CN103969484B - 高刷新率波形合成器和高刷新率示波器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了高刷新率波形合成器，用于实现通过缩短Tmap来提高波形刷新率WRR，提高数字示波器抓取波形细节的能力，优化数字示波器的性能。本发明实施例一种高刷新率波形合成器，包括：数据分发模块、存储模块、合成模块以及数据整合模块；所述存储模块，由n个存储子模块组成；所述合成模块，由n个合成子模块组成；n个存储子模块与n个合成子模块一一对应地并行连接；所述存储子模块用于存储波形数据；所述合成子模块用于合成采集数据和所述波形数据，并将得到的新的波形数据写入对应的存储子模块，所述波形数据从对应的所述存储子模块中读取得到。本发明实施例还提供高刷新率示波器。

Description

高刷新率波形合成器和高刷新率示波器

技术领域

本发明涉及示波器领域，尤其涉及高刷新率波形合成器和高刷新率示波器。

背景技术

波形刷新率(WRR)是评判数字示波器性能优劣的重要指标之一，它直接体现了数字示波器抓取波形细节的能力，波形刷新率越高意味着捕获异常的能力越强。

目前，数字示波器一般都将采集到的或叠加后的波形数据存储到外部存储器中，每当数字示波器内的合成器对波形数据进行合成时，需要从外部存储器中读取波形数据，然后合成，最后再次将合成后的波形数据写入外部存储器。其中波形刷新率的公式为：

T_acq为采集时间，即采集一幅完整波形所需的时间，它和存储深度，采样率等因素有关。T_dead为死区时间，主要由2部分组成：波形数据读取时间T_r和波形数据映射时间T_map。数字示波器的系统架构决定后，T_acq和T_r也就基本上确定了，但不同的合成器会导致T_map不同，而且T_map一般远大于T_acq和T_r，所以波形刷新率可以近似等价于：

因此T_map的大小直接影响波形刷新率。

图5为现有数字示波器的合成系统的结构图，采样电路S从外部采集信号存入外部动态存储器M1，合成器根据采样数据读取外部静态存储器M2的波形数据，然后进行叠加操作，最后将叠加后的波形数据写回M2。假设一幅波形有k个采样点，则有：

T_map＝k*(t_rd+t_md+t_wr)――公式(1-3)

t_rd为外部静态存储器M2的读取时间，t_md为修改波形数据所需的时间，t_wr为将波形数据写入外部静态存储器所需的时间，在同步设计中，可以有t_rd＝t_md＝t_wr，所以公式(1-3)可以简化为：

T_map＝3k*t_rd――公式(1-4)

然而，从图1中可以看出，现有数字示波器的合成器需要从外出静态存储器中执行“读取-修改-写入”的操作才能进行波形数据的合成，并且每次只能映射一个波形数据，这就限制了合成器的合成效率，也就是导致了T_map的时间过长，难以通过缩短T_map来提高波形刷新率WRR，这已经成为了数字示波器的波形刷新率提高的瓶颈，亟需一种提高波形刷新率的合成器来解决。

发明内容

本发明实施例提供了高刷新率波形合成器，能够实现通过缩短T_map来提高波形刷新率WRR，提高数字示波器抓取波形细节的能力，优化数字示波器的性能。

本发明实施例提供的一种高刷新率波形合成器，包括：

数据分发模块、存储模块、合成模块以及数据整合模块；

所述存储模块，由n个存储子模块组成；

所述合成模块，由n个合成子模块组成；

n个存储子模块与n个合成子模块一一对应地并行连接；

所述存储子模块用于存储波形数据；

所述合成子模块用于合成采集数据和所述波形数据，并将得到的新的波形数据写入对应的存储子模块，所述波形数据从对应的所述存储子模块中读取得到；

所述数据分发模块，用于将获取到的k个所述采集数据并行分发到n个合成子模块，每次只为每个合成子模块分发1个所述采集数据，k为所需采集的波形所有采集数据的个数；

所述数据整合模块，用于当所述合成模块将k个所述采集数据均合成处理后，从所述存储模块中读取到n个波形数据，并将n个所述波形数据整理合并成输出波形，输出所述输出波形。

