CN102565483B - 数字示波器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字示波器及其控制方法，用于测量被测信号，所述的数字示波器包括：数据采集部件，用于对被测信号采样，产生每条波形上的波形数据点信息；轨迹强度生成部件，用于根据每个时间段和每个幅度上，多条所述波形上的波形数据点信息，产生一个累加强度信息L和一个波形条数N；轨迹强度修正部件，用于依据所述波形条数N，对所述的累加强度信息进行衰减，产生一用于波形显示的修正累加强度信息。本发明的数字示波器所显示的波形轨迹的亮度稳定。

Description

数字示波器及其控制方法

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波形处理方法。

背景技术

传统的模拟示波器的显示系统采用阴极射线管(Cathode Ray Tube，CRT)。由于CRT具有很好的荧光效果，即荧光粉的激活效果，它会随时间推移，使被显示的波形轨迹由亮变暗，从而可以体现出波形两个方面的特征，一个是轨迹本身的变化情况，一个是轨迹重现的频度。

目前数字示波器的显示系统大多是采用液晶显示(Liquid crystal display，LCD)屏，其屏幕好比是一个二维的像素阵列，每个像素位置都可以由一个行地址和一个列地址唯一地确定。通过控制每个像素的“开”或“关”可以使LCD显示屏上的像素立即呈现“亮”或“关闭”。虽然LCD显示屏本身并不具备CRT的荧光效果，但LCD显示屏上的每个像素的亮度是可以控制的，比如利用一个4位深度的存储器就可以控制所述亮度具有15个等级和一个关闭状态，当利用具有更多位的存储器时还可以使每个像素具有更加精细的亮度等级。利用LCD显示屏的每个像素的亮度等级控制方法，不仅可以控制LCD显示屏像素的亮度和颜色，还可以仿真荧光效果。

专利号为US6,847,905B2、申请日为2003年2月12日的美国专利公开了一种将采样数据流光栅化的方法，该方法主要包括：对被测信号进行采样获得表达被测信号幅值随时间变化的采样点的数据流；将该数据流暂时分割为多个时间帧，每个时间帧包括多个时间段，每一个时间段包括多个幅值；计算每一个时间帧的每一个时间段所对应的采样点的幅值出现的次数，以提供每一个时间帧的每一个时间段的幅值的统计图。其中，每一个时间段和每一个幅值即对应着数字光栅显示器的一个像素，通过统计落入一个像素范围内的采样点数量便可以确定一个波形在各个像素上的亮度，由此方法生成的表征各个像素亮度强度的数据我们这里称之为强度信息。需要指出的是，在该方法中，如果示波器的采样率增大，那么每一个时间段内所采集到的采样点也会增多，对应的，每一个时间段在每一个幅度上出现的次数也会增多。这样带来的结果就是，随着示波器采样率的改变，示波器显示的亮度也发生了变化，这可能会干扰到用户的使用，是用户所不希望看到的。上述专利号为US6,847,905B2的美国专利的全部内容在此一并引用作为参考。

专利号为US5,065,147、申请日为1989年5月17日的美国专利公开了一种数字示波器。该专利指出，传统的模拟示波器由于余辉效果，不仅可以观察到最新的一条波形，还可以观察到之前的几条波形的余辉，这样，被测信号的噪音就可以明显的被观察到。为了克服该问题，该专利提出一种方法：获得新的第(N+X)帧波形，舍弃第X帧波形，使得始终保留显示N帧波形。即，屏幕总是显示最新的N帧波形的叠加。需要指出的是，在该方法中，如果示波器的时基减小，一帧波形的时间减小，那么同一段时间内帧数将会增加。这样带来的结果就是，随着示波器时基的变化，示波器显示的亮度也发生了变化，这可能会干扰到用户的使用，是用户所不希望看到的。上述专利号为US5,065,147的美国专利的全部内容在此一并引用作为参考。

