波器100的时基设置到非常小的时候，这意味着产生屏幕上一屏波形轨迹所需要的时间很长。举例而言，常见的数字示波器最长时基是50s，以屏幕上共有10个格来计算，显示一屏波形轨迹的时间也就是500s。如此长的时间必须等待波形轨迹显示完成之后再观察到所述数学计算波形，造成用户使用上的不方便。

发明内容

本发明的目的之一在于，克服现有技术存在的波形轨迹与数字计算波形不同步造成的用户使用上的不方便的问题，提供一种数字示波器。

本发明的另一个目的在于，提供上述数字示波器所采用的信号测量方法。

一种数字示波器，包括数据采集部件、数据存储器、数据处理部件和显示部件所述数据采集部件，用于对被测信号采样，产生多个采样点数据；所述数据存储器，用于保存所述采样点数据；所述数据处理部件，用于在所述采样点数据保存到所述数据存储器的同时，读取所述数据存储器中已经保存的所述采样点数据，并根据每次读取的采样点数据，产生与之对应的数学计算波形显示数据；显示部件，用于根据所述数学计算波形显示数据同步显示与之对应的数学计算波形。

在本发明的一个实施方式中，所述数据存储器具有一个写端口和一个读端口，所述写端口用于接收所述采样点数据，所述读端口用于在所述写端口接收所述采样点数据的同时，将所述数据存储器中已经存储的采样点数据输出至所述数据处理部件。

在本发明的一个实施方式中，所述数据处理部件每次读取所述数据存储器中已经存储的全部采样点数据。

在本发明的一个实施方式中，所述数字示波器包括第一通道和第二通道，所述设定的数学计算方法包括将第一通道的采样点数据和第二通道的被测信号相加。

在本发明的一个实施方式中，所述数据存储器由双端口RAM构成，所述数据处理部件由DSP构成。

一种信号测量方法，用于数字示波器，包括：数据采集步骤，对被测信号采样，产生多个采样点数据；数据存储步骤，保存所述采样点数据；数据处理步骤，在保存所述采样点数据的同时，读取已经保存的所述采样点数据，并根据每次读取的采样点数据，产生与之对应的数学计算波形显示数据；显示步骤，根据所述数学计算波形显示数据同步显示与之对应的数学计算波形。

在本发明的一个实施方式中，所述数据处理步骤中，每次读取保存的全部采样点数据。

在本发明的一个实施方式中，所述数字示波器包括第一通道和第二通道，所述数据处理步骤中，所述设定的数学计算方法包括将第一通道的采样点数据和第二通道的被测信号相加。

本发明的数字示波器和信号测量方法由于在保存采样点数据的同时，读取已经保存的采样点数据，并根据该采样点数据产生数学计算波形显示数据，因此可以不必等待一屏波形轨迹全部显示完毕后，即全部采样点数据存储完毕后才显示数学计算波形。取而代之的是，本发明可以使所述波形轨迹和所述数学计算波形同时显示，因此使得用户体验较佳，使用更为方便。

附图说明

图1为根据一种传统的数字示波器100的结构说明图。

图2为根据本发明示范性实施例的数字示波器200的结构说明图。

图3为根据本发明示范性实施例的数字示波器200执行的控制过程的流程图。

具体实施方式

以下参考附图详细描述根据本发明实施例的数字示波器及其信号测量方法。

图2为根据本发明的示范性、较佳的实施例的数字示波器200的结构说明图。

参考图2，数字示波器200包括测量部件201、轨迹强度生成器202、存储器203、显示部件204、触发器205和中央控制器206。

测量部件201接收被测信号，对被测电信号进行信号整理，并执行数字采样。测量部件201在将经过信号整理的被测信号输出至触发器205的同时，还得到并输出采样点数据。

触发器205根据测量部件201产生的经过信号整理的被测信号或其输出的采样点数据产生触发信号。触发器205可以具有多种触发类型，比如：边沿触发类（上升沿、下降沿、上升沿&下降沿）、脉冲宽度触发类（大于、小于或等于设定的脉冲宽度）、斜率触发类（大于或小于设置的上升或下降时间）、时间设置类（设置上升或下降时间或时间窗）等。当测量部件201接收的被测信号或其输出的采样点数据符合触发条件时，触发器205可以产生触发信号，并将触发信号输出到中央控制单元206。中央控制单元206根据触发器205输出的触发信号，控制轨迹强度生成器202从测量单元201采集所述采样点数据。示波器200也可以接收来自示波器200的外部或内部其他的部件的触发信号，中央控制单元206也可以根据这些触发信号，控制轨迹强度生成器202从测量单元201采集所述采样点数据。