可选地，所述存储子模块为双端口存储器。

可选地，

在所述合成子模块读取对应的所述存储子模块的波形数据的同时，所述合成子模块将合成得到的合成后的波形数据写入对应的存储子模块。

可选地，

n个所述合成子模块之间存在优先级关系。

可选地，

当k小于n时，所述数据分发模块将获取到的k个所述采集数据并行分发到k个优先级较高的所述合成子模块。

可选地，

当k＝n*i+j时，所述数据分发模块将获取到的n*i个所述采集数据并行分发到n个所述合成子模块，共分发i次，然后将剩下的j个所述采集数据并行分发到j个优先级较高的所述合成子模块，i为整数且大于0，j为整数。

可选地，

所述存储子模块为块随机存储器。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例中，一种高刷新率波形合成器，包括：数据分发模块、存储模块、合成模块以及数据整合模块；所述存储模块，由n个存储子模块组成；所述合成模块，由n个合成子模块组成；n个存储子模块与n个合成子模块一一对应地并行连接；所述存储子模块用于存储波形数据；所述合成子模块用于合成采集数据和所述波形数据，并将得到的合成后的波形数据写入对应的存储子模块，所述波形数据从对应的所述存储子模块中读取得到；所述数据分发模块，用于将获取到的k个所述采集数据并行分发到n个合成子模块，每次只为每个合成子模块分发1个所述采集数据，k为所需采集的波形所有采集数据的个数；所述数据整合模块，用于当所述合成模块将k个所述采集数据均合成处理后，从所述存储模块中读取到n个波形数据，并将n个所述波形数据整理合并成输出波形，输出所述输出波形。在本发明实施例中，n个存储子模块与n个合成子模块并行连接，当数据分发模块将采集数据并行分发到n个合成子模块中后，n个合成子模块可以并行工作，在同一时刻映射n个波形数据，可以同时合成处理得到n个合成后的波形数据，因此该高刷新率波形合成器采集一个波形，并完成输出一个输出波形需要的波形数据映射时间为T_map/n，根据可以知道，波形刷新率WRR近似提高了n倍。该高刷新率波形合成器实现了通过缩短T_map来提高波形刷新率WRR，提高了数字示波器抓取波形细节的能力，优化了数字示波器的性能。

附图说明

图1为本发明实施例中高刷新率波形合成器一个实施例结构图；

图2为本发明实施例中高刷新率波形合成器另一个实施例结构图；

图3为本发明实施例中高刷新率波形合成器另一个实施例结构图；

图4为本发明实施例中高刷新率示波器一个实施例示意图；

图5为本发明实施例中现有数字示波器的合成系统的结构图。

具体实施方式

本发明实施例提供了高刷新率波形合成器和高刷新率示波器，用于实现通过缩短T_map来提高波形刷新率WRR，提高数字示波器抓取波形细节的能力，优化数字示波器的性能。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中一种高刷新率波形合成器一个实施例包括：

数据分发模块101、存储模块102、合成模块103以及数据整合模块104；

该存储模块102，由n个存储子模块1021组成；

该合成模块103，由n个合成子模块1031组成；

n个存储子模块1021与n个合成子模块1031一一对应地并行连接；

该存储子模块1021用于存储波形数据；

该合成子模块1031用于合成采集数据和该波形数据，并将得到的合成后的波形数据写入对应的存储子模块1021，该波形数据从对应的该存储子模块1021中读取得到；

该数据分发模块101，用于将获取到的k个该采集数据并行分发到n个合成子模块1031，每次只为每个合成子模块1031分发1个该采集数据，k为所需采集的波形所有采集数据的个数；

该数据整合模块104，用于当该合成模块103将k个该采集数据均合成处理后，从该存储模块102中读取到n个波形数据，并将n个该波形数据整理合并成输出波形，输出该输出波形。

