CN103033664A - 一种数字三维示波器的波形亮度调节和校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字三维示波器的波形亮度调节和校正方法，用户可根据信号样点的命中概率，通过波形亮度调节对要观察的命中概率范围内的波形进行着重显示。采用正向幂律变换时，波形亮度等级随样点命中概率的增大而增大；采用负向幂律变换时，波形亮度等级随样点命中概率的增大而减小；在使用正向幂律变换和负向幂律变换时，可调节波形亮度校正参数来调节波形的亮度分辨率，便于观察不同命中频率范围内的信号。采用分段变换方法，可特别关注落在命中频率某一范围的波形样点。本发明可观察特定频率范围内的波形和任意改变波形显示亮度，弥补了现有数字三维示波器的缺陷，使捕获的波形能显示更多的细节信息。

Description

一种数字三维示波器的波形亮度调节和校正方法

技术领域

本发明属于数字三维示波器技术领域，更为具体地讲，涉及一种三维示波器的波形亮度调节和校正方法。

背景技术

数字三维示波器(Digital Three-dimensional Oscilloscope,简称DTO)是指不仅能捕获和显示信号的时间-幅度(事件)信息，而且能够以不同的辉度或颜色等级显示不同事件出现概率的数字存储示波器(Digital Storage Oscilloscope,简称DSO)。数字三维示波器通常具有较高的波形捕获率。而示波器的波形捕获率是指单位时间内示波器所能捕获并显示的波形幅数，通常以波形幅数/秒(wfms/s)表示(摘自《GB/T 15289-2009数字存储示波器规范》中的定义)

波形捕获率是数字存储示波器的四大重要指标之一，波形捕获率越高，单位时间内捕获并显示的波形幅数越多，所呈现的波形细节越丰富，有利于对波形的观察和分析。从波形捕获率的定义可知，示波器的波形捕获率同时包含了波形捕获和波形显示两个方面，要提高波形捕获率，显示更多的波形细节信息，不仅要提高波形捕获速度，还要改善波形的显示方法。

传统的数字存储示波器都可以连续调节LCD上显示波形的亮度，以得到满足不同需要的显示效果。在数字存储示波器数据处理及显示机制中，波形显示只提供了输入信号的幅度及时间的二维信息，没有第三维信息(幅度随时间变化关系)的累加，LCD上的波形显示只有“有”、“无”颜色两个状态，没有“多深”的信息。因此，在数字存储示波器的显示波形亮度调节过程中，波形整体按照一定的比例变亮或者变暗。

数字三维示波器采用基于并行结构的波形映射技术，数字存储示波器的波形捕获率大大提升，能够在短时间内收集更多的波形，产生细节相当丰富的三维波形数据库。但是该三维数据库内容是波形幅度信息随时间的分布情况，并不是用户可见的颜色信息，因此系统需要在将三维数据库的内容周期性的输出显示之前，进行必要的色彩转换，然后再将幅度、时间、幅度随时间变化关系(波形概率信息)送到LCD显示。

目前数字三维示波器采用的输出显示方法如下：

如果一次采集的采样点数为n，ADC的采样精度为d bit，则每个采样点的可能取值有m＝2^d个。因此，数字三维示波器进行波形显示处理时，可将三维位图数据库看作是一个m×n的二维矩阵如下：

$A=\left(\begin{array}{c}{K}_{11},K_{12},\·\·\·,K_{1n}\\ K_{21},K_{22},\·\·\·,K_{2n}\\ \·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\\ K_{m1},K_{m2},\·\·\·{,K}_{\mathrm{mn}}\end{array}\right)$

其中，矩阵A中元素K_ij的大小代表了在N次采集中，在j时刻采样点的取值为i的命中次数。如果矩阵A的i行j列元素的命中次数为K_ij，在一次刷新周期内三维位图数据库中所有元素的最大值为K_max，则j时刻采样点取值为i的命中概率为0≤p_ij＝K_ij/K_max≤1，由此可得：

