CN108037339B - 一种数字示波器自动设置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明数字示波器自动设置的控制方法，采用硬件处理器如FPGA同时对各通道输入信号进行不断的比较并对垂直挡位进行调整来获取输入信号的幅度信息，当设置所需采样点或采样时间到达时，就可以准确获得输入信号峰峰值。这样，可以提高幅度测量的效率，同时，采样点数至少达到输入信号的一个周期，避免了对幅度的误判；对频率的测量，采用对采样数据进行快速傅里叶变换，得到频谱分量最大值的位置，根据采样点数、采样率和最大值的位置计算出信号频率f₀，这样，输入信号幅度测量和频率测量是完全分离且并行执行的，避免了相互影响而带来测量错误，达到了自动设置速度快、设置完成后显示效果好的发明目的。

Description

一种数字示波器自动设置的控制方法

技术领域

本发明属于数字示波器技术领域，更为具体地讲，涉及一种数字示波器自动设置的控制方法。

背景技术

数字示波器作为电子测试中最常用的测试仪器得到了广泛的应用。在对一些电子测试中的常用波形，如正弦波，三角波，方波等波形进行测试时，常需要根据显示波形手动调节水平时基、垂直幅度以使波形稳定显示。但是我们有时候并不清楚待测信号幅度和频率的大致范围，在测试中常需要多次调节才能获得比较理想的显示效果。为此数字示波器提供了自动设置功能，可以根据输入信号的特征自动设置参数以达到预期显示效果。

通常，自动设置采用改变数字示波器中的水平时基和垂直幅度两项参数方式来获得波形理想的显示效果，该方法在自动设置时需要先获得输入信号的幅度和频率两项参数。数字示波器的控制器通过读取数据缓存区的最大最小值，取其差值即认为是输入信号的幅度。频率的测量先将输入信号与一个标准电平通过比较器获得一个与输入信号频率相关的方波信号，再使用多周期同步测量法测量输入信号的频率。

这种方法虽然可以获得信号的幅度和频率，但在测幅时，实际应用中软件找最大最小值需要遍历数据缓存区中的所有值，造成数字示波器运行速度急剧降低。同时，在输入低频信号时，由于采集系统的采样率过高，当前显示波形的数据缓存区没有包含输入信号的整个幅度，造成计算信号幅度时的误判。2010年12月08日授权公告的、公告号为CN101609106B、名称为“数字示波器的自动设置方法”的发明专利测幅时先滤掉直流成分，最后测幅完成再加上直流耦合，需要重复采集，时间开销大；2016年04月20日申请公布的、公布号为CN105510664A、名称为“一种数字示波器的自动设置方法”的发明专利使用峰值检测模式设置幅度档位，但峰值检测模式允许的信号频率低，很多情况下远小于示波器的输入带宽，导致峰值检测对于高频信号很难适用。另一个2017年04月26日申请公布的、公布号为CN106597048A、名称为“一种基于硬件集中设置的数字示波器快速自动设置方法”的专利同样使用了峰值检测模式，并且需要幅度查找完成后再进行频率查找。这几个专利在测频时，都需要将输入信号与标准电平通过比较器，利用比较器将输入信号整形成数字信号才能通过计数等方式获取输入信号频率。这种方式的缺陷在于，要准确获得频率，就需确保送入比较器的信号幅度足够大，且比较电平设置合理。由于送入比较器的模拟信号来自模拟通道的输出，故送入比较器的信号幅度与示波器的幅度档位相关。实际操作中，为了加快自动设置的速度，一般会选择在几个等间隔的幅度档位下根据比较器输出结果多次测频。如果幅度档位不合适，比较器可能无整形信号输出或者输出错误波形，这就会造成测频失败。可见，基于采样数据参数测量及比较器输出信号测频的方式存在会误判输入信号幅度和频率的缺陷，且时基档位的确定又要以幅度档位基本准确为基础，速度慢且不能确保时基档位和幅度档位设置准确。