根据上面的两个专利所公开的内容可知，影响显示器亮度的因此主要有两个，一个是一条波形的采样点数量，另一个是一次显示出来的波形的条数。

申请号为200610112531.5、申请日为2006年08月22日、公开日为2008.02.27的中国专利申请公开说明书公开了一种数字示波器的显示方法，包括：计算所述采样数据点在同一象素点上出现的概率包括：计算显示屏上一列象素点上出现的当前帧的采样数据点的个数N；根据所述采样数据点在显示屏上的纵坐标分别计算多帧的采样数据点在同一象素点上出现的个数Rn、…、R2、R1；其中，n为帧数；计算多帧的采样数据点在同一象素点上出现个数Rn、…、R2、R1的平均值R；根据所述的N和R计算所述多帧的采样数据点在同一象素点上出现的概率I。由于该概率I是多帧的采样数据点计算而来的，因此区别于一帧波形，显示器全部像素点所对应的该概率I就可以称之为累加强度信息。上述申请号为200610112531.5的中国专利申请公开说明书的全部内容在此一并引用作为参考。

在上述申请号为200610112531.5的中国专利申请公开说明书所公开的方法中，之所以计算多帧的采样数据点在同一象素点上出现个数Rn、…、R2、R1的平均值R而不是多帧的采样数据点在同一象素点上出现个数Rn、…、R2、R1的和，然后再除以N来得到多帧的采样数据点在同一象素点上出现的概率I，实际上是对累加强度信息进行归一化，来消除一条波形的采样点数量和波形的条数的影响。

但是，归一化处理需要利用除法操作，例如在计算平均值R时需要除以波形的条数，再利用R来计算I时需要除以一列象素点上出现的当前帧的采样数据点的个数N，而且波形的条数和一列象素点上出现的当前帧的采样数据点的个数N都是可变的变量。数字示波器内部在实现除法操作，特别是利用如FPGA这样的可编程逻辑器件实现除法操作时，需要消耗大量的资源，而且计算速度很慢。这样，不仅浪费了资源，而且较慢的运算速度会产生较大的死区时间，导致示波器的波形捕获率降低。

发明内容

本发明的目的之一在于，克服现有技术存在的亮度不稳定的问题，提供一种波形处理方法。

本发明的另一个目的在于，提供一种采用上述方法的数字示波器。

一种数字示波器，用于测量被测信号，所述数字示波器包括：数据采集部件，用于对被测信号采样，产生每条波形上的波形数据点信息；轨迹强度生成部件，用于根据每个时间段和每个幅度上，多条所述波形上的波形数据点信息，产生一个累加强度信息L和一个波形条数N；轨迹强度修正部件，用于依据所述波形条数N，对所述的累加强度信息进行衰减，产生一用于波形显示的修正累加强度信息。

在本发明的一个实施方式中，所述“衰减”是将累加强度信息L与修正系数S相乘得到修正累加强度信息Lout，其中，所述修正系数S随着所述多条波形的条数N的增大而减小，且0<S<1。

在本发明的一个实施方式中，所述修正系数其中，C为常数，且C>N。

在本发明的一个实施方式中，轨迹强度生成部件还依据所述的累加强度信息L产生一个所述累加强度信息L的最大值Lm，所述修正系数S还随着所述累加强度信息L的最大值Lm的增大而减小。

在本发明的一个实施方式中，所述修正系数其中，C、C1、C2为常数，且C大于N和Lm中较大者，(C1+C2)和C均为2的幂次。

一种波形处理方法，用于数字示波器，所述方法包括：数据采集步骤，对被测信号采样，产生每条波形上的波形数据点信息；轨迹强度生成步骤，根据每个时间段和每个幅度上，多条所述波形上的波形数据点信息，产生一个累加强度信息L和一个波形条数N；轨迹强度修正步骤，依据所述波形条数N，对所述的累加强度信息进行衰减，产生一用于波形显示的修正累加强度信息。

在本发明的一个实施方式中，所述“衰减”是将累加强度信息L与修正系数S相乘得到修正累加强度信息Lout，其中，所述修正系数S随着所述多条波形的条数N的增大而减小，且0<S<1。