$P=\left(\begin{array}{c}{p}_{11},p_{12},\·\·\·,p_{1n}\\ p_{21},p_{22},\·\·\·,p_{2n}\\ \·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\\ p_{m1},p_{m2},\·\·\·,p_{\mathrm{mn}}\end{array}\right)$

用户可调的波形强度最小值系数和最大值系数分别为p_min、p_max(1%≤p_min＜p_max≤100%)。波形亮度等级的最小值和最大值分别为B_min、B_max，则每个点的概率p_ij与波形亮度等级B_ij的映射关系如下：

(1)当p_ij≤p_min时，B_ij＝B_min；

(2)当P_min＜p_ij＜p_max时， $B_{\mathrm{ij}}=B_{\min }+\frac{B_{\max }-B_{\min }}{p_{\max }-p_{\min }}*(\frac{K_{\mathrm{ij}}}{K_{\max }}-p_{\min }),$ 信号出现的概率与显示亮度呈线性均匀变化的关系；

(3)当p_ij＞p_max时，B_ij＝B_max；

此时，LCD上显示的是包含了信号概率信息的图像，信号出现概率高的地方波形会以较深的颜色表征出来；反之，信号出现概率低的地方波形表征颜色较浅。

在现有技术中，上述过程一般是通过在FPGA中构造专门的快速查找表实现，如2011年05月25日公布的，公布号为CN102075774A，名称为“一种数字三维示波器显示波形亮度的快速调节方法”的中国发明专利申请公布的实现方法。如果想要观察重复周期信号中的偶发信号，现有的技术是将时刻T和幅度A条件下出现的统计次数K_ij进行取反运算，即C_ij＝N_max-K_ij，得到运算结果C_ij作为乘以波形强度档位L对应的比例值p_l，得到最终的波形颜色值，如2012年05月02日公布的，公布号为CN102435808A，名称为“一种数字三维示波器的波形显示方法”的中国发明专利申请公布的实现方法。

但是，在用数字三维示波器观测连续复现的周期性信号中可能出现的异常信号时，由于数字三维示波器具有较高的波形捕获率，将一次刷新周期捕获的多幅波形同时显示在LCD上，却由于异常信号出现的概率远低于周期信号出现的概率，在上述线性均匀变换的映射关系下，用户很难观测到颜色很暗的异常信号波形，从而丢失了波形的一些细节，不能体现三维数字示波器高波形捕获率的价值。另外，如果用户在观察混合信号时只对命中概率在一定范围的波形感兴趣，由于现有技术中信号出现的概率与显示亮度呈线性均匀变化的关系，就不能将感兴趣的波形从混合信号中分离出来进行观察。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字三维示波器的波形亮度调节和校正方法，改变命中概率到波形显示亮度值的转化规则，根据命中概率对欲观察波形进行亮度调节和校正，显示更多波形细节信息。

为实现上述发明目的，本发明数字三维示波器的波形亮度调节和校正方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、采集系统采用精度为d bit的ADC对信号进行采集，一次采集的采样点数为n，每个采样点有m＝2^d个可能幅度取值，将三维位图数据库表示为一个m×n的二维矩阵：

$A=\left(\begin{array}{c}{K}_{11},K_{12},\·\·\·,K_{1n}\\ K_{21},K_{22},\·\·\·,K_{2n}\\ \·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\\ K_{m1},K_{m2},\·\·\·,K_{\mathrm{mn}}\end{array}\right)$

其中，矩阵A中元素K_ij,1≤i≤m,1≤j≤n的大小代表了在N次采集中，在j时刻采样点取值为i的命中次数；在一次刷新周期内三维位图数据库中所有元素的最大值为K_max，则j时刻采样点取值为i的命中概率为0≤p_ij＝K_ij/K_max≤1，由此可得：