本实施例中，前面所说的一种高刷新率波形合成器的工作步骤为：该数据分发模块101将获取到的k个该采集数据并行分发到n个合成子模块1031，每次只为每个合成子模块1031分发1个该采集数据；然后，该合成子模块1031合成采集数据和该波形数据，并将得到的合成后的波形数据写入对应的存储子模块1021，该波形数据从对应的该存储子模块1021中读取得到；最后，当该合成模块103将k个该采集数据均合成处理后，该数据整合模块104从该存储模块102中读取到n个波形数据，并将n个该波形数据整理合并成输出波形，输出该输出波形。在本实施例中，n个存储子模块1021与n个合成子模块1031并行连接，当数据分发模块101将采集数据并行分发到n个合成子模块1031中后，n个合成子模块1031可以并行工作，在同一时刻映射n个波形数据，可以同时合成处理得到n个合成后的波形数据，因此该高刷新率波形合成器采集一个波形，并完成输出一个输出波形需要的波形数据映射时间为T_map/n，根据可以知道，波形刷新率WRR近似提高了n倍。该高刷新率波形合成器实现了通过缩短T_map来提高波形刷新率WRR，提高了数字示波器抓取波形细节的能力，优化了数字示波器的性能。

为便于理解，下面对本发明实施例中一种高刷新率波形合成器进行详细描述，请参阅图2，本发明实施例中一种高刷新率波形合成器另一个实施例包括：

数据分发模块201、存储模块202、合成模块203以及数据整合模块204；

该存储模块202，由n个存储子模块2021组成；

该合成模块203，由n个合成子模块2031组成；

n个存储子模块2021与n个合成子模块2031一一对应地并行连接；

该存储子模块2021用于存储波形数据；

该合成子模块2031用于合成采集数据和该波形数据，并将得到的合成后的波形数据写入对应的存储子模块2021，该波形数据从对应的该存储子模块2021中读取得到；

该数据分发模块201，用于将获取到的k个该采集数据并行分发到n个合成子模块2031，每次只为每个合成子模块2031分发1个该采集数据，k为所需采集的波形所有采集数据的个数；

该数据整合模块204，用于当该合成模块203将k个该采集数据均合成处理后，从该存储模块202中读取到n个波形数据，并将n个该波形数据整理合并成输出波形，输出该输出波形。

优选地，该存储子模块2021为双端口存储器。在该合成子模块2031读取对应的该存储子模块2021的波形数据的同时，该合成子模块2031可以将合成得到的合成后的波形数据写入对应的存储子模块2021。因此，合成子模块2031在执行“读取-修改-写入”操作时可以做到同时工作，不会受限与存储子模块2021的读取和写入端口，实现合成子模块2031的流水处理。因此对于包括n个合成子模块2031的合成模块203来说，可以得到：

T_map＝(k/n)*t_rd――公式(1―5)

对比公式(1-4)和公式(1-5)可以看出，与一般的合成器相比，T_map减少为原先的1/3n，波形刷新率约提高3n倍。从公式(1-5)可以看出，T_map和n成反比关系，从理论上分析n→∞时，T_map→0，意味着波形刷新率可以做到很大。

优选地，n个该合成子模块2031之间存在优先级关系。当k小于n时，该数据分发模块201将获取到的k个该采集数据并行分发到k个优先级较高的该合成子模块2031。当k＝n*i+j时，该数据分发模块201将获取到的n*i个该采集数据并行分发到n个该合成子模块2031，共分发i次，然后将剩下的j个该采集数据并行分发到j个优先级较高的该合成子模块2031，i为整数且大于0，j为整数。

优选地，该存储子模块2021为块随机存储器，即BRAM(Block RAM)。需要说明的是，该存储子模块2021可以与该合成子模块2031集成在同一块电路板上，通过优化存储子模块2021与合成子模块2031之间的连接关系进一步提高合成子模块2031对存储子模块2021的“读取-修改-写入”的速度。