在本发明的一个实施方式中，所述修正系数其中，C为常数，且C>N。

在本发明的一个实施方式中，所述轨迹强度生成步骤还依据所述的累加强度信息L产生一个所述累加强度信息L的最大值Lm，所述修正系数S还随着所述累加强度信息L的最大值Lm的增大而减小。

在本发明的一个实施方式中，所述修正系数其中，C、C1、C2为常数，且C大于N和Lm中较大者，(C1+C2)和C均为2的幂次。

本发明由于采用了轨迹强度修正技术，根据波形条数N对累加强度信息L进行衰减，可以在波形条数N增大的时候，加大对累加强度信息L的衰减，形成一个负反馈的效果，来一定程度的抵消由于波形条数N的增大而引起的波形轨迹亮度增大，达到稳定波形轨迹亮度的作用。

另外，本发明还根据所述累加强度信息L的最大值Lm对累加强度信息L进行衰减，可以在采样率增大而导致落入每个像素内波形数据点增多的时候，加大对累加强度信息L的衰减，形成一个负反馈的效果，来一定程度的抵消由于采样率增大而引起的波形轨迹亮度的增大，达到稳定波形轨迹亮度的作用。

附图说明

图1为根据本发明的示范性实施例的数字示波器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100执行的控制过程200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控制方法。

图1为根据本发明的示范性、较佳的实施例的数字示波器100的结构说明图。

参考图1，数字示波器100包括测量部件101、轨迹强度计算器102、轨迹强度合成器103、轨迹强度修正部件109、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，还得到并输出数字采样信号。

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数字采样信号产生触发信号。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数字采样信号符合触发条件时，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，控制轨迹强度计算器102从测量单元101采集所述数字采样信号。

需要说明的一点是，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，控制轨迹强度计算器102从测量单元101采集所述数字采样信号。

在本实施例中，轨迹强度计算器102接收来自测量部件101的数字采样信号，并根据所述数字采样信号计算出波形轨迹的强度信息。

具体而言，轨迹强度计算器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的数字采样信息中，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数字采样信号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，将上述关于数字采样信号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。

根据不同的应用，轨迹强度计算器102可以采用不同的波形轨迹的强度计算方法来计算波形轨迹的强度信息。这些方法均可以在现有技术中找到，为简洁起见，在本文中不再进行详细描述。

作为举例说明，对于不同的显示应用，轨迹强度计算器102也可以采用不同的波形轨迹的强度计算方法来计算波形轨迹的强度信息，比如对应于静态荧光显示效果时，轨迹强度计算器102可以采用已知的方法之一，或其组合计算出波形轨迹的强度信息。而对于动态荧光显示方式，轨迹强度计算器102也可以采用另外的一种方法，比如，将所有的波形轨迹的强度信息均设置为强度信息中的最大值，当然也可以采用逐次衰减的方式或按照某一计算方式生成每一条模型轨迹的强度信息。

在本实施例中，在中央控制器106的控制下，轨迹强度合成器103接收轨迹强度计算器102输出的多条波形轨迹的强度信息并进行累加，生成累加强度信息L和该多条波形的条数N。轨迹强度修正部件109用于依据所述波形条数N，对所述的累加强度信息进行衰减，产生一用于波形显示的修正累加强度信息。

在本实施例中，显示部件104包括强度映射装置107和LCD显示器108。强度映射装置107接收来自轨迹强度修正部件109输出的修正累加强度信息，将该修正累加强度信息映射为LCD显示器108的亮度，在对应LCD显示器的一个像素位置，轨迹强度修正部件109输出不同的修正累加强度信息时，强度映射装置107可以使LCD显示器108的该像素位置呈现不同的亮度。作为举例说明，针对不同的应用，或根据液晶显示器108的特性，强度映射装置107也可以进行色阶、灰度、单色、彩色或对比度映射。作为又一个举例说明，在所述示范性实施例中，LCD显示器108的屏幕像素可以为400×700，此时的累加强度信息L则包括与400×700屏幕像素一一对应的400×700个强度信息L_(i,j)，0≦i<400，0≦j<700。