$P=\left(\begin{array}{c}{p}_{11},p_{12},\·\·\·,p_{1n}\\ p_{21},p_{22},\·\·\·,p_{2n}\\ \·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\\ p_{m1},p_{m2},\·\·\·,p_{\mathrm{mn}}\end{array}\right)$

(2)、采用正向幂律变换对波形进行显示，命中概率p_ij到波形显示亮度值B_ij的转化规则为：

B_ij＝cp_ij ^γ

其中c和γ是正常数，由用户设置；通过调节波形亮度校正参数γ来改变命中概率与亮度等级的函数关系：

①γ＝1，为线性变换，此时亮度等级是均匀分布的；

②γ＞1，用更多的亮度等级来显示小概率事件，对小概率事件的亮度分辨率更高；

③γ＜1，用更多的亮度等级来显示高概率事件，对高概率事件的亮度分辨率更高。

其中，步骤(2)中可采用负向幂律变换，命中概率p_ij到波形显示亮度值B_ij的转化规则为：

B_ij＝c(1-p_ij)^γ

其中c和γ是正常数，由用户设置；通过调节波形亮度校正参数γ来改变命中概率与亮度等级的函数关系：

①γ＝1，为线性变换，此时亮度等级是均匀分布的；

②γ＜1，用更多的亮度等级来显示小概率事件，对小概率事件的亮度分辨率更高；

③γ＞1，用更多的亮度等级来显示高概率事件，对高概率事件的亮度分辨率更高。

其中，步骤(2)中可采用分段变换法，设置要观察的命中概率范围p_l到p_h，p_l对应的波形亮度等级B₁，p_h对应的波形亮度等级B₂，以及命中概率在p_l到p_h之间的波形亮度等级B′，分段变换函数为：

①0≤p_ij＜p_l时，B_ij＝B₁；

②p_l≤p_ij≤p_h时，B_ij＝B′；

③p_ij＞p_h时，B_ij＝B₂。

本发明的发明目的是这样实现的：使用正向幂律变换观察波形时，信号命中概率高的波形亮度大，信号命中概率低的波形亮度小，并可通过改变波形亮度校正参数改变高概率事件或低概率事件的亮度分辨率，使波形细节更为清晰。使用负向幂律变换观察波形与正向幂律变换类似，信号命中概率低的波形亮度大，信号命中概率高的波形亮度小，同样可通过改变波形亮度校正参数改变高概率事件或低概率事件的亮度分辨率，使波形细节更为清晰。分段变换主要针对落在命中概率某一范围的波形样点，对其调节亮度从而着重显示。

采用本发明，用户可根据自己的意愿任意改变波形的显示亮度，对数字三维示波器显示的波形进行亮度调节与校正，便于关注落在命中概率某一范围的波形样点。

附图说明

图1是本发明数字三维示波器的波形亮度调节和校正方法中正向幂律变换示意图；

图2是应用本发明正向幂律变换的重复周期调幅信号波形图；

图3是本发明数字三维示波器的波形亮度调节和校正方法中负向幂律变换示意图；

图4是应用本发明负向幂律变换的重复周期调幅信号波形图；

图5是本发明数字三维示波器的波形亮度调节和校正方法中分段变换示意图；

图6是应用本发明分段变换的重复周期调幅信号波形图。

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，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。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，这些描述在这里将被忽略。

根据本发明研制的数字三维示波器，具有三种观察模式：正向幂律变换模式、负向幂律变换模式、分段变换模式。现以此数字三维示波器为例，对本发明数字三维示波器的波形亮度调节和校正方法进行说明。

步骤1：采集系统采用精度为d bit的ADC对信号进行采集，一次采集的采样点数为n，每个采样点有m＝2^d个可能幅度取值，可将三维位图数据库看作是一个m×n的二维矩阵：

$A=\left(\begin{array}{c}{K}_{11},K_{12},\·\·\·,K_{1n}\\ K_{21},K_{22},\·\·\·,K_{2n}\\ \·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\\ K_{m1},K_{m2},\·\·\·,K_{\mathrm{mn}}\end{array}\right)$

