CN106646314B - 一种基于步进优化的数字示波器零偏校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于步进优化的数字示波器零偏校准方法，首先设置数字示波器的参数，包括设置DAC模块的基线零点电平输入控制编码和校正目标值，将ADC采样得到的数据求和，如果与校正目标值的差值较大则计算得到校准步进值，校准步进值的最小值为1，然后在当前基线零点电平输入控制编码增加或减去校准步进值，然后继续进行ADC采样，直到ADC采样数据与校正目标值的差值满足要求。本发明通过分析零偏校准的原理，对校准步进计算方法进行改进，从而减少循环次数，提高零偏校准速度。

Description

一种基于步进优化的数字示波器零偏校准方法

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于步进优化的数字示波器零偏校准方法。

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。数字示波器在出厂后，随着使用时间的增加，可由用户对部分参数通过自动校准的方式进行校准。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的调节是线性的。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，可调节范围为32dB，步进为0.5dB，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。

零偏校准的基本原理为：通过调节偏置DAC的输出，使其叠加到理论为0V电平的输入上，进过增益放大、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。图2是零偏校准的基本流程图。如图2所示，校准的速度与等待硬件稳定的时间和循环的次数有关。一次校准的时间Cali_Time为：

Cali_Time＝Times×(Time_HardSteady+Time_Acq)

其中，Times表示循环次数，Time_HardSteady表示等待硬件稳定时间，Time_Acq表示采集所需时间。

一个系统在硬件设计确定后，其Time_HardSteady和Time_Acq是固定的，故可改变的参数只有循环次数Times。如何减少循环次数，减少数字示波器自动校准时间，提高自动校准速度，是数字示波器自动校准的重要研究方向。

信号通过模拟通道经过偏置调节、增益调节，输出信号到ADC采集这个路径，软件读取ADC的采集数据并进行分析。一般实现是以ADC采集的数据为屏幕显示的中间值(通常为128)时，认为基线归零。通过ADC的采集数据与目标数据(128)的差反过来调整偏置调节器(DAC)的输出(校准目标数据)。一般情况下，这个反馈调整是一个正反馈调整。根据采集数据与目标数据的差来确定调整DAC的输出就决定了上图中循环次数。一般情况下，有单步调整、固定比例调整等方式，这些方式都有其不同的缺陷。

图3是通道零偏校准的原理图。如图3所示，附加在输入信号上的偏置电压，要通过增益控制部分，送到ADC进行量化。一般不同幅度档位的固定增益衰减和固定增益放大是确定的(通过继电器切换实现)。而可变增益是一个可调节的变量，其值随档位、固定增益衰减和固定增益放大而变化，有时为了实现增益的细调，还要借助ADC的增益调整来实现完整的增益控制。可变增益调节器往往不是幅度线性的，而是dB线性的。所以通过增益的具体值来确定调整步进是困难的，从而导致循环次数难以得到有效的控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于步进优化的数字示波器零偏校准方法，对校准步进值的计算方式进行优化，从而减少循环次数，提高零偏校准速度。

为实现上述发明目的，本发明基于步进优化的数字示波器零偏校准方法包括以下步骤：

S1：设置需要零偏校准的通道和幅度档位，按照零偏校准要求对数字示波器参数进行设置，设置DAC模块的基线零点电平输入控制编码K_DAC的初始值，设置校准目标值C＝λ×N，其中N表示ADC采样的存储深度，λ表示屏幕显示区域中0电平对应的ADC量化值；

S2：ADC采样得到N个数据d_n，n＝1,2,…,N，计算N个数据d_n之和

S3：如果|Sum-C|＞e，e表示预设的采样数据误差阈值，进入步骤S4，否则零偏校准完成。

S4：计算得到校准步进值ΔDAC：

其中，γ表示DAC输出值与目标输出值之间的输出差与ADC采样数据与目标数据的差值之间的比例因子，α表示ADC的单位量化电压，Afix_A表示当前幅度档位的固定增益放大倍数，Afix_D表示当前幅度档位的固定增益衰减倍数，T_dac表示DAC最小步进电压值；