综上所述，现有数字示波器的自动设置方法在测量信号幅度时对信号频率提出了要求，测量信号频率时又对信号幅度增加了限定，两个因素互相影响，使实际应用中常需要执行多次自动设置操作才能获得理想的显示效果，极大降低了测试的效率，增加了测试环节的工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的自动设置速度慢、适用面窄的缺陷不足，提出一种通过完全分离的输入信号幅度测量和频率测量，以达到自动设置速度快、设置完成后显示效果好的目标。

为实现上述发明目的，本发明数字示波器自动设置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、各通道预设幅度档计算

输入信号垂直幅度档的计算在硬件处理器(如FPGA)中进行，所有通道的档位计算同时进行，通过对各个通道输入信号的采样数据进行直接比较，获得各通道输入信号的幅度信息，进而计算在单通道显示时的预设幅度档，对各个通道预设幅度档位进行计算的步骤如下：

1.1)、自动设置开始时，将幅度档S_v(V/div)设置为最大幅度档，即S_v＝S_vmax；

1.2)、根据最小自动设置的识别频率要求和采样率确定自动设置所需采样点数或采样时间，以获得至少一个输入信号周期的采样；

1.3)、第一次采集或者复位时，将最大值x_max和最小值x_min设置为采集的第一个采样数据即第一个采集值；

1.4)、每获得一个新的采样数据，就将新采样数据与最大值x_max和最小值x_min比较，获得新的最大最小值：如果新采样数据大于最大值x_max，则最大值x_max赋值为新采样数据，如果新采样数据小于最小值x_min，则最小值x_min赋值为新采样数据，否则，最大值x_max和最小值x_min不变；

1.5)、由以上设定获得在该采样点数或采样时间内的输入信号最大值x_max与最小值x_min，则输入信号采样的最大值与最小值之差为x_pp＝x_max-x_min；

1.6)、将采样的最大值与最小值之差转化为信号的峰峰值：设档位S_i(V/div)下每一格(div)对应的采样值之差为N_v，则信号的峰峰值v_pp为：

1.7)、根据信号的峰峰值确定预设幅度档S_v’(V/div)：设示波器垂直方向上用于显示波形的总格数为D，波形显示占总显示区域的40％至80％，故预设幅度档应满足：

选取满足条件的最小幅度档S_v’作为预设幅度档；

1.8)、若本次计算的预设幅度档和上次设定幅度档相等，即S_v’＝S_v，则该通道的预设幅度档为S_v；若本次计算的预设幅度档和上次设定幅度档不相等，即S_v’≠S_v，则令S_v＝S_v’并返回步骤1.2)重新采样；

(2)、各通道输入信号频率计算

各通道输入信号频率的测量使用FFT(快速傅里叶变换)算法在FPGA中并行执行，以获取输入信号的频率信息：

在步骤(1)中最后一次采集的总采样点数为M，采集时的采样率为f_s，对最后一次采样数据做M点的FFT得到采样信号的幅度谱；取前M/2个点进行分析，除去直流分量后求得频谱分量最大值的位置M_max，根据总采样点数、采样率和最大值的位置计算出信号频率f₀为：

(3)、各通道直流偏置计算

根据步骤(2)中计算FFT幅度谱的结果，取出直流分量并除以2π，即得到信号的直流偏置信息；

(4)、多通道显示与档位设置

获得输入信号的幅度和频率信息后，根据各通道计算的预设幅度档、信号频率和直流偏置设置垂直和水平档位：

4.1)、数字示波器开启N个通道，其编号从小到大依次为1～N，显示时将数字示波器的垂直显示区域划分为N区域，从上至下第i区域显示通道i的波形。

4.2)、根据各通道的预设幅度档确定各自的幅度档位：通道i按照步骤1.8)计算，得到的预设幅度档记为S_vi(V/div)时，调整后的幅度档S_v″_i(V/div)应满足：

