CN106597343A - 一种基于增益判断的示波器自动校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于增益判断的示波器自动校准方法，首先计算示波器各个幅度档位对应的数控衰减器的理论增益控制字，然后在每个幅度档位自动校准之前，从现有校准数据中读取当前幅度档位对应的数控衰减器增益控制字，如果在理论增益控制字的误差范围内，则执行该幅度档位的自动校准，否则跳过该幅度档位，在所有幅度档位校准完成之后，向用户输出自动校准信息以提示用户。本发明通过预先进行增益判断，避免了传统自动校准过程中增益有误时的超时等待时间，也可以有效避免由于增益有误产生的死循环，减少增益有误时的示波器自动校准时间，提高示波器自动校准效率与用户感受。

Description

一种基于增益判断的示波器自动校准方法

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于增益判断的示波器自动校准方法。

背景技术

示波器作为一种使用广泛的通用仪器，使用非常广泛。示波器要观察信号，首先要进过模拟通道的调理后，才能进行有效观察。模拟通道涉及增益调节、零偏调节、移动线性调节等，这些调节有些是在出厂前必须调节好的，比如增益控制，有些需在出厂后，随着使用时间的增加，可由用户进行调节的。示波器的自动校准功能主要包括零偏校准、移动线性校准、触发校准等。

图1是示波器的模拟通道示意图。如图1所示，信号在进入增益放大器、衰减器之前，通过DAC(Digital to analog converter，数字模拟转换器)在信号上加减一个小的偏置电压，通过调整此偏置电压来改变信号在后续用于信号采集的ADC(Analog-to-DigitalConverter模数转换器)上的输入电压，从而实现移位和零偏调节。DAC是一个数字模拟转换器，其调节是线性的。例如型号为MAX5136的16位DAC，每个步进可实现37.23μV的电压步进。衰减器可采用PE4302，PE4302是6bit数控衰减器，控制字范围(0x00～0x3f)，每个字对应0.5dB衰减。垂直灵敏度档位和控制字之间的关系由ADC的峰峰值电压Vpp决定。

此外，不同档位范围可附加固定倍率的放大、衰减。比如2mV固定放大10倍，5mV～100mV没有固定衰减和固定放大，200mV～2V固定衰减为20倍，没有固定放大，5V以上的档采用1000倍衰减。

校准零偏和移位线性的基本原理为：通过调节偏置DAC的输出，使其叠加到理论为0V平的输入上，经过增益放大、衰减，再通过ADC采集，然后分析ADC量化的数据，使其读数为0V。这个过程是一个反复调整和逼近的过程。

偏置DAC的调节的最小步进Step为37.23μV，假设一个待校准档位为50mV，采用8位的ADC进行采集，这样每位ADC量化的读数最小分辨率为2mV。假设增益为AMP，零偏调节字为Bias,通过ADC量化后读取的信号的电压为Disp_volt，则存在如下公式：

Step×Bias×AMP＝Disp_volt

假设Bias最小为1，那么以上公式可以简化为：

Step×AMP＝Disp_volt_min

以上述示波器为例，计算其部分档位最小ADC量化显示分辨率。表1是示波器最小ADC量化显示分辨率列表。

档位	量化最小显示分辨率	AMP最大值
			5mV	200μV	5.37
10mV	400μV	10.74
			20mV	800μV	21.48
50mV	2000μV	53.71
			100mV	4000μV	107.43

表1

如果增益大于上表所列，则无法进行精确校准。以50mV幅度档为例，则屏幕最小分辨率电压为2mV，由于DAC的步进电压Step是固定的37.23μV，则在不同的增益AMP下，则送到屏幕上的电压也不同。图2是不同增益下量化最小显示分辨率变化图。如图2所示，DAC每调节一个步进，电压变化37.23μV，即图中虚线的斜率，在正确的增益53.71下，ADC量化后读取的信号的电压正好为2mV，和50mV幅度档对应的屏幕最小分辨率电压相同。但是当增益大于53.71，ADC量化后读取的信号的电压大于2mV，就会造成调节的位置出现振荡的情况。

反过来，如果增益太小，则即使偏置调节范围使用完毕，也可能调节不到正确的位置。假设需要调节DAC的步进，在0V输入信号上加上一个偏置电压使送入到ADC的电压为350mV，即ADC采样值为128。图3是不同增益下DAC调节步进对比图。图3展示了在不同的AMP下，为了使ADC采样值为128，DAC需要调节的步进。AMP3是为正确的增益，对应的DAC为正确的步进值。如果增益为AMP5，则DAC步进为65535(最大可调步进)时，ADC采样值才为128，而ADC最大采样值为255，DAC无法调节到正确的位置，这样AMP5明显是错误的。ADC最大采样值为255，当增益太小，DAC调节到最大步进，也可能调节不到正确的位置。