在本实施例中，n个存储子模块2021与n个合成子模块2031并行连接，当数据分发模块201将采集数据并行分发到n个合成子模块2031中后，n个合成子模块2031可以并行工作，在同一时刻映射n个波形数据，可以同时合成处理得到n个合成后的波形数据，因此该高刷新率波形合成器采集一个波形，并完成输出一个输出波形需要的波形数据映射时间为T_map/n，根据可以知道，波形刷新率WRR近似提高了n倍。该高刷新率波形合成器实现了通过缩短T_map来提高波形刷新率WRR，提高了数字示波器抓取波形细节的能力，优化了数字示波器的性能。进一步地，通过选择存储子模块2021为双端口存储器，可以实现合成子模块2031的流水处理，使得T_map减少为原先的1/3n，波形刷新率约提高3n倍，更进一步地提高高刷新率波形合成器的合成效率。并且，当存储子模块2021为块随机存储器时，与该合成子模块2031集成在同一块电路板上，不仅提高了高刷新率波形合成器的“读取-修改-写入”速度，更提高了高刷新率波形合成器的集成度，有利于生产和后期组装。

为便于理解，根据图2所描述的实施例，下面以一个实际应用场景对本发明实施例中一种高刷新率波形合成器进行描述，请参阅图2和图3：

1、采样电路将获取到的k个采样数据发送给外部动态存储器。

2、外部动态存储器将这k个采样数据转发到高刷新率波形合成器中的数据分发模块。

3、数据分发模块可以根据预置的分发规则将这k个采样数据并行发送到合成子模块G1、G2……Gn中，每次只给每个合成子模块发送1个采样数据。假设k＝n*i+j，则数据分发模块可以在前i次给n个合成子模块分发，第i+1次只分发j个采样数据，这j个采样数据分发给n个合成子模块中的哪j个由合成子模块之间的优先级进行决定。

4、当数据分发模块第一次分发n个采样数据给合成子模块时，合成子模块从存储子模块BRAM1、BRAM2……BRAMn中提取波形数据，此时，BRAM1、BRAM2……BRAMn中的波形数据为0(也即是没有波形数据)，合成子模块执行修改操作后将合成后的波形数据写入存储子模块。可以理解的是，由于波形数据为0，则合成采样数据和波形数据得出的合成后的波形数据，这个合成后的波形数据与采样数据相同。

5、当数据分发模块第2、3、4、……、i次分发n个采样数据给合成子模块时，合成子模块从存储子模块BRAM1、BRAM2……BRAMn中提取波形数据，此时，BRAM1、BRAM2……BRAMn中的波形数据存在(也即是存储有波形数据)，合成子模块执行修改操作后将合成后的波形数据写入存储子模块。

6、当数据分发模块第i+1次分发j个采样数据给合成子模块时，根据合成子模块之间的优先级设置，选择将这j个采样数据分发给其中优先级较高的j个合成子模块，然后这j个合成子模块从对应的j个存储子模块中读取对应的波形数据，并执行修改操作，然后将合成后的波形数据写入对应的存储子模块中。

7、当合成模块处理完k个采样数据之后，数据整合模块从存储子模块BRAM1、BRAM2……BRAMn中读取出n个波形数据，并将这n个波形数据整合成一个输出波形，将该输出波形发送给显示电路。

8、显示电路显示该输出波形。

9、由于存储子模块为双端口，因此在此过程中，合成子模块可以同时执行“读取-修改-写入”的操作，数据分发模块此时也是连续地给n个合成子模块分发采集数据，使得n个合成子模块可以实现流水处理，不需要停顿或者时间间隔，提高了合成的效率。

上面主要描述了一种高刷新率波形合成器，下面将对一种高刷新率示波器进行详细的描述，请参阅图4，本发明实施例中一种高刷新率示波器一个实施例包括：

采样电路301、外部动态存储器302、图1至3对应的实施例中任一个描述的高刷新率波形合成器303，显示电路304；

该采样电路301用于获得所需采集的波形的采集数据；

该外部动态存储器302用于动态存储该采样电路采集回来的该采集数据；

该显示电路304用于显示该高刷新率波形合成器303输出的输出波形。

需要说明的是，该外部动态存储器302可以通过串行数据传输的方式将该采集数据发送至该高刷新率波形合成器303；该高刷新率波形合成器303可以通过串行数据传输的方式将该输出波形发送至该显示电路304。