S″_vi≥S_vi×N

取最小满足上式的幅度档S″_vi即为通道i的幅度档；

4.3)、确定垂直档位S″_vi后，根据步骤(3)计算出的直流偏置信息和通道i的显示位置调节通道i的垂直位移功能使波形显示在上述划分的第i个区域内，幅度的自动设置完成；

4.4)、根据通道1的输入信号频率值确定时基档位：设通道1输入信号频率为f₀₁，水平方向划分格数为D，希望显示波形的周期数为n_T，则自动设置后的时基档位S_t为：

选取数字示波器中与上式计算时基档位S_t最接近的时基档，即为自动设置后的水平档位，时基的自动设置完成。

本发明的目的是这样实现的。

本发明数字示波器自动设置的控制方法，采用硬件处理器如FPGA同时对各通道输入信号进行不断的比较并对垂直挡位进行调整来获取输入信号的幅度信息，当设置所需采样点或采样时间到达时，就可以准确获得输入信号峰峰值。这样，可以提高幅度测量的效率，同时，采样点数至少达到输入信号的一个周期，避免了对幅度的误判；对频率的测量，采用对采样数据进行快速傅里叶变换，得到频谱分量最大值的位置，根据采样点数、采样率和最大值的位置计算出信号频率f₀，这样，输入信号幅度测量和频率测量是完全分离且并行执行的，避免了相互影响而带来测量错误，达到了自动设置速度快、设置完成后显示效果好的发明目的。

附图说明

图1是本发明数字示波器自动设置的控制方法一种具体实施方式流程图；

图2是数字示波器显示区域划分示意图；

图3是一种双通道数字示波器自动设置调节涉及模块结构示意图；

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。

图1是本发明数字示波器自动设置的控制方法一种具体实施方式流程图。

在本实施例中，如图1所示，本发明数字示波器自动设置的控制方法包括以下步骤：

步骤S1：各通道预设幅度档计算

输入信号垂直幅度档的计算在硬件处理器(如FPGA)中进行，所有通道的档位计算同时进行。通过对各个通道输入信号的采样数据进行直接比较，获得各通道输入信号的幅度信息，进而计算在单通道显示时的预设幅度档：

步骤S101：自动设置开始时，将幅度档S_v(V/div)设置为最大幅度档S_vmax进行采样。

步骤S102：第一次采集或者复位时，将最大值x_max和最小值x_min设置为采集的第一个采样数据即第一个采集值；

步骤S103：每获得一个新的采样数据，就将新采样数据与最大值x_max和最小值x_min比较，获得新的最大最小值：如果新采样数据大于最大值x_max，则最大值x_max赋值为新采样数据，如果新采样数据小于最小值x_min，则最小值x_min赋值为新采样数据，否则，最大值x_max和最小值x_min不变；

步骤S104：判断是否达到设置的采样点数或采样时间，如果没有达到，则返回步骤S103，如果达到则进行步骤S105；

步骤S105：计算采样最大值与最小值的差值，即由以上设定获得在该采样点数或采样时间内的输入信号最大值x_max与最小值x_min，得到采样最大值与最小值的差值x_pp＝x_max-x_min；

步骤S106：计算输入信号的峰峰值，即设档位S_v(V/div)下每一格(div)对应的采样值之差为N_v，则信号的峰峰值v_pp(V)为：

步骤S107：根据信号的峰峰值确定预设幅度档S_v’：即设示波器垂直方向上用于显示波形的总格数为D，一般要求波形显示占总显示区域的40％至80％，故预设幅度档应满足：

选取满足条件的最小幅度档S_v’作为预设幅度档。

步骤S108：判断本次预设幅度档S_v’和上次设定幅度档S_v是否相等：若S_v’＝S_v，则该通道的预设幅度档为S_v；若S_v’≠S_v，则进行步骤S109。

步骤S109：将幅度档S_v设置为S_v’，重新进行采样，进行步骤S102.

