CN103869123A

CN103869123A - 一种具有脉宽测量功能的示波器

Info

Publication number: CN103869123A
Application number: CN201210546573.5A
Authority: CN
Inventors: 龚桂强; 王悦; 王铁军; 李维森
Original assignee: Rigol Technologies Inc
Current assignee: Rigol Technologies Inc
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: CN103869123B

Abstract

本发明涉及一种具有脉宽测量功能的示波器，包括：信号比较单元、脉宽触发单元、中央控制单元和显示单元；所述信号比较单元，用于对被测信号的采样数据进行电平比较处理产生比较信号；所述脉宽触发单元，用于计算比较信号的脉宽时间，并将计算获取的脉宽时间与预设脉宽时间进行比较，在满足触发条件时产生触发信号；所述中央控制单元，用于配置一预设脉宽时间，并当所述脉宽触发单元产生触发信号时获取对应的所述比较信号的脉宽时间；所述显示单元，用于显示所述中央控制单元获取的脉宽时间。

Description

一种具有脉宽测量功能的示波器

技术领域

本发明涉及测试测量领域，特别涉及一种具有脉宽测量功能的示波器。

背景技术

现有的示波器计算脉宽主要步骤包括：首先，示波器进行数据采样，还可以对采样数据进行抽样、内插等处理之后，得到波形显示数据，并将波形显示数据存入专门的测量缓存空间。然后，测量模块对缓存中的波形显示数据以一定的算法进行波形测量。最后，再将测量的结果显示在屏幕上。利用波形显示数据测量脉宽主要包括两种方式。一是手动测量，即光标测量，在示波器显示界面上利用光标限定脉冲宽度，依据光标限定范围内的波形显示数据计算脉宽。

二是自动测量。获取示波器显示界面中某一特定位置的脉冲，其可以是中间的脉冲或最左边或者最右边的脉冲，依据该脉冲对应的波形显示数据计算脉宽。

上述示波器获取脉宽时，都是凭借波形显示数据来计算脉宽大小，波形显示数据可以是原始的采样数据，也可以是经过抽样、内插等处理的采样数据，因此脉宽的测量精度就相应的以示波器的采样率相关联上，采样率越高则脉宽的测量精度就越高，反之亦然。通常采样数据的采样率是随时基变化的。时基越大，采样率就越低。因此当在大时基下测量脉宽时，脉宽的精度会随之减小。例如，当时基达到100ms时，这时的采样率相对就比较低，达到兆级或K级，这时测量出的脉宽精度相应最大也就达到us级或ms级。

另外，在上述脉宽测量的现有技术中，脉宽测量与示波器的采用并不同步。脉宽测量并不是测量所有的采样波形，因为对示波器的采样脉宽进行测量时，测量一帧波形所需要的时间很长，这样导致波形刷新变慢。一般情况下只需要每秒测量几十次就足够，这样就导致有些采样波形并没有经过测量就被漏过。因此，现有脉宽测量技术获取脉宽的精度不高。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种具有脉宽测量功能的示波器，本发明采用同步测量的方法来计算示波器采样信号的脉宽，在不影响刷新速度基础上提高了获取的脉宽精度，并将获取的脉宽时间在示波器上显示出来。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有脉宽测量功能的示波器，包括：信号比较单元、脉宽触发单元、中央控制单元和显示单元；

所述信号比较单元，用于对被测信号的采样数据进行电平比较处理产生比较信号；

所述脉宽触发单元，用于计算比较信号的脉宽时间，并将计算获取的脉宽时间与预设脉宽时间进行比较，在满足触发条件时产生触发信号；

所述中央控制单元，用于配置一预设脉宽时间，并当所述脉宽触发单元产生触发信号时获取对应的所述比较信号的脉宽时间；

所述显示单元，用于显示所述中央控制单元获取的脉宽时间。

可选的，在本发明一实施例中，当所述脉宽触发单元不产生触发信号时，所述中央控制单元还用于获取示波器采样结束时刻对应所述比较信号的最后一个脉冲的脉宽时间。

可选的，在本发明一实施例中，所述信号比较单元产生多路比较信号。

可选的，在本发明一实施例中，所述脉宽触发单元针对所述多路比较信号中的数据，按照采样的时间顺序查找数据变化，获取相邻的两个不同类型数据变化之间的时间间隔，将其作为比较信号的脉宽时间。

可选的，在本发明一实施例中，所述信号比较单元进一步用于将触发信道的被测信号的幅度进行调理，将调理后的触发信道的被测信号经过模数转换后获得所述采样数据，将所述采样数据与比较电平进行比较产生比较信号。