S5：如果ΔDAC＜1，则令ΔDAC＝1，进入步骤S6，否则直接进入步骤S6；

S6：如果Sum＞C，令K_DAC＝K_DAC-ΔDAC，否则令K_DAC＝K_DAC+ΔDAC；

S7：判断校准时间是否超过预设阈值，如果是，零偏校准结束，否则返回步骤S2。

本发明基于步进优化的数字示波器零偏校准方法，首先设置数字示波器的参数，包括设置DAC模块的基线零点电平输入控制编码和校正目标值，将ADC采样得到的数据求和，如果与校正目标值的差值较大则计算得到校准步进值，校准步进值的最小值为1，然后在当前基线零点电平输入控制编码增加或减去校准步进值，然后继续进行ADC采样，直到ADC采样数据与校正目标值的差值满足要求。

本发明通过分析零偏校准的原理，对校准步进计算方法进行改进，从而减少循环次数，提高零偏校准速度。

附图说明

图1是示波器的模拟通道示意图；

图2是零偏校准的基本流程图；

图3是通道零偏校准的原理图；

图4是本发明基于步进优化的数字示波器零偏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

在本发明基于步进优化的数字示波器零偏校准方法中，对数字示波器零偏校准时的步进调节进行了优化，从而减少循环次数，提高数字示波器零偏校准速度。为了更好地说明本发明的技术方案，首先对本发明所基于的原理进行简要说明。

对于零偏校准而言，虽然通道的可变增益(包括ADC增益调节)是未知的，但其本质上，对不同档位来讲，增益是线性的。也就是说，一个输入为200mV的信号，在200mV档位观察，其经过ADC后，其数据是200mV；如果放在100mV档来观察，其数据依然应该是200mV；放在50mV档来观察，其数据还是200mV；放在500mV档来观察，其数据依然是200mV。可见，在通道增益正确的情况下，同一个信号，进过不同的档位调整，其最后的观察数据应该是一样的，与处于哪一个观察档位没有关系(当然前提是可以观察到)。同样，对于一个0电平的输入信号，在其上加上一个偏置电压后，不管放在哪个档位进行观察，其最终的电平数据也应该是一样的。

根据以上对数字示波器增益控制的本质分析，本发明中将ADC采样数据与目标数据的差值，不再以点表示(Δdot)，而是转换为以绝对电压表示(ΔV)。假设偏置调节DAC输出值与目标输出值之间的输出差为Δdac，则Δdac与ΔV之间存在一个固定的比例因子γ，即γ＝Δdac/ΔV。该比例因子γ实际上就是DAC控制编码调节时，DAC输出值变化与ADC采集数据变化的比值。比例因子γ与通道电路中的分压比有关，而与可变增益调节无关。通道电路中的分压比在电路确定后，是一个固定数据，与幅度档位无关，并且很容易计算。

记使用的DAC的最小步进以电压表示为T_dac。本实施例中DAC采用16位的MAX5136，其电压调节范围为0～2.44V，则T_dac＝2440000/65536＝37.23μV。则根据采集的数据与目标数据的差，折算成绝对电压ΔV，记偏置调节DAC的调整步进为ΔDAC，则有如下公式：

考虑固定增益放大(Afix_A)和固定增益衰减(Afix_D)，以上公式变换为：

记最终的校准步进值为ΔDAC_T，那么其计算公式为：

通过以上分析可以看出，ADC采集到的数据与目标数据跟DAC的数据为严格的线性关系，其斜率是确定的，因此本发明根据此斜率来校准数据将快速逼近目标数据，从而提高自动校准速度。

图4是本发明基于步进优化的数字示波器零偏校准方法的具体实施方式流程图。如图4所示，本发明基于步进优化的数字示波器零偏校准方法包括以下步骤：

S401：数字示波器参数设置：

设置需要零偏校准的通道和幅度档位，按照零偏校准要求对数字示波器参数进行设置，设置DAC模块的基线零点电平输入控制编码K_DAC的初始值。显然，K_DAC的初始值需要越靠近实际值越好，一般就设置为理论值附近的值即可，理论值即为DAC的控制编码范围的中间值，以16位DAC为例，其控制编码范围为0～65535，那么K_DAC的理论值即为32768。