步骤S2：各通道输入信号频率计算

电子测试中常用波形有正弦波、方波、三角波等。下面简要分析这三种常用测试波形的频谱：

输入正弦波为：x(t)＝sin(ω₀t)

其傅里叶变换为：

在信号频率ω＝ω₀处取得频谱除直流外的最大分量|X(jω)|_max＝π。

输入周期方波为：且x(t+T)＝x(t)。其傅里叶级数为：其中ω₀＝2π/T为周期方波的角频率。故由前述正弦波频谱的讨论可知，在周期方波信号频率ω＝ω₀处取得频谱除直流外的最大分量

输入周期三角波为：且x(t+T)＝x(t)。其傅里叶级数为：其中ω₀＝2π/T为周期三角波的角频率。故由前述正弦波频谱的讨论可知，在周期三角波信号频率ω＝ω₀处取得频谱除直流外的最大分量

由以上讨论可知，电子测试中的常用波形频谱除去直流分量后均在其信号频率处取得最大值，因此求得信号频谱中除直流分量外的最大值后其对应的频率即为信号的基波频率。以此频率作为信号的频率对时基档进行调节，使波形有好的显示效果。

各通道输入信号频率的测量使用FFT(快速傅里叶变换)算法在FPGA中并行执行，以获取输入信号的频率信息：

在本发明中，输入信号频率的测量使用FFT算法进行，以获取输入信号的频率信息，具体步骤如下：

在步骤S1中最后采集的总采样点数为M，采集时的采样率为f_s。在对步骤S1最后一次采集数据做M点的FFT得到采样信号的幅度谱。由FFT的对称性，取前M/2个点进行分析，除去直流分量后求得频谱分量最大值的位置M_max，根据总采样点数、采样率和最大值的位置计算出信号频率f₀为：

步骤S3：各通道直流偏置计算

由于常用测试信号频谱的直流分量为0，故信号频谱的直流分量与直流偏置的值差一系数2π。因此根据步骤S2中计算FFT幅度谱的结果，取出直流分量并除以2π，即得到信号的直流偏置信息。

步骤S4：多通道显示与档位设置

获得输入信号的幅度和频率信息后，根据各通道计算的预设幅度档、信号频率和直流偏置设置垂直和水平档位：

步骤S401：数字示波器开启N个通道，其编号从小到大依次为1～N，显示时将数字示波器的垂直显示区域划分为N区域，从上至下第i区域显示通道i的波形。在本实施例中，具体的数字示波器显示区域划分如图2所示。

步骤S402：根据各通道的预设幅度档确定各自的幅度档位：在步骤S108计算得到通道i的预设幅度档S_vi(V/div)时，调整后的幅度档S_v″_i(V/div)应满足：

S″_vi≥S_vi×N

取最小满足上式的幅度档S″_vi即为通道i的幅度档。

步骤S403：确定垂直档位S″_vi后，根据步骤S3计算出的各通道直流偏置信息和通道i的显示位置调节通道i的垂直位移功能使波形显示在上述划分的第i个区域内，幅度的自动设置完成；

步骤S404：根据通道1的输入信号频率值确定时基档位：设通道1输入信号频率为f₀₁(Hz)，水平方向划分格数为D(div)，希望显示波形的周期数为n_T，则自动设置后的时基档位S_t(s/div)应满足：

取数字示波器中与上式计算时基档位S_t最接近的时基档，即为自动设置后的水平档位。

下面以一种双通道示波器为例说明本发明的实施过程。

图3是一种双通道数字示波器自动设置调节涉及模块结构示意图。

需要注意的是，图3所示的双通道数字示波器中某些模块(如采样时钟等)与自动设置无关，则在本结构框图中予以省略。FPGA求取信号的预设幅度档、频率和直流偏置，与采样数据一起送到工控机中。工控机将采样数据按一定关系转化为LCD上的像素阵列，并显示在LCD上。多通道显示与档位设置时，工控机读取各通道预设幅度档、频率和直流偏置信息，根据打开通道个数计算垂直幅度和水平时基，再通过调节通道和FPGA的相关参数，最终实现对垂直(幅度)挡位和水平(时基)挡位的调节，完成波形的理想显示。