可选的，在本发明一实施例中，还包括脉宽存储单元；

所述脉宽存储单元，用于在脉宽触发单元产生触发信号的时刻或示波器采样结束时刻存储对应地比较信号的脉宽时间，并通知所述中央控制单元获取比较信号的脉宽。

可选的，在本发明一实施例中，其特征在于，

所述中央控制单元还用于对信号处理进行配置；

所述示波器还包括：比较信号处理单元，用于根据中央控制单元的配置对所述信号比较单元获取的比较信号进行信号处理；所述信号处理包括：对来自多个通道的比较信号进行逻辑与、非、或、与非、或非的处理；

所述脉宽触发单元计算经过信号处理后的比较信号的脉宽时间。

可选的，在本发明一实施例中，所述显示单元直接将脉宽时间显示在示波器的显示屏上。

可选的，在本发明一实施例中，所述显示单元经统计处理的脉宽时间显示在示波器的显示屏上。

可选的，在本发明一实施例中，所述显示单元以图形的方式显示统计处理的脉宽时间的抖动及概率分布。

可选的，在本发明一实施例中，所述脉宽触发单元还用于依据比较信号进行触发逻辑处理，当所述比较信号满足触发条件时，获取与触发条件相对应的比较信号的比较时间；

所述显示单元还用于显示所述中央控制单元获取的比较时间；

可选的，在本发明一实施例中，所述比较时间包括：比较信号的周期、斜率时间、持续时间或两个比较信号之间的延迟时间。

上述技术方案具有如下有益效果：本发明提出的技术方案中能够获取的脉宽时间来自于原始的采样数据，没有经过抽样等处理，因此脉宽精度是固定的，进行脉宽测量时是实时进行测量，并且通过比较电平调节，能够对脉宽测量的精确性径向控制，提高了脉宽精度。另外，将脉宽时间通过示波器的显示屏形象科学的显示出来，为使用获取的脉宽时间打下基础。此外，本发明还可以显示脉宽触发单元所获取的脉宽时间，及时通知用户满足触发条件的脉宽时间值，提高了用户的体验度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种获取脉宽的方法的流程图；

图2为本发明提出的一种示波器的结构框图之一；

图3为本发明提出的一种示波器的结构框图之二；

图4为本发明提出的一种示波器的结构框图之三；

图5为示波器的实施例结构框图；

图6为示波器的实施例中的脉宽触发器的工作原理图；

图7为示波器的实施例中计算脉宽所用到的波形示意图；

图8为示波器的实施例中累加器的工作原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

脉宽包括两种方式，一种是系统产生触发，另一种是系统没有触发。当系统产生触发时，那么在触发时刻保存脉宽。如果系统没有产生触发，则在采样结束时刻保存对应地比较器产生的比较信号的脉宽。两种方式存在不同的效果，第一种方式是显示触发的脉宽时间，第二种是显示比较信号在示波器采样结束时刻对应的最后一个脉冲的脉宽时间。

如图1所示，为本发明提出的一种获取脉宽的方法流程图。该方法包括：

步骤101）：配置一预设脉宽时间，对被测信号的采样数据进行电平比较处理产生比较信号；

步骤102）：计算比较信号的脉宽时间，并将计算获取的脉宽时间与预设脉宽时间进行比较，在满足触发条件时产生触发信号；

步骤103）：当产生触发信号时获取对应的所述比较信号的脉宽时间；

步骤104）：显示获取的脉宽时间。

实施例中，步骤101）可产生多路比较信号。在步骤102）计算比较信号的脉宽时间时，针对所述多路比较信号中的数据，按照采样的时间顺序查找数据变化，获取相邻的两个不同类型数据变化之间的时间间隔，将其作为比较信号的脉宽时间。

实施例中，当步骤102）不产生触发信号时，步骤103）获取示波器采样结束时刻对应所述比较信号的最后一个脉冲的脉宽时间。

可选的，在本发明一实施例中，步骤101）进一步用于将触发信道的被测信号的幅度进行调理，将调理后的触发信道的信号经过模数转换后得到采样数据，将其与比较电平进行比较产生多路并行比较信号。

可选的，在本发明一实施例中，步骤104）直接将脉宽时间显示在示波器的显示屏上。

可选的，在本发明一实施例中，步骤104）经统计处理的脉宽时间显示在示波器的显示屏上。

可选的，在本发明一实施例中，步骤104）以图形的方式显示统计处理的脉宽时间的抖动及概率分布。

实施例中，可以在产生触发信号的时刻或示波器采样结束时刻存储比较信号的脉宽，并通知示波器的中央控制单元获取触发信道的信号脉宽。其中，优选以中断的方式通知所述中央控制单元获取触发信道的信号脉宽。