需要说明的是，该高刷新率波形合成器303可以为FPGA电路板。通过对FPGA电路板的设置逻辑资源，可以将FPGA电路板中的BRAM拆分为存储子模块BRAM1、BRAM2……BRAMn，并且可以在FPGA电路板中划分出n个合成子模块。

需要说明的是，一般现有的数字示波器的波形刷新率在200000wfms/s左右，而该高刷新率示波器理论上使得T_map减少为一般数字示波器的1/3n，波形刷新率约提高3n倍。从理论上分析n→∞时，T_map→0，意味着波形刷新率可以做到很大，甚至无穷大。但由于受限于现有硬件的工艺和技术，例如FPGA电路板的工艺和技术，该波形刷新率可能无法达到无穷大，但可以做出很大的提高。在实际试验中，可以轻易使得波形刷新率达到330000wfms/s左右。

在本实施例中，一种高刷新率示波器实现了通过使用高刷新率波形合成器303来缩短其中波形合成器的T_map，从而提高波形刷新率WRR，提高了数字示波器抓取波形细节的能力，优化了数字示波器的性能。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高刷新率波形合成器，其特征在于，包括：

数据分发模块、存储模块、合成模块以及数据整合模块；

所述存储模块，由n个存储子模块组成；

所述合成模块，由n个合成子模块组成；

n个存储子模块与n个合成子模块一一对应地并行连接；

所述存储子模块用于存储波形数据；

所述合成子模块用于合成采集数据和所述波形数据，并将得到的新的波形数据写入对应的存储子模块，所述波形数据从对应的所述存储子模块中读取得到；

所述数据分发模块，用于将获取到的k个所述采集数据并行分发到n个合成子模块，每次只为每个合成子模块分发1个所述采集数据，k为所需采集的波形所有采集数据的个数；

所述数据整合模块，用于当所述合成模块将k个所述采集数据均合成处理后，从所述存储模块中读取到n个波形数据，并将n个所述波形数据整理合并成输出波形，输出所述输出波形。

2.根据权利要求1所述的高刷新率波形合成器，其特征在于，所述存储子模块为双端口存储器。

3.根据权利要求2所述的高刷新率波形合成器，其特征在于，

在所述合成子模块读取对应的所述存储子模块的波形数据的同时，所述合成子模块将合成得到的新的波形数据写入对应的存储子模块。

4.根据权利要求1所述的高刷新率波形合成器，其特征在于，

n个所述合成子模块之间存在优先级关系。

5.根据权利要求4所述的高刷新率波形合成器，其特征在于，

当k小于n时，所述数据分发模块将获取到的k个所述采集数据并行分发到k个优先级较高的所述合成子模块。

6.根据权利要求4所述的高刷新率波形合成器，其特征在于，

当k＝n*i+j时，所述数据分发模块将获取到的n*i个所述采集数据并行分发到n个所述合成子模块，共分发i次，然后将剩下的j个所述采集数据并行分发到j个优先级较高的所述合成子模块，i为整数且大于0，j为整数。

7.根据权利要求1所述的高刷新率波形合成器，其特征在于，

所述存储子模块为块随机存储器。

8.一种高刷新率示波器，其特征在于，包括：

采样电路、外部动态存储器、权利要求1至7中任一项所述的高刷新率波形合成器以及显示电路；

所述采样电路用于获得所需采集的波形的采集数据；

所述外部动态存储器用于动态存储所述采样电路采集回来的所述采集数据；

所述显示电路用于显示所述高刷新率波形合成器输出的输出波形。

9.根据权利要求8所述的高刷新率示波器，其特征在于，

所述外部动态存储器通过串行数据传输的方式将所述采集数据发送至所述高刷新率波形合成器；

所述高刷新率波形合成器通过串行数据传输的方式将所述输出波形发送至所述显示电路。

10.根据权利要求8至9中任一项所述的高刷新率示波器，其特征在于，

所述高刷新率波形合成器为FPGA电路板。