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)

1.一种数字示波器自动设置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、各通道预设幅度档计算

输入信号垂直幅度档的计算在硬件处理器中进行，所有通道的档位计算同时进行；通过对各个通道输入信号的采样数据进行直接比较，获得各通道输入信号的幅度信息，进而计算在单通道显示时的预设幅度档；对各个通道预设幅度档位进行计算的步骤如下：

1.1)、自动设置开始时，将幅度档S_v设置为最大幅度档，即S_v＝S_vmax；

1.2)、根据最小自动设置的识别频率要求和采样率确定自动设置所需采样点数或采样时间，以获得至少一个输入信号周期的采样；

1.3)、第一次采集或者复位时，将最大值x_max和最小值x_min设置为采集的第一个采样数据即第一个采集值；

1.4)、每获得一个新的采样数据，就将新采样数据与最大值x_max和最小值x_min比较，获得新的最大最小值：如果新采样数据大于最大值x_max，则最大值x_max赋值为新采样数据，如果新采样数据小于最小值x_min，则最小值x_min赋值为新采样数据，否则，最大值x_max和最小值x_min不变；

1.5)、由以上设定获得在该采样点数或采样时间内的输入信号最大值x_max与最小值x_min，则输入信号采样的最大值与最小值之差为x_pp＝x_max-x_min；

1.6)、将采样的最大值与最小值之差转化为信号的峰峰值：设档位S_i下每一格对应的采样值之差为N_v，则信号的峰峰值v_pp为：

1.7)、根据信号的峰峰值确定预设幅度档S_v’：设示波器垂直方向上用于显示波形的总格数为D，波形显示占总显示区域的40％至80％，故预设幅度档应满足：

选取满足条件的最小幅度档S_v’作为预设幅度档；

1.8)、若本次计算的预设幅度档和上次设定幅度档相等，即S_v’＝S_v，则该通道的预设幅度档为S_v；若本次计算的预设幅度档和上次设定幅度档不相等，即S_v’≠S_v，则令S_v＝S_v’并返回步骤1.2)重新采样；

(2)、各通道输入信号频率计算

各通道输入信号频率的测量使用快速傅里叶变换算法在FPGA中并行执行，以获取输入信号的频率信息：

在步骤(1)中最后一次采集的总采样点数为M，采集时的采样率为f_s，对采样数据做M点的FFT得到采样信号的幅度谱；取前M/2个点进行分析，除去直流分量后求得频谱分量最大值的位置M_max，根据总采样点数、采样率和最大值的位置计算出信号频率f₀为：

(3)、各通道直流偏置计算

根据步骤(2)中计算FFT幅度谱的结果，取出直流分量并除以2π，即得到信号的直流偏置信息；

(4)、多通道显示与档位设置

获得输入信号的幅度和频率信息后，根据各通道计算的预设幅度档、信号频率和直流偏置设置垂直和水平档位：

4.1)、数字示波器开启N个通道，其编号从小到大依次为1～N，显示时将数字示波器的垂直显示区域划分为N区域，从上至下第i区域显示通道i的波形；

4.2)、根据各通道的预设幅度档确定各自的幅度档位：通道i按照步骤1.8)计算，得到的预设幅度档记为S_vi时，调整后的幅度档S″_vi应满足：

S″_vi≥S_vi×N；

取最小满足上式的幅度档S″_vi即为通道i的幅度档；

4.3)、确定垂直档位S″_vi后，根据步骤(3)计算出的直流偏置信息和通道i的显示位置调节通道i的垂直位移功能使波形显示在上述划分的第i个区域内，幅度的自动设置完成；

4.4)、根据通道1通道的输入信号频率值确定时基档位：设通道1输入信号频率为f₀₁，水平方向划分格数为D，希望显示波形的周期数为n_T，则自动设置后的时基档位S_t为：

选取数字示波器中与上式计算时基档位S_t最接近的时基档，即为自动设置后的水平档位，时基的自动设置完成。