CN108572345B - 示波器，基于欠采样对频率准确度进行校正的方法、系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种示波器，基于欠采样对频率准确度进行校正的方法、系统；其中，所述方法先设置采样频率，并以所述采样频率对接收的标准频率信号进行欠采样；进而测量欠采样得到的采样信号的频率；将采样信号的频率作为自身时钟频率与标准频率的频差；从而根据所述频差，调整时钟频率，实现了对频率准确度的校正。由于采用欠采样，极大的降低了采样频率，简化了对频率准确度的校正步骤，减少了对高精度高采样率测频率仪器的需求，有利于降低生产成本和示波器设计难度。

Description

示波器，基于欠采样对频率准确度进行校正的方法、系统

技术领域

本发明涉及数字采集系统领域，具体涉及示波器，基于欠采样对频率准确度进行校正的方法、系统。

背景技术

在高速数字采集系统如数字示波器上，ADC的采样时钟，CPU、FPGA等控制芯片的工作频率是非常高的，因此对给这类高速器件提供时钟的时钟源提出了非常高的要求，要求时钟源频率具有低抖动、低相位噪声、高稳定性、高准确度等性能指标。其中，频率准确度是一项非常重要的指标，它关系到控制芯片和ADC能否按照预定的频率进行工作，不同器件、不同逻辑、软件进程等能否根据所需工作频率进行正确的操作协作，数字采集系统能否正确的反应所采集到输入信号的时域特性等，因此时钟频率的准确度对系统的性能指标有显著的影响，在高速采集系统中需要对频率准确度进行测量及校正。

准确度是指在一定实验条件下多次测定的平均值与真值相符合的程度，以误差来表示。误差的绝对值大，其准确度低。但准确度不等于误差。准确度只有诸如：高、低；大、小。

频率准确度通常是指：在规定条件下，时钟发生电路/元件输出频率f相对于标称频率f₀的偏离值，常用ppm(百万分之一)表示。同样的，频率准确度并非具体数值，而是表示准确程度，所述偏离值越小，频率准确度越高。

数字系统对频率的测量，离不开数字采集，也就是将模拟的频率信号转化为数字信号，奈奎斯特定理是数据采集的核心理论。奈奎斯特定理要求采样频率至少达到信号最高频率的2倍，才能恢复原始信号并且保留其特征。

在现有的频率准确度测量方法中，如果直接对100MHz的信号进行测量，则至少需要200MHz的采样率进行采样。如果希望能达到较高的频率测量精度，如±1Hz的准确度，则要求在一个信号周期内采样100M个点，因此数据采集系统的采样率则少要求达到100M*100MHz*2＝2*10¹⁶Hz。达到如此高的采样率是非常困难的，测试设备的成本会非常高，难以实现。

因此，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

本发明主要提供一种示波器，基于欠采样对频率准确度进行校正的方法、系统，对频率准确度进行校正。

根据第一方面，一种实施例中提供一种基于欠采样对频率准确度进行校正的方法，包括如下步骤：

欠采样步骤，设置采样频率，并以所述采样频率对接收的标准频率信号进行欠采样；

频差计算步骤，测量欠采样得到的采样信号的频率；将所述频率作为自身时钟频率与标准频率的频差；

频率调整步骤，根据所述频差，调整时钟频率。

所述的基于欠采样对频率准确度进行校正的方法，其中，所述频率调整步骤包括：

判断所述频差是否小于预设值；

若否，则调整时钟频率，并返回频差计算步骤，直到所述频差小于预设值。

所述的基于欠采样对频率准确度进行校正的方法，其中，所述采样频率满足如下公式：

f_s为采样频率，f为时钟频率。

所述的基于欠采样对频率准确度进行校正的方法，其中，所述标准频率信号为标准频率源产生一个固定频率的信号。

根据第二方面，一种实施例中提供一种基于欠采样对频率准确度进行校正的系统，包括：

采样模块，用于设置采样频率，并以所述采样频率对接收的标准频率信号进行欠采样；

频差计算模块，用于测量欠采样得到的采样信号的频率；将所述频率作为自身时钟频率与标准频率的频差；

频率调整模块，用于根据所述频差，调整时钟频率。

所述的基于欠采样对频率准确度进行校正的系统，其中，所述频率调整模块具体用于：

判断所述频差是否小于预设值；

若否，则调整时钟频率，更新所述频差，重新判断所述频差是否小于预设值，以此循环直到所述频差小于预设值。

所述的基于欠采样对频率准确度进行校正的系统，其中，所述采样频率满足如下公式：

f_s为采样频率，f为时钟频率。

所述的基于欠采样对频率准确度进行校正的系统，其中，所述标准频率信号为标准频率源产生一个固定频率的信号。

根据第三方面，一种实施例中提供一种示波器，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于通过执行所述存储器存储的程序以实现如上所述的方法。