其中，矩阵A中元素K_ij,1≤i≤m,1≤j≤n的大小代表了在N次采集中，在j时刻采样点取值为i的命中次数。在一次刷新周期内三维位图数据库中所有元素的最大值为K_max，则j时刻采样点取值为i的命中概率为0≤p_ij＝K_ij/K_max≤1，由此可得：

$P=\left(\begin{array}{c}{p}_{11},p_{12},\·\·\·,p_{1n}\\ p_{21},p_{22},\·\·\·,p_{2n}\\ \·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\\ p_{m1},p_{m2},\·\·\·{,p}_{\mathrm{mn}}\end{array}\right)$

本实施例中，将采样点数K=800，垂直分辨为8bit的ADC采集的重复周期调幅信号送入数字三维示波器。

步骤2：设置示波器的波形观察模式为正向幂律变换模式。

图1是本发明数字三维示波器的波形亮度调节和校正方法中正向幂律变换示意图。如图1所示，命中概率p_ij到波形显示亮度值B_ij的转化规则为：

B_ij＝cp_ij ^γ

其中c和γ是正常数，由用户设置。

改变c可改变波形亮度的最大值，本实施例中设置c为255。

数字三维示波器经过正向幂律变换得到命中概率p_ij所对应的波形亮度等级B_ij，并进行显示，信号命中概率高的波形亮度大，信号命中概率低的波形亮度小。

用户通过调节波形亮度校正参数γ来改变命中概率与亮度等级的函数关系：

①γ＝1，为线性变换，此时亮度等级是均匀分布的；

②γ＞1，用更多的亮度等级来显示小概率事件，对小概率事件的亮度分辨率更高，适用于异常检测、毛刺检测等应用；

③γ＜1，用更多的亮度等级来显示高概率事件，对高概率事件的亮度分辨率更高，适用于观察波形点分布相对集中的信号。

图2是应用本发明正向幂律变换的重复周期调幅信号波形图。如图2所示，命中概率较高的波形亮度大，本实施例中设置波形亮度校正参数γ＝0.85，高概率事件的亮度分辨率更高，波形细节更加清晰。

步骤3：设置示波器的波形观察模式为负向幂律变换模式。

图3是本发明数字三维示波器的波形亮度调节和校正方法中负向幂律变换示意图。如图3所示，命中概率p_ij到波形显示亮度值B_ij的转化规则为：

B_ij＝c(1-p_ij)^γ

其中c和γ是正常数，由用户设置。

改变c可改变波形亮度的最大值，本实施例中设置c为255。

数字三维示波器经过负向幂律变换得到命中概率p_ij所对应的波形亮等级B_ij，并进行显示，此时波形亮度等级大小与命中概率高低的对应关系反向，即信号命中概率低的波形亮度大，信号命中概率高的波形亮度小。

用户也可通过调节波形亮度校正参数γ来改变命中概率与亮度等级的函数关系：

①γ＝1，为线性变换，此时亮度等级是均匀分布的；

②γ＜1，用更多的亮度等级来显示小概率事件，对小概率事件的亮度分辨率更高，适用于异常检测、毛刺检测等应用；

③γ＞1，用更多的亮度等级来显示高概率事件，对高概率事件的亮度分辨率更高，适用于观察波形点分布相对集中的信号。

图4是应用本发明负向幂律变换的重复周期调幅信号波形图。如图4所示，本实施例中，命中概率较低的波形亮度大，设置波形亮度校正参数γ＝4.0，高概率事件的亮度分辨率更高，波形细节更加清晰。

步骤3：设置示波器的波形观察模式为分段变换模式。

图5是本发明数字三维示波器的波形亮度调节和校正方法中分段变换示意图。如图5所示，设置要观察的命中概率范围p_l到p_h，p_l对应的波形亮度等级B₁，p_h对应的波形亮度等级B₂，以及命中概率在p_l到p_h之间的波形亮度等级B′。根据用户设定的参数(p_l,B₁)、(p_h,B₂)和B′，分段变换函数为：