在本实施例中，轨迹强度生成器202的主要工作是根据采样点数据来对波形轨迹进行绘图。具体而言，轨迹强度生成器202接收来自测量部件201的采样点数据，并根据所述采样点数据计算出波形轨迹的强度信息。例如，轨迹强度生成器202在接收到关于被测信号的采样信息后，执行如下操作：

1．在来自测量单元201的采样点数据中，依次根据每两个相邻采样点的幅度差值的大小，即根据每两个相邻采样点的幅度值的差值的绝对值的大小,设定两个采样点中的后一个采样点的强度，从而得到一组反映所述采样点数据中全部采样点的幅度值变化情况的强度值。在关于幅度值变化情况的强度值计算时，对应幅度变化大的采样点，可以设置较小的强度值，反之则设置较大的强度值。强度的具体取值可以由函数计算或通过查表方式来获得。

2．根据显示部件204中的LCD显示器的像素数目、示波器200的显示时基和测量部件201的采样率，将上述关于采样点数据中各个采样点的强度值按采样先后顺序划分入多个时间窗口中，进行压缩合并处理，可以形成用于在LCD显示器上显示波形轨迹的强度信息。在LCD显示器上，显示器的横轴对应波形轨迹的时间轴，纵轴对应波形轨迹的幅度值，横轴上的每个时间点对应一个所述时间窗口。在所述波形轨迹的强度信息中，对应一个时间点可以有多个轨迹点的强度信息，每个所述轨迹点的强度值均是由对应同一时间窗口、同一幅度值的一个或多个采样点的强度值计算而得。在现有技术中，对于波形轨迹的同一时间窗口上的每个轨迹点的强度值的计算有多种方法，对于本实施例而言，采用了点显示方式和矢量显示方式两种，用户可以选择。

对于点显示方式：通过对同一时间窗口内的每一个幅度值，统计采样点出现的次数，使采样点出现的次数多，强度值就高，出现的次数少，强度值就小，由此可以计算出对应该时间窗口的所有轨迹点的强度值。

对于矢量显示方式：不仅需要计算出每个所述时间窗口中的每个轨迹点的强度值，还需根据每两个轨迹点的强度值，计算出每两个轨迹点之间的各个中间点的强度值，在计算每两个轨迹点之间的各个中间点的强度值时，可以根据两个采样点之间的幅值变化快慢确定其强度的大小，变化快使其强度值小，变化慢，使其强度值大。

在本实施例中，显示部件204包括强度映射装置和LCD显示器。强度映射装置接收来自轨迹强度生成器202输出的强度信息，将强度信息映射为LCD显示器的亮度，在对应LCD显示器的一个像素位置，轨迹强度生成器202输出不同的强度信息时，强度映射装置可以使LCD显示器的该像素位置呈现不同的亮度，据此实现波形轨迹的显示。

数字示波器200还具有“数学计算功能”，即对被测信号进行一些用户指定的数学计算，并以计算结果作为纵轴、时间作为横轴，将所述计算结果以数学计算波形的方式现实出来。例如用户希望对通道1的被测电压信号进行平方计算来获得功率的波形；再例如用户希望将通道1和通道2的被测信号相加。

请结合参照图2和图3下面详细介绍为了实现上述数学计算功能，本实施方式数字示波器200所采用的信号测量方法。该方法包括步骤：

步骤S1、对被测信号采样，产生多个采样点数据；

上面已经介绍，测量部件201接收被测信号，对被测电信号进行信号整理，并执行数字采样，得到并输出采样点数据。

步骤S2、保存所述采样点数据；

在测量部件201输出所述采样点数据时，存储器203用于接收在来自测量单元201的采样点数据，将所有的采样点全部保存起来。

在本实施方式中，所述存储器203具有一个写端口2031和一个读端口2032，所述写端口2031用于接收测量部件201不断输出的采样点数据，将所述采样点数据依序保存到存储器203的存储单元内。所述读端口2032用于在所述写端口2031接收所述采样点数据的同时，读取所述存储器203中已经存储的采样点数据，并将其输出至所述中央控制器206。

在另外的实施方式中，存储器203可以由双口RAM构成。所述双口RAM是在一个SRAM存储器上具有两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线，并允许两个独立的部件同时对该存储器进行随机性的访问。

在另外的实施方式中，存储器203可以由FIFO或者实现“乒乓操作”的存储器来构成。

步骤S3、在保存所述采样点数据的同时，读取已经保存的所述采样点数据，并根据每次读取的采样点数据，产生与之对应的数学计算波形显示数据；

在所述测量部件201输出的采样点数据保存到存储器203的同时，中央控制器206读取存储器203中已经保存的采样点数据。即，无论测量部件201是否输出了一屏波形轨迹所对应的全部采样点数据，中央控制器206都通过读端口2032将存储器203中已经存储的采样点数据读取出来。