为了进一步说明本示范性实施例的示波器100，下面结合参照图1、图2对示波器100的控制方法进行进一步说明：

图2示出了根据本发明示范性实施例的数字示波器100执行的控制过程200的流程图。控制过程200包括：

在步骤220，对被测信号采样，产生每条波形上的波形数据点信息。

在步骤230，根据每个时间段和每个幅度上，多条所述波形上的波形数据点信息，产生一个累加强度信息L和一个波形条数N。

在步骤240：依据所述波形条数N，对所述的累加强度信息进行衰减，产生一用于波形显示的修正累加强度信息。

下面详细介绍本实施方式中步骤230至步骤240的具体实现方法，应当指出，该具体实现方法只是一种范例性的、较佳的实施方式。

在步骤230中，轨迹强度合成器103可以通过如下操作来产生并输出累加强度信息：即，使轨迹强度合成器103将其内部保存的一个旧的累加结果强度信息L输出。同时，轨迹强度合成器103还接收在累加结果强度信息L输出期间从轨迹强度计算器102输出的一个或多个波形轨迹的强度信息，并将所述一个或多个波形轨迹的强度信息L重新累加，并保存形成新的累加结果强度信息L，以供再次运行在步骤230时调用。这样，就可以保证输出所述旧的累加强度信息L的同时也在产生新的累加强度信息L，使得数字示波器100不容易遗漏波形。其中，在首次执行操作230、轨迹强度合成器103内尚未保存任何累加结果强度信息L时，轨迹强度合成器103可以输出初始值。例如，所述初始值可以为0。同时，轨迹强度合成器103还向轨迹强度修正部件109输出一个波形条数N，来表示所述累加强度信息L是由多少条波形来累加的。波形条数N可以根据触发的次数来获得。

在步骤240中，轨迹强度修正部件109接收轨迹强度合成器103输出的累加强度信息L，例如，累加强度信息L包括400×700个强度信息L_(i,j)，0≦i<400，0≦j<700。轨迹强度修正部件109还接受所述波形条数N，根据所述波形条数N产生一个修正系数S。轨迹强度修正部件109将累加强度信息L中的400×700个强度信息L_(i,j)依次与一个修正系数S相乘得到修正累加强度信息Lout。修正累加强度信息Lout也包括400×700个修正强度信息Lout_(i,j)，0≦i<400，0≦j<700。

在本实施方式中，所述修正系数S随着所述多条波形的条数N的增大而减小，且0<S<1。第一，0<S<1使得将累加强度信息L与修正系数S相乘能够达到衰减的目的；第二，修正系数S随着所述多条波形条数N的增大而减小，可以在波形条数N增大的时候，加大对累加强度信息L的衰减，形成一个负反馈的效果，来一定程度的抵消由于波形条数N的增大而引起的波形轨迹亮度增大，达到稳定波形轨迹亮度的作用。

在本发明的另一个实施方式中，所述修正系数其中，C为常数，且C>N。由于N是一个正整数，因此设定一个常数C且C>N的目的是使再利用的目的是使得S随着所述多条波形条数N的增大而减小。由于数字示波器100中，波形条数N不可能无限大，因此，只要将C设定为大于波形条数N的最大值即可。

在本发明的另一个实施方式中，轨迹强度合成器103还依据所述的累加强度信息L产生一个所述累加强度信息L的最大值Lm。轨迹强度合成器103将累加强度信息L、所述波形条数N和所述累加强度信息L的最大值Lm输出至轨迹强度修正部件109。轨迹强度修正部件109根据所述波形条数N和所述累加强度信息L的最大值Lm产生一个修正系数S。轨迹强度修正部件109将累加强度信息L与修正系数S相乘得到修正累加强度信息Lout。所述修正系数S不仅随着所述多条波形的条数N的增大而减小，而且修正系数S还随着所述累加强度信息L的最大值Lm的增大而减小，且0<S<1。

在本实施方式中，修正系数S还随着所述累加强度信息L的最大值Lm的增大而减小，可以在采样率增大而导致落入每个像素内波形数据点增多的时候，加大对累加强度信息L的衰减，形成一个负反馈的效果，来一定程度的抵消由于采样率增大而引起的波形轨迹亮度的增大，达到稳定波形轨迹亮度的作用。