根据第四方面，一种实施例中提供一种计算机可读存储介质，包括应用程序，所述应用程序能够被处理器执行以实现如上所述的方法。

依据上述实施例的示波器，基于欠采样对频率准确度进行校正的方法、系统；先设置采样频率，并以所述采样频率对接收的标准频率信号进行欠采样；进而测量欠采样得到的采样信号的频率；将所述频率作为自身时钟频率与标准频率的频差；从而根据所述频差，调整时钟频率，实现了对频率准确度的校正。由于采用欠采样，极大的降低了采样频率，简化了对频率准确度校正的步骤，减少了对高精度高采样率测频率仪器的需求，有利于降低生产成本和示波器设计难度。

附图说明

图1为本发明提供的基于欠采样对频率准确度进行校正的系统的结构框图；

图2为本发明提供的示波器的结构框图；

图3为本发明提供的基于欠采样对频率准确度进行校正的系统中，标准频率源输出的信号的频谱；

图4为本发明提供的基于欠采样对频率准确度进行校正的系统中，采样后得到的采样信号的频谱；

图5为本发明提供的基于欠采样对频率准确度进行校正的方法的流程图；

图6为本发明提供的基于欠采样对频率准确度进行校正的方法的具体流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

频率经与标准频率相比校，并对其校准之后，由于频率源的老化，真值会不断漂移。此外，由于环境条件、供电电源和负载的变化，真值也会产生相应的确定性(系统性)变化。故需经常对频率源进行校正。

本发明提供一种基于欠采样对频率准确度进行校正的系统，如图1所示，包括：采样模块231，频差计算模块232和频率调整模块233。

所述采样模块231，用于设置采样频率f_s，并以所述采样频率f_s对接收的标准频率信号进行欠采样。

所述频差计算模块232，用于测量欠采样得到的采样信号的频率；所述采样信号是频谱混叠的“假波”波形，该波形可以直接在示波器上显示，测量该假波的频率，该频率即是基准时钟源产生的时钟频率f与标准频率f0的频差。

所述频率调整模块233，用于根据所述频差，调整时钟频率。由此，实现了对频率准确度的校正，即提高频率准确度。由于采用欠采样，极大的降低了采样频率，简化了对频率的测量和校正，减少了对高精度高采样率测频率仪器的需求，有利于降低生产成本。

实施例一：

本实施例以数字示波器为例进行说明，如图2所示，所述数字示波器20包括所述基于欠采样对频率准确度进行校正的系统，所述系统的功能可由处理器230实现，也可以由示波器20的其他一个或多个功能模块实现，本实施例以处理器230实现所述系统的功能为例进行说明。

所述示波器20包括ADC(模数转换器)210、FPGA(可编程门阵列)220、CPU(处理器)230、DAC(数模转换器)240、VCXO(基准时钟源)250和PLL(锁相环)260。

所述模数转换器210，用于接收标准频率源10输出的标准频率信号，根据所述采样模块231设置的采样频率对所述标准频率信号进行欠采样。所述标准频率信号为标准频率源10产生一个固定频率的信号。所述标准频率源10的频率准确度要远高于PLL，VCXO的准确度，以保证测量精度。

所述可编程门阵列220，用于对模数转换器210采样得到的采样信号进行数据处理。

所述数模转换器240用于数模转换，通过改变输出给基准时钟源250的电压来调节基准时钟源250的工作频率f。

所述基准时钟源250为可控的时钟源，可通过外部控制来调节时钟源输出的频率。所述基准时钟源250给锁相环260提供低频率参考时钟，该参考时钟的频率即为时钟频率。本实施例中，所述基准时钟源250为VCXO(即压控振荡器)，其输出频率和输入的控制电压有对应关系。

所述锁相环260，用于对所述参考时钟进行n倍频后给ADC、FPGA、CPU提供高速工作时钟。ADC、FPGA、CPU在此工作时钟下对数据进行采集、处理、运算等。所述n为大于0的正整数(1,2,3，……)，由于PLL输出频率f_H＝n*f，即f_H和f存在线性关系，因此示波器采集到的假波信号频率最终是可以和基准时钟源250建立联系。因此对基准时钟源250输出频率的测量及校正，即是对ADC210采样率f_s的校正。校正完毕后最终可以达到校正整个系统工作时钟的目的。