中央控制器206将接收到的采样点数据中的每个采样点的幅度值按照用户设定的数学计算来进行运算而得到一个对应的运算结果。中央控制器206根据全部采样点数据所对应的运算结果，并根据所述运算结果产生与之对应的数学计算波形显示数据。根据所述运算结果产生数学计算波形显示数据的产生方法，可以采用根据所述采样点数据产生所述波形轨迹的强度信息的方法，也可以采用现有技术的其他绘图方法，这里不再详细介绍。在本实施方式中，中央控制器206由DSP构成。在另外的实施方式中，中央控制器206还可以由FPGA或者其他可编程逻辑器件构成。

步骤S4、根据所述数学计算波形显示数据同步显示与之对应的数学计算波形。

显示部件204接收所述数学计算波形显示数据，强度映射装置将数学计算波形显示数据映射为LCD显示器的亮度，在对应LCD显示器的一个像素位置，中央控制器206输出不同的数学计算波形显示数据时，强度映射装置可以使LCD显示器的该像素位置呈现不同的亮度，据此实现数学计算波形的显示。

这里需要特别指出的是，在本实施方式中，中央控制器206每次读取所述存储器203中已经存储的全部采样点数据，中央控制器206根据每一次读取的已经存储的全部采样点数据重新产生数学计算波形显示数据。虽然中央控制器206每次读取所述存储器203中已经存储的全部采样点数据会导致每一次读取的采样点数据包含了上一次读取的采样点数据，但是，这样的结构使得中央控制器206并不需要缓存上一次读取的采样点数据或者数学计算波形显示数据，来和下一次读取的采样点数据进行对接，而只需要根据本次读取的采样点数据重新产生数学计算波形显示数据即可。因此使得中央控制器206的处理方式较为简单。

在另外的实施方式中，中央控制器206每次读取所述存储器203中相比上一次读取时新增加的采样点数据。在这种架构下，中央控制器206可以缓存上一次读取的采样点数据，然后将本次读取的采样点数据和上一次读取的采样点数据合并，根据合并后的采样点数据来产生数学计算波形显示数据。

本发明由于在测量部件201输出的采样点数据保存到存储器203的同时，中央控制器206读取存储器203中已经保存的采样点数据，并根据该采样点数据产生数学计算波形显示数据，因此可以不必等待一屏波形轨迹全部显示完毕后，即全部采样点数据存储完毕后才显示数学计算波形。取而代之的是，本发明可以使所述波形轨迹和所述数学计算波形同时显示，因此使得用户体验较佳，使用更为方便。

Claims (8)

1.一种数字示波器，其特征在于，包括数据采集部件、数据存储器、数据处理部件和显示部件：

所述数据采集部件，用于对被测信号采样，产生多个采样点数据；

所述数据存储器，用于保存所述采样点数据；

所述数据处理部件，用于在所述采样点数据保存到所述数据存储器的同时，读取所述数据存储器中已经保存的所述采样点数据，并根据每次读取的采样点数据进行数学计算，产生与之对应的数学计算波形显示数据；

显示部件，用于根据所述数学计算波形显示数据同步显示与之对应的数学计算波形。

2.根据权利要求1所述的数字示波器，其特征在于，所述数据存储器具有一个写端口和一个读端口，所述写端口用于接收所述采样点数据，所述读端口用于在所述写端口接收所述采样点数据的同时，将所述数据存储器中已经存储的采样点数据输出至所述数据处理部件。

3.根据权利要求1所述的数字示波器，其特征在于，所述数据处理部件每次读取所述数据存储器中已经存储的全部采样点数据。

4.根据权利要求1所述的数字示波器，其特征在于，所述数字示波器包括第一通道和第二通道，所述数学计算包括将第一通道的采样点数据和第二通道的被测信号相加。

5.根据权利要求1所述的数字示波器，其特征在于，所述数据存储器由双端口RAM构成，所述数据处理部件由DSP构成。

6.一种信号测量方法，用于数字示波器，包括：

数据采集步骤，对被测信号采样，产生多个采样点数据；

数据存储步骤，保存所述采样点数据；

数据处理步骤，在保存所述采样点数据的同时，读取已经保存的所述采样点数据，并根据每次读取的采样点数据进行数学计算，产生与之对应的数学计算波形显示数据；

显示步骤，根据所述数学计算波形显示数据同步显示与之对应的数学计算波形。

7.根据权利要求6所述的信号测量方法，其特征在于，所述数据处理步骤中，每次读取保存的全部采样点数据。

8.根据权利要求6所述的信号测量方法，其特征在于，所述数字示波器包括第一通道和第二通道，所述数据处理步骤中，所述数学计算包括将第一通道的采样点数据和第二通道的被测信号相加。