如图2所示，为本发明提出的一种示波器的结构框图之一。本发明提供了一种具有脉宽测量功能的示波器，包括：信号比较单元201、脉宽触发单元202、中央控制单元203和显示单元204；

所述信号比较单元201，用于对被测信号的采样数据进行电平比较处理产生比较信号；

所述脉宽触发单元202，用于计算比较信号的脉宽时间，并将计算获取的脉宽时间与预设脉宽时间进行比较，在满足触发条件时产生触发信号；

所述中央控制单元203，用于配置一预设脉宽时间，并当所述脉宽触发单元产生触发信号时获取对应的所述比较信号的脉宽时间；

显示单元204，用于显示所述中央控制单元获取的脉宽时间。

进一步地，当所述脉宽触发单元不产生触发信号时，所述中央控制单元203还用于获取示波器采样结束时刻对应所述比较信号的最后一个脉冲的脉宽时间。

如图3所示，为本发明提出的一种示波器的结构框图之二。还包括比较信号处理单元205；

所述比较信号处理单元205，用于对所述信号比较单元201获取的多路并行比较信号进行处理。

可选的，在本发明一实施例中，所述脉宽触发单元202针对所述多路比较信号中的数据，按照采样的时间顺序查找数据变化，获取相邻的两个不同类型数据变化之间的时间间隔，将其作为比较信号的脉宽时间。

可选的，在本发明一实施例中，所述信号比较单元201进一步用于将触发信道的被测信号的幅度进行调理，将调理后的触发信道的被测信号经过模数转换后获得所述采样数据，将所述采样数据与比较电平进行比较产生多路并行比较信号。

图4为本发明提出的一种示波器的结构框图之三，还包括脉宽存储单元206；

所述脉宽存储单元206，用于在脉宽触发单元202产生触发信号的时刻或示波器采样结束时刻存储触发信道的信号脉宽，并通知所述中央控制单元203获取触发信道的信号脉宽。

可选的，在本发明一实施例中，示波器更进一步包括：比较信号处理单元；所述比较信号处理单元205用于对所述信号比较单元获取的比较信号进行信号处理；所述信号处理包括：根据中央控制单元的配置对多路并行比较信号进行逻辑与、或、与非、或非的处理。此种情况下，所述脉宽触发单元202计算经过信号处理后的比较信号的脉宽时间。

可选的，在本发明一实施例中，所述显示单元204直接将脉宽时间显示在示波器的显示屏上。

可选的，在本发明一实施例中，所述显示单元204经统计处理的脉宽时间显示在示波器的显示屏上。

可选的，在本发明一实施例中，所述显示单元204以图形的方式显示统计处理的脉宽时间的抖动及概率分布。

可选的，在本发明一实施例中，所述脉宽触发单元202还用于依据比较信号进行触发逻辑处理，当所述比较信号满足触发条件时，获取与触发条件相对应的比较信号的比较时间；

所述显示单元204还用于显示所述中央控制单元203获取的比较时间；

可选的，在本发明一实施例中，所述触发逻辑处理可以是周期触发、斜率触发、持续时间触发、或者延迟触发等，相应的，显示单元204所显示的比较时间可以是满足触发条件时比较信号的周期、斜率时间、持续时间或两个比较信号之间的延迟时间等。

实施例1

如图5所示，为实施例中的示波器结构框图。在实施例中，有两个触发信道的信号，在图中分别以CH1和CH2表示。信号比较单元主要由模拟前端器、模数转换器ADC和数字比较器构成；比较信号处理单元主要由信号处理器构成；脉宽触发单元主要由脉宽触发器构成；脉宽存储单元主要由脉宽存储器构成。在图5中还给出了示波器的系统控制单元。图5中各部分的功能如下：

模拟前端器：对触发信道的被测信号进行调理，使输入的被测信号达到合适的幅度范围，以便ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）的处理。

ADC：将调理后的触发信道的被测信号以一定的采样率转变为数字信号。由于ADC采样速度比较快，触发系统无法以ADC的时钟进行触发，因此一般采用降低触发时钟并行处理数据的方式来进行触发。

数字比较器：通过设置比较电平和粘滞范围将ADC进来的8bit数据转换成1bit的比较信号，用以减少信号噪声带来的影响。在示波器中，数字比较器可以1个或多个并行工作。