在本发明的另一个实施方式中，所述修正系数其中，C、C1、C2为常数，且C大于N和Lm中较大者，(C1+C2)和C均为2的幂次。需要说明的是：第一，C1和C2为波形条数N和累加强度信息L的最大值Lm的权重，通过设置C1和C2就可以调整的值，进而选择波形条数N和累加强度信息L的最大值Lm中的哪一个对修正系数S的影响更大。第二，由于C和Lm都是大于1的数，因此将C设置为大于N和Lm中较大者，可以使第三，将(C1+C2)和C均设定为2的幂次，是为了使得除法计算中的分母为一个定值且是2的幂次，由于2的幂次可以由二进制整形量来表达，因此这样的分母十分利于FPGA等可编程逻辑器件来实现上述除法计算。

本发明由于采用了轨迹强度修正部件109，根据波形条数N对累加强度信息L进行衰减，可以在波形条数N增大的时候，加大对累加强度信息L的衰减，形成一个负反馈的效果，来一定程度的抵消由于波形条数N的增大而引起的波形轨迹亮度增大，达到稳定波形轨迹亮度的作用。

另外，本发明还根据所述累加强度信息L的最大值Lm对累加强度信息L进行衰减，可以在采样率增大而导致落入每个像素内波形数据点增多的时候，加大对累加强度信息L的衰减，形成一个负反馈的效果，来一定程度的抵消由于采样率增大而引起的波形轨迹亮度的增大，达到稳定波形轨迹亮度的作用。

Claims (6)

1.一种数字示波器，用于测量被测信号，所述数字示波器包括：

数据采集部件，用于对被测信号采样，产生每条波形上的波形数据点信息；

轨迹强度生成部件，用于根据每个时间段和每个幅度上，多条所述波形上的波形数据点信息，产生一个累加强度信息L和一个波形条数N；

轨迹强度修正部件，用于依据所述波形条数N，对所述的累加强度信息L进行衰减，产生一用于波形显示的修正累加强度信息Lout；

所述衰减是将累加强度信息L与修正系数S相乘得到修正累加强度信息Lout，其中，所述修正系数S随着所述多条波形条数N的增大而减小，且0<S<1，

或者

轨迹强度修正部件，用于依据所述波形条数N和所述的累加强度信息L产生一个所述的累加强度信息L的最大值Lm，所述修正系数S还随着所述累加强度信息L的最大值Lm的增大而减小。

2.如权利要求1所述数字示波器，其特征在于，所述修正系数其中，C为常数，且C>N。

3.如权利要求1所述数字示波器，其特征在于，所述修正系数其中，C、C1、C2为常数，且C大于N和Lm中较大者，(C1+C2)和C均为2的幂次。

4.一种波形处理方法，用于数字示波器，所述方法包括：

数据采集步骤，对被测信号采样，产生每条波形上的波形数据点信息；

轨迹强度生成步骤，根据每个时间段和每个幅度上，多条所述波形上的波形数据点信息，产生一个累加强度信息L和一个波形条数N；

轨迹强度修正步骤，依据所述波形条数N，对所述的累加强度信息L进行衰减，产生一用于波形显示的修正累加强度信息Lout；

所述衰减是将累加强度信息L与修正系数S相乘得到修正累加强度信息Lout，其中，所述修正系数S随着所述多条波形条数N的增大而减小，且0<S<1，或者

所述轨迹强度生成步骤依据所述波形条数N和所述的累加强度信息L产生一个所述累加强度信息L的最大值Lm，所述修正系数S还随着所述累加强度信息L的最大值Lm的增大而减小。

5.如权利要求4所述的波形处理方法，其特征在于，所述修正系数其中，C为常数，且C>N。

6.如权利要求4所述的波形处理方法，其特征在于，所述修正系数其中，C、C1、C2为常数，且C大于N和Lm中较大者，(C1+C2)和C均为2的幂次。