设置校准目标值C＝λ×N，其中N表示ADC采样的存储深度，λ表示屏幕显示区域中0电平对应的ADC量化值。以位数为8bit、存储深度为1000的ADC为例，λ＝128，那么C＝128000。

S402：ADC采样：

ADC采样得到N个数据d_n，n＝1,2,…,N，计算N个数据d_n之和

S403：判断是否|Sum-C|＞e，e表示预设的采样数据误差阈值，如果是，进入步骤S404，否则说明当前ADC采样数据与校准目标值的差距很小，零偏校准完成。

S404：计算校准步进值：

根据以下公式计算得到校准步进值ΔDAC：

其中，γ表示DAC输出值与目标输出值之间的输出差与ADC采样数据与目标数据的差值之间的比例因子，α表示ADC的单位量化电压(也就是屏幕上每个像素点所对应的单位电压值)，Afix_A表示当前幅度档位的固定增益放大倍数，Afix_D表示当前幅度档位的固定增益衰减倍数，T_dac表示DAC最小步进电压值。

S405：判断是否ΔDAC＜1，如果是，进入步骤S406，否则进入步骤S407。

S406：令ΔDAC＝1，进入步骤S407。

S407：判断是否Sum＞C，如果是，进入步骤S408，否则进入步骤S409。

S408：令K_DAC＝K_DAC-ΔDAC，进入步骤S410。

S409：令K_DAC＝K_DAC+ΔDAC，进入步骤S410。

S410：判断是否超时，即判断校准时间是否超过预设阈值，如果是，零偏校准结束，否则返回步骤S402。在此处加入超时判断是为了防止在校准步进值ΔDAC为1时，对基线零点电平输入控制编码K_DAC持续进行+1和-1，仍然无法达到校准目标值，从而陷入死循环。

根据以上过程可知，本发明的校准步进值ΔDAC不是人为设定的值，而是通过采样数据与校准目标值之间的差值计算得到的。经过实验统计，采用本发明，在第一次步进调节时就可以基本调节到位，每个幅度档位的有效步进调节次数(即循环次数)可以缩减到2～3次，并且不同幅度档位的校准时间差距不大。可见，采用本发明可以大大减少零偏校准的时间，提高零偏校准的速度。

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 (2)

1.一种基于步进优化的数字示波器零偏校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设置需要零偏校准的通道和幅度档位，按照零偏校准要求对数字示波器参数进行设置，设置DAC模块的基线零点电平输入控制编码K_DAC的初始值，设置校准目标值C＝λ×N，其中N表示ADC采样的存储深度，λ表示屏幕显示区域中0电平对应的ADC量化值；

S2：ADC采样得到N个数据d_n，n＝1,2,…,N，计算N个数据d_n之和

S3：如果|Sum-C|＞e，e表示预设的采样数据误差阈值，进入步骤S4，否则零偏校准完成；

S4：计算得到校准步进值ΔDAC：

其中，γ表示DAC输出值与目标输出值之间的输出差与ADC采样数据与目标数据的差值之间的比例因子，α表示ADC的单位量化电压，Afix_A表示当前幅度档位的固定增益放大倍数，Afix_D表示当前幅度档位的固定增益衰减倍数，T_dac表示DAC最小步进电压值；

S5：如果ΔDAC＜1，则令ΔDAC＝1，进入步骤S6，否则直接进入步骤S6；

S6：如果Sum＞C，令K_DAC＝K_DAC-ΔDAC，否则令K_DAC＝K_DAC+ΔDAC；

S7：判断校准时间是否超过预设阈值，如果是，零偏校准结束，否则返回步骤S2。

2.根据权利要求1所述的数字示波器零偏校准方法，其特征在于，所述步骤S1中DAC模块的基线零点电平输入控制编码K_DAC的初始值为DAC的控制编码范围的中间值。