信号处理器：根据中央控制单元的配置对输入的比较信号进行处理产生一组用于脉宽触发的信号，信号处理的方式包括下列中的一种：选择来自多个通道中的其中一个通道的比较信号，多个通道的比较信号进行逻辑与、或、与非、或非等处理。

脉宽触发器：计算信号处理器处理后的信号的脉宽，判断是否满足配置的脉宽大小。如果满足，则生成触发信号。

脉宽存储器：在触发信号产生时刻或示波器采样结束时刻存储脉宽触发器计算出的脉宽，并通知中央控制单元立刻读取脉宽。

中央控制单元：配置脉宽触发所需要的参数，获取脉宽存储器存储的脉宽信息并保存、处理及显示脉宽。

图5中所示的示波器的工作流程如下：

ADC采样的数据进入数字比较器产生多路并行的比较信号；本实施例中ADC的采样率为1GHz，一个触发通道的信号经过ADC和数字比较器后产生8路比较信号。

多个通道的比较信号进入信号处理器，信号处理器根据中央控制单元的配置对输入的比较信号进行处理。信号处理器对比较信号进行处理，可以使得脉宽触发单元以多种形式进行触发。如果信号处理器对多个通道进行逻辑与操作，则可以使脉宽触发单元实现持续时间形式的触发；如果信号处理器在通道边沿上产生一个脉冲，则可以使脉宽触发单元实现周期形式的触发；如果信号处理器在一个通道的两个比较电平之间产生一个脉冲，则可以使脉宽触发单元实现斜率形式的触发；如果信号处理器在两个通道的边沿产生一个脉冲，则可以使脉宽触发单元实现延迟形式的触发等等。

信号处理器处理完的信号输入至脉宽触发器中，如图6所示，为示波器的实施例中的脉宽触发器的工作原理图。脉宽触发器包括脉宽计算模块和比较模块。其中，脉宽计算模块用来计算信号处理器处理后的信号脉宽，并将计算的结果输入至比较模块中。比较模块用于根据中央控制模块配置的比较模式，将脉宽计算模块获取的脉宽时间与中央控制单元配置的预设脉宽时间进行比较来产生一个触发信号。其中，比较模式包括：大于预设脉宽时间、小于预设脉宽时间、大于等于预设脉宽时间或者小于等于预设脉宽时间等等。如果符合要求且在脉宽结束时刻产生触发信号。正脉宽触发时，脉宽结束时刻为下降沿，负脉宽触发时，脉宽结束时刻为上升沿。

如图7所示，为示波器的实施例中计算脉宽所用到的波形示意图。ADC对CH1信号进行1GHz采样率，触发时钟为125MHz，产生的数据经数字比较器产生8路并行比较信号，图6中的D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7为8路并行的比较信号波形。CH1原始信号的脉宽根据并行的比较信号来计算。针对8路比较信号D1~Dn中的数据，按照采样的时间顺序查找数据变化，在出现数据变化“01”时，为起始脉宽位置，在出现相邻下一个数据变化“10”时，为终止脉宽位置；所获取的比较信号的脉宽即为起始脉宽位置和终止脉宽位置之间的时间间隔。那么计算脉宽应该为：

CH1比较信号的脉宽时间=起始脉宽时间+终止脉宽时间+脉宽累加时间×8

因为图7中的比较信号为并行的，具体的，按照下式获取与数据变化“01”“10”所对应的起始脉宽时间T1和终止脉宽时间T2。

与数据变化对应的起始脉宽时间

其中，n表示并行的比较信号的路数，本实施例n=8。m表示从0变为1的信号在n路并行信号中的位置。图7中，计算起始时刻T1时，m=4。

与数据变化对应的终止脉宽时间T2=时钟周期*（w-1)/n，其中，n表示并行的比较信号的路数，本实施例n=8。w表示从1变为0的信号在n路并行信号中的位置，w=1,2,3,4……n。图7中，计算起始时刻T2时，w=4。所述时钟周期是指触发时钟的周期。

其中，脉宽累加时间通过累加器计算完成，如图8所示，为示波器的实施例中累加器的工作原理图。因为累加器是在8个比较信号都为高的时候加1，因此最终计算脉宽时需要将累加时间乘以8。起始脉宽时间和终止脉宽时间分别表示CH1信号的脉宽边沿时间。为了提高脉宽的精度，可以通过比较信号直接判断出来，由图7可知，起始脉宽时间为5ns，结束脉宽时间为3ns。8路并行的比较信号同时为高电平的时间为3个时钟脉冲，即24ns。因此，图7中的CH1信号的脉宽为32ns。