由于待测/待校正的时钟频率信号通常可以表示为：

f＝f₀+Δf，

Δf是时钟频率f与标准频率(标称频率)f₀的频差，通常情况下有Δf＜＜f₀。测量待校正的时钟频率信号，f₀是已知的，可使用一个较小的采样率对Δf进行测量，从而实现对频率准确度的测量和校正。

本发明是基于对输入信号欠采样条件下进行频率准确度的测量和校正。欠采样测量频率准确度的理论背景如下：

标准频率源10输出的标准频率信号的频率为f₀。其频谱如图3所示。示波器内部要测量和校正的时钟频率为f，采样模块231通过ADC用满足下面公式1的采样率对标准频率信号f₀进行欠采样。

所述N为大于0的正整数(1,2,3，……)，以采样率f_s对标准频率信号f₀进行采样，根据数字信号处理理论：“时域上的采样，形成频域的周期函数，其周期等于采样频率f_s”，我们可以得到对标准频率信号f₀采样后数字信号的频谱，如图4所示。

可见，经过采样后的数字频谱，是模拟频谱在区间[Kf_s,(K+1)f_s],K＝0,±1，±2...内的重复“折叠”。因此，对数字频谱的研究，只需关心一个周期内的频谱，一般取[0,f_s]或[-1/2f_s,1/2f_s]。频率为f的模拟信号，欠采样下在[-1/2f_s,1/2f_s]区域内对应的频率为Δf＝f₀-Nf_s，这就是我们观测到的“假波”频率。所述假波，即示波器采样率和被测信号频率不满足奈奎斯特采样定理时显示的波形。

假设标准频率源10的频率f₀＝10MHz，示波器的基准时钟源250频率f实际是9.999MHz，我们用基准时钟源250的10分频时钟(N＝10，f_s＝0.9999MHz)采样标准频率源10，则看到的假波频率是：

Δf＝|f_o-10f_s|＝|10MHz-9.999MHz|＝0.001MHz；

这个频率Δf就是基准时钟源250与标准频率源10的频率差。

本实施例中，计算基准时钟源250的频率准确度为：α＝Δf/f₀＝0.001MHz/10MHz＝100ppm。所述频率准确度虽然用α来表示，但频率准确度不是具体的数值，而是表示准确程度，Δf越小，α越小，频率准确度越高。

在欠采样下，校正前，若N＝100，f_s≈100KHz，即一个周期内采样10⁵个点，对一个周期内数字信号的频率估计精度为10^-5，换算到10MHz的频率信号则为10^-12，测量精度大大的提高了。

本发明采用欠采样依然能实现对高频率信号的高准确度频率测量。因此示波器根据测量到的Δf不断校正，使得Δf小于某一个预设值，即可达到对频率准确度进行校正的目的。

本实施例中，所述采样模块231设置采样频率f_s，通过ADC210以所述采样频率f_s对接收的标准频率信号进行欠采样。所述采样频率f_s满足公式1。

所述频差计算模块232通过示波器的显示屏显示假波波形，并对所述假波频率Δf进行测量运算，得到假波频率Δf，所述假波频率Δf就是欠采样得到的采样信号的频率；并将其作为基准时钟源产生的时钟频率f与标准频率f₀的频差。

所述频率调整模块233判断所述频差Δf是否小于预设值；若所述频差Δf大于预设值，则调整时钟频率，所述频差Δf得到更新，重新判断频差Δf与预设值的大小，以此循环直到所述频差Δf小于预设值。当所述频差Δf小于预设值，即可认为时钟频率f与标准频率f₀非常接近，两者近似等于，频率调整模块233保存DAC240的配置码字信息，频率准确度校正结束。从而达到校正基准时钟源和整个系统工作时钟的目的。所述预设值根据校正精度的需求而定，预设值越小校正精度越高。所述频率调整模块233通过输出配置码字信息给DAC240，以控制DAC240的输出电压。基准时钟源250在DAC240的输出电压控制下，调节输出频率f。所述频差Δf的数值通常比较小，为运算方便，可对频差Δf进行数学运算，利用数学运算后的值(例如α)来与对应的参考值进行比较，同样属于根据频差调整时钟频率的范畴。