此外，错误的增益还可能导致虚假的零偏校准。

综上可知，如果增益没有校准，一方面大大增加反复调整的次数，更有可能无法校准，导致校准的死循环。解决死循环的方式一般有2种：超时判断和超次数判断，其中超次数判断本质上为超时判断。为了保证可靠性和安全性，往往将超时判断的时间设置得比较长。因此当增益错误时，会大大增加校准时间，导致用户对校准结果的等待时间过长，降低用户感受。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于增益判断的示波器自动校准方法，在每个幅度档位进行自动校准前，先进行增益判断，从而提高示波器自动校准效率。

为实现上述发明目的，本发明基于增益判断的示波器自动校准方法，包括以下步骤：

S1：计算示波器各个幅度档位对应的数控衰减器的理论增益控制字C_word，其计算公式为：

其中，μV_perdot表示当前幅度档位的ADC最小显示电压分辨率，表示理论增益控制字为0的幅度档位的ADC最小显示电压分辨率，D_fix表示当前幅度档位下设计的固定增益放大倍数，A_fix表示前幅度档位下设计的固定增益衰减倍数，α表示信号进入ADC的分压比；

S2：从现有校准数据中读取当前幅度档位对应的数控衰减器增益控制字C′_word；

S3：如果C′_word∈[C_word-δ，C_word+δ]，δ表示误差范围参数，进入步骤S4，否则进入步骤S5；

S4：按照预定的自动校准流程执行该幅度档位的自动校准，进入步骤S6；

S5：记录本幅度档位的增益错误信息，进入步骤S6；

S6：如果所有幅度档位校正完毕，进入步骤S7，否则选择下一幅度档位，返回步骤S2；

S7：如果所有幅度档位都正常执行其自动校准，则向用户输出自动校准成功信息，否则向用户输出自动校准有误信息，自动校准有误信息中包括出现未执行自动校准的幅度档位的增益错误信息。

本发明基于增益判断的示波器自动校准方法，首先计算示波器各个幅度档位对应的数控衰减器的理论增益控制字，然后在每个幅度档位自动校准之前，从现有校准数据中读取当前幅度档位对应的数控衰减器增益控制字，如果在理论增益控制字的误差范围内，则执行该幅度档位的自动校准，否则跳过该幅度档位，在所有幅度档位校准完成之后，向用户输出自动校准信息以提示用户。本发明通过预先进行增益判断，避免了传统自动校准过程中增益有误时的超时等待时间，也可以有效避免由于增益有误产生的死循环，减少增益有误时的示波器自动校准时间，提高示波器自动校准效率与用户感受。

附图说明

图1是示波器的模拟通道示意图；

图2是不同增益下量化最小显示分辨率变化图；

图3是不同增益下DAC调节步进对比图；

图4是基于增益判断的示波器自动校准方法的具体实施方式流程图。

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。

实施例

图4是基于增益判断的示波器自动校准方法的具体实施方式流程图。如图4所示，本发明基于增益判断的示波器自动校准方法包括以下步骤：

S401：计算理论增益控制字：

一般情况下，增益控制分为3部分：数控衰减器、固定放大器、固定衰减器。增益的完整控制还包括其他的辅助手段，来达到精确控制，比如通过ADC来进行细调等，细调对零偏和移位控制的校准影响不大，故本发明中不考虑该因素。一般固定放大器和固定衰减器与幅度档有关，设计时倍数固定，因此在示波器出厂时增益可调的器件只有数控衰减器。因此本发明采用数控衰减器中的增益控制字来进行增益判断。

首先需要计算示波器各个幅度档位对应的数控衰减器的理论增益控制字C_word，其计算公式为：

其中，μV_perdot表示当前幅度档位的ADC最小显示电压分辨率，表示理论增益控制字为0(既不放大也不衰减)的幅度档位的ADC最小显示电压分辨率，理论增益控制字为0的幅度档位是在数控衰减器设计时确定，D_fix表示当前幅度档位下设计的固定增益放大倍数，A_fix表示前幅度档位下设计的固定增益衰减倍数，α表示信号进入ADC的分压比。