图7是以正脉宽为例，还可以是负脉宽，则计算数据变化从10到01之间的间隔。负脉宽测量时先对比比较信号进行逻辑非处理，然后计算逻辑非处理后的比较信号的正脉宽。还可以是正负脉宽。则既要计算数据变化从10到01之间的间隔，又要计算数据变化从01到10之间的间隔。计算过程基本相同，这里就不再重复。

脉宽存储单元在脉宽触发器产生触发信号时或示波器采样结束时刻将脉宽触发器计算的脉宽时间保存，并以中断的方式通知中央控制单元来读取脉宽时间。其中，脉宽触发时刻和示波器采样结束时刻是以脉宽触发时刻为优先的。如果产生脉宽触发则保存脉宽，如果没有产生脉宽触发则在示波器采样结束时刻保存脉宽。

比较信号可以由模拟比较器产生，然后以较高的触发时钟进行处理，从而得到较高的脉宽时间精度。如触发时钟为500MHz，那么脉宽时间精度就可达到2ns。

比较信号可以由模拟比较器产生，然后进行过采样，并且通过较低的时钟进行触发，也可得到较高的脉宽时间精度。如对模拟比较信号以1GHz的频率进行过采样，触发时钟为125MHz。

2个脉宽触发器可以并联，最后进行逻辑或处理，则可实现正负脉宽触发。

在实时性要求不是很高的情况下，中央控制单元也可以通过查询的方式获取脉宽时间。

中央控制单元在获取脉宽时间之后，不仅可以直接显示在屏幕上，也可对脉宽进行处理。例如：通过统计方式获取：触发信号的最大脉宽、触发信号的最小脉宽、当前触发信号的脉宽以及触发信号的平均脉宽。另外，中央控制单元在获取脉宽之后，根据脉宽变化，以图形方式表征脉宽的抖动变化及概率分布。

通过上面描述可以看出，获取的脉宽的精度是恒定的，因为脉宽获取是采用的ADC输出的信号，没有传输通道采样压缩等处理，精度保持恒定，并且脉宽精度为示波器的最高采样率，脉宽最小分辨率为示波器的最高采样周期时间。

由上述分析可知，要想提高脉宽精度，一种方法是提高ADC采样率，另一种是对ADC采样后的数据进行插值处理。

脉宽显示方式可以分为3种：

1）：直接在示波器的显示屏上显示脉宽；

2）：统计的方式显示脉宽；

3）：图形的方式统计脉宽时间的抖动及概率分布。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有脉宽测量功能的示波器，其特征在于，包括：信号比较单元、脉宽触发单元、中央控制单元和显示单元；

2.根据权利要求1所述的示波器，其特征在于，当所述脉宽触发单元不产生触发信号时，所述中央控制单元还用于获取示波器采样结束时刻对应所述比较信号的最后一个脉冲的脉宽时间。

3.根据权利要求1或2所述的示波器，其特征在于，所述信号比较单元产生多路比较信号。

4.根据权利要求3所述的示波器，其特征在于，所述脉宽触发单元针对所述多路比较信号中的数据，按照采样的时间顺序查找数据变化，获取相邻的两个不同类型数据变化之间的时间间隔，将其作为比较信号的脉宽时间。

5.根据权利要求1或2所述的示波器，其特征在于，所述信号比较单元进一步用于将触发信道的被测信号的幅度进行调理，将调理后的触发信道的被测信号经过模数转换后获得所述采样数据，将所述采样数据与比较电平进行比较产生比较信号。

6.根据权利要求1或2所述的示波器，其特征在于，还包括脉宽存储单元；

7.根据权利要求1或2所述的示波器，其特征在于，

所述中央控制单元还用于对信号处理进行配置；

8.根据权利要求1或2所述的示波器，其特征在于，所述显示单元直接将脉宽时间显示在示波器的显示屏上。

9.根据权利要求1或2所述的示波器，其特征在于，所述显示单元经统计处理的脉宽时间显示在示波器的显示屏上。

10.根据权利要求1或2所述的示波器，其特征在于，所述显示单元以图形的方式显示统计处理的脉宽时间的抖动及概率分布。

11.根据权利要求1或2所述的示波器，其特征在于，所述脉宽触发单元还用于依据比较信号进行触发逻辑处理，当所述比较信号满足触发条件时，获取与触发条件相对应的比较信号的比较时间；

所述显示单元还用于显示所述中央控制单元获取的比较时间；所述比较时间包括：比较信号的周期、斜率时间、持续时间或两个比较信号之间的延迟时间。