综上所述，本发明提供的校正系统，ADC210既可以用较低的采样率采样标准频率源10。又可以使用另外一种方法实现欠采样的效果，即不需要改变ADC210对标准频率源10的采样率，在FPGA220和CPU230内部对采集到的信号进行抽值即可实现欠采样的效果，降低了设计难度。在自动化测试和校正环境中，对标准频率源10直接输出给示波器的信号进行欠采样，简化了对频率的准确度测量和校正，有利于提高测试效率和生产，并且达到较高的频率准确度。无需直接对基准时钟源250和PLL260输出的高速时钟进行测量，减少对高精度高采样率测频率仪器的需求，有利于降低生产成本。

基于上述实施例提供的校正系统，本发明还提供一种校正方法，本校正方法在示波器现有的对输入信号进行采集和测量的技术的基础上，通过对标准频率源信号进行欠采样，对欠采样得到的假波信号进行频率计算，从而得到基准时钟源的频差，再对该频差进行判断，若达不到规定的准确度指标要求，则可以通过控制DAC输出电压不断调整基准时钟源的输出频率，PLL输出时钟频率也因为基准时钟频率的调整而得到不断调整，最终通过测量假波的频率Δf小于某一个预设值，从而使得整个系统的时钟准确度指标达到要求。具体如图5和图6所示，所述方法包括如下步骤：

S10、欠采样步骤：设置采样频率f_s，并以所述采样频率f_s对接收的标准频率信号f₀进行欠采样。所述采样频率f_s满足如下公式：

f为时钟频率。

S20、频差计算步骤：测量欠采样得到的采样信号的频率；将所述频率作为自身时钟频率与标准频率的频差。具体的，通过示波器的显示屏显示假波波形，并对所述假波频率Δf进行测量运算，得到假波频率Δf，所述假波频率Δf就是欠采样得到的采样信号的频率；并将其作为基准时钟源产生的时钟频率f与标准频率f₀的频差。

S30、频率调整步骤：根据所述频差Δf，调整时钟频率。具体的，所述步骤S30包括：

S310、判断所述频差Δf是否小于预设值；若所述频差Δf小于预设值，则进入步骤S320；若所述频差Δf大于预设值，则进入步骤S330。

S320、保存DAC的配置码字信息，频率准确度校正结束。

S330、通过输出配置码字信息给DAC，以控制DAC的输出电压。

S340、基准时钟源在DAC的输出电压控制下，调节输出频率f，并返回步骤S10。由于上述步骤是持续的，实际上返回步骤S10后，采样频率f_s的实际值虽然会随着时钟频率f进行变化，但无需重新设置，即f_s＝f/N中的N的数值固定；由于时钟频率f变化，故假波频率Δf跟着变化，也可以认为是返回步骤S20；之后步骤S30中进行判断的频差Δf也跟着更新了，循环多次后即可完成校正。

由于所述校正方法的原理、特点在校正系统的实施例中已详细阐述，在此不再赘述。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，可以对上述具体实施方式进行变化。

Claims (6)

1.一种基于欠采样对频率准确度进行校正的方法，其特征在于，包括如下步骤：

欠采样步骤，设置采样频率，并以所述采样频率对接收的标准频率信号进行欠采样；其中，所述采样频率满足如下公式：

fs为采样频率，f为时钟频率；

频差计算步骤，测量欠采样得到的采样信号的频率；将所述频率作为自身时钟频率与标准频率的频差；

频率调整步骤，判断所述频差是否小于预设值；若否，则调整时钟频率，并返回频差计算步骤，直到所述频差小于预设值。

2.如权利要求1所述的基于欠采样对频率准确度进行校正的方法，其特征在于，所述标准频率信号为标准频率源产生一个固定频率的信号。

3.一种基于欠采样对频率准确度进行校正的系统，其特征在于，包括：

采样模块，用于设置采样频率，并以所述采样频率对接收的标准频率信号进行欠采样；其中，所述采样频率满足如下公式：

fs为采样频率，f为时钟频率

频差计算模块，用于测量欠采样得到的采样信号的频率；将所述频率作为自身时钟频率与标准频率的频差；

频率调整模块，用于判断所述频差是否小于预设值；若否，则调整时钟频率，更新所述频差，重新判断所述频差是否小于预设值，以此循环直到所述频差小于预设值。

4.如权利要求3所述的基于欠采样对频率准确度进行校正的系统，其特征在于，所述标准频率信号为标准频率源产生一个固定频率的信号。

5.一种示波器，其特征在于，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于通过执行所述存储器存储的程序以实现如权利要求1或2所述的方法。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括应用程序，所述应用程序能够被处理器执行以实现如权利要求1或2所述的方法。

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