本实施例中PE4302数控衰减器为例，说明各档位的增益控制字计算过程。PE4302数控衰减器为6位，最大调节32dB，每步进为0.5dB。那么电压增益A(V)的计算公式为A(V)＝20lg(V_o/V_i)，其中V_o表示输出电压，V_i表示输入电压。假设在设计时令5mV档的增益控制字为0。本实施例中将ADC的数据在屏幕的垂直方向按1:1的比例在屏幕上显示，屏幕显示区域中用25个像素表示一个档位刻度，ADC最小显示电压分辨率μV_perdot应当为：幅度档位值÷25，那么5mV档时的ADC最小显示电压分辨率为5mV/25＝200μV。当幅度档位为100mV档时，其ADC最小显示电压分辨率μV_perdot为100mV//25＝4000(μV)。

本实施例中，假设示波器有14个幅度档位。表1是本实施例中示波器各档位对应的理论增益控制字列表。

序号	幅度档位	μVperdot	Afix	Dfix	Cword
						1	2mV/Div	80	10	1	24
2	5mV/Div	200	1	1	0
						3	10mV/Div	400	1	1	12
4	20mV/Div	800	1	1	24
						5	50mV/Div	2000	1	1	40
6	100mV/Div	4000	1	1	52
						7	200mV/Div	8000	1	20	12
8	500mV/Div	20000	1	20	28
						9	1V/Div	40000	1	20	40
10	2V/Div	80000	1	20	52
						11	5V/Div	200000	1	1000	0
12	10V/Div	400000	1	1000	12
						13	20V/Div	800000	1	1000	24
14	50V/Div	2000000	1	1000	40

表1

在示波器出厂时，调试人员会按照如表1所示中的增益控制字对示波器的数控衰减器进行增益校准。但是在示波器的实际应用过程中，可能发生增益控制字的改变，从而影响示波器的自动校准。

S402：读取当前增益控制字：

在示波器自动校准时，在当前幅度档位执行自动校准之前，首先现有校准数据中读取当前幅度档位对应的数控衰减器增益控制字C′_word。

S403：增益控制字判断：

判断是否C′_word∈[C_word-δ，C_word+δ]，δ表示误差范围参数，通常设置3≤δ≤10，如果是，则说明增益控制字正确，进入步骤S404，否则认为当前幅度相当于位对应的增益控制字有误，进入步骤S404。

S404：执行该幅度档位自动校准：

按照预定的自动校准流程执行该幅度档位的自动校准，即零偏校准、移动线性校准、触发校准等，自动校准的流程和方法可以由用户根据需要自行选择，在此不再赘述。然后进入步骤S406。

S405：记录增益错误信息：

不执行该幅度档位的自动校准，记录本幅度档位的增益错误信息，进入步骤S406。

S406：判断是否所有幅度档位校正完毕，如果没有，选择下一幅度档位，返回步骤S402，否则进入步骤S407。

S407：输出自动校准信息：

如果所有幅度档位都正常执行其自动校准，则向用户输出自动校准成功信息，否则向用户输出自动校准有误信息，自动校准有误信息中包括未执行自动校准的幅度档位的增益错误信息。

根据以上流程可以看出，本发明在每个幅度档位进行自动校准前，根据增益控制字预先进行增益判断，只有增益无误时才执行自动校准，增益有误时则跳过当前幅度档位，并记录增益错误信息以提醒用户。本发明避免了传统自动校准过程中增益有误时的超时等待时间，也可以有效避免由于增益有误产生的死循环，减少增益有误时的示波器自动校准时间，提高示波器自动校准效率与用户感受。

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 (1)

1.一种基于增益判断的示波器自动校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：计算示波器各个幅度档位对应的数控衰减器的理论增益控制字C_word，其计算公式为：

$C_{word}=20\lg ({\mathrm{\μV}}_{perdot}\÷{\mathrm{\μV}}_{perdot}^{*}\÷D_{fix}\×A_{fix})/\mathrm{\α}$

其中，μV_perdot表示当前幅度档位的ADC最小显示电压分辨率，表示理论增益控制器为0的幅度档位的ADC最小显示电压分辨率，D_fix表示当前幅度档位下设计的固定增益放大倍数，A_fix表示前幅度档位下设计的固定增益衰减倍数；

S2：从从现有校准数据中读取当前幅度档位对应的数控衰减器的增益控制字C′_word；

S3：如果C′_word∈[C_word-δ，C_word+δ]，进入步骤S4，否则进入步骤S5；

S4：按照预定的自动校准流程执行该幅度档位的自动校准，进入步骤S6；

S5：记录本幅度档位的增益错误信息，进入步骤S6；

S6：如果所有幅度档位校正完毕，进入步骤S7，否则选择下一幅度档位，返回步骤S2；

S7：如果所有幅度档位都正常执行其自动校准，则向用户输出自动校准成功信息，否则向用户输出自动校准有误信息，自动校准有误信息中包括未执行自动校准的幅度档位的增益错误信息。