①0≤p_ij＜p_l时，B_ij＝B₁；

②p_l≤p_ij≤p_h时，B_ij＝B′；

③p_ij＞p_h时，B_ij＝B₂。

图6是应用本发明分段变换的重复周期调幅信号波形图。如图6所示，本实施例中，用户设定的(p_l,B₁)＝(0.1,25)，(p_h,B₂)＝(0.31,40)，命中概率在p_l到p_h之间的波形亮度等级B′＝255。因此，图6所示的波形有三种不同的亮度，命中概率在0.1~0.31之间的波形亮度最大，为255；命中概率小于0.1的波形亮度最小，为25；命中概率大于0.31的波形亮度为40。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域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 (3)

1.一种数字三维示波器的波形亮度调节和校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、采集系统采用精度为d bit的ADC对信号进行采集，一次采集的采样点数为n，每个采样点有m＝2^d个可能幅度取值，将三维位图数据库表示为一个m×n的二维矩阵：

$A=\left(\begin{array}{c}{K}_{11},K_{12},\·\·\·,K_{1n}\\ K_{21},K_{22},\·\·\·,K_{2n}\\ \·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\\ K_{m1},K_{m2},\·\·\·{,K}_{\mathrm{mn}}\end{array}\right)$

其中，矩阵A中元素K_ij,1≤i≤m,1≤j≤n的大小代表了在N次采集中，在j时刻采样点取值为i的命中次数；在一次刷新周期内三维位图数据库中所有元素所有的最大值为K_max，则j时刻采样点取值为i的命中概率为0≤p_ij＝K_ij/K_max≤1，由此可得：

$P=\left(\begin{array}{c}{p}_{11},p_{12},\·\·\·,p_{1n}\\ p_{21},p_{22},\·\·\·,p_{2n}\\ \·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\\ p_{m1},p_{m2},\·\·\·,p_{\mathrm{mn}}\end{array}\right)$

(2)、采用正向幂律变换对波形进行显示，命中概率p_ij到波形显示亮度值B_ij的转化规则为：

B_ij＝cp_ij ^γ

其中c和γ是正常数，由用户设置；通过调节波形亮度校正参数γ来改变命中概率与亮度等级的函数关系：

①γ＝1，为线性变换，此时亮度等级是均匀分布的；

②γ＞1，用更多的亮度等级来显示小概率事件，对小概率事件的亮度分辨率更高；

③γ＜1，用更多的亮度等级来显示小概率事件，对高概率事件的亮度分辨率更高。

2.根据权利要求1所示的波形亮度调节和校正方法，其特征在于，步骤(2)中采用负向幂律变换，命中概率p_ij到波形显示亮度值B_ij的转化规则为：

B_ij＝cp_ij ^γ

其中c和γ是正常数，由用户设置；通过调节波形亮度校正参数γ来改变命中概率与亮度等级的函数关系：

①γ＝1，为线性变换，此时亮度等级是均匀分布的；

②γ＜1，用更多的亮度等级来显示小概率事件，对小概率事件的亮度分辨率更高；

③γ＞1，用更多的亮度等级来显示高概率事件，对高概率事件的亮度分辨率更高。

3.根据权利要求1所述的波形亮度调节方法，其特征在于，步骤(2)中采用分段变换法，设置要观察的命中概率范围p_l到p_h，p_l对应的波形亮度等级B_l，p_h对应的波形亮度等级B₂，以及命中概率在p_l到p_h之间的波形亮度等级B′，分段变换函数为：

①0≤p_ij＜p_l时，B_ij＝B₁；

②p_l≤p_ij≤p_h时，B_ij＝B′；

③p_ij＞p_h时，B_ij＝B₁。

Images