CN113252956B - 一种具有adc线性校准功能的示波器 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种具有ADC线性校准功能的示波器，本申请实施例提供的技术方案包括信号输入端、偏置电压输入端、开关电路、阻抗变换电路、校准电路、ADC处理单元，所述信号输入端和校准电路均通过开关电路连接至阻抗变换电路的输入端，阻抗变换电路的输出端连接所述ADC处理单元，通过改变开关电路的工作状态，可以接入校准电路的校准信号，实现随时进行信号的在线校准，通过上述电路实现直流、低频、高频平坦度的线性调节。
Description
技术领域
本申请实施例涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种具有ADC线性校准功能的示波器。
背景技术
在当前示波器行业中，主流示波器使用的ADC(模数转换器)是8bit分辨率，而8bit分辨率的ADC的线性度并不好，这导致如果输入ADC的信号幅度过小时，会受到ADC非线性误差的影响，从而带来一定的测量不确定度。例如给示波器输入一个只有3格高度的正弦波，然后调节示波器内部的直流偏置，将波形从屏幕底部调整至屏幕顶部，记录所有偏置点对应的正弦波ACRMS(交流有效值)值，会发现其值得偏差可以到3％左右。
一些低带宽的测量设备，如功率分析仪或者示波器记录仪，一般采取直流信号校准方法，即利用标准源给测量仪器输入一组等LSB(Least Significant Bit，最低有效位)间隔的直流电压信号，根据ADC实际测量到的电压值与实际值得对应关系来生成校准表。
现有的测量仪器校准方法耗时很久，需要外部校准源，只能在出厂校准时进行一次，出厂后不能进行校准。由于示波器使用的都是高速ADC，而高速ADC都是多片ADC组合的，每次上电会根据其内部的上电校准程序来决定ADC的排列方式。因此每次上电同一个输入通道对应的ADC并不一定相同，无法对其进行事先校准。所以现有的示波器无法使用该方式来改善ADC的非线性问题。
发明内容
本申请实施例提供一种具有ADC线性校准功能的示波器，以实现在线自校准，无需返厂校准。
在第一方面，本申请实施例提供了一种具有ADC线性校准功能的示波器，包括信号输入端、偏置电压输入端、开关电路、阻抗变换电路、校准电路、ADC处理单元，所述信号输入端和校准电路均通过开关电路连接至阻抗变换电路的输入端，阻抗变换电路的输出端连接所述ADC处理单元；
所述开关电路包括第一工作状态和第二工作状态，所述开关电路为第一工作状态时，信号输入端输入的交流信号和直流信号依次经过所述开关电路、阻抗变换电路输入至ADC处理单元，所述开关电路为第二工作状态时，所述校准电路输出的校准信号依次经过所述开关电路、阻抗变换电路输入至ADC处理单元；所述偏置电压输入端连接所述阻抗变换电路，所述ADC处理单元用于对来自信号输入端的交流信号和直流信号进行处理得到ADC码值，或者根据来自校准电路的校准信号进行处理得到校准ADC码值，并基于校准信号的真实电压值和所述校准ADC码值生成校准换算关系，以对所述ADC码值进行校准。
进一步的，所述开关电路包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器、第五继电器、第六继电器、第七继电器、第八继电器、第九继电器第一衰减器和第二衰减器，所述第一继电器和第五继电器均与所述信号输入端连接，所述第一继电器连接所述第二继电器，所述第一继电器连接所述第二继电器，所述第五继电器连接所述第一衰减器的输入端，所述第三继电器和所述第七继电器均与所述第一衰减器的输出端连接，所述第三继电器连接所述第四继电器，所述第七继电器连接所述第二衰减器的输入端，所述第八继电器和所述第九继电器均与所述第二衰减器的输出端连接，所述第四继电器、所述第八继电器均与所述第六继电器连接，所述第二继电器连接所述第六继电器，所述第二继电器和所述第六继电器均与所述阻抗变换电路的输入端连接，所述第九继电器连接所述校准电路。
进一步的，所述校准电路包括DAC校准信号输出单元和低通网络，所述DAC校准信号输出单元连接所述低通网络，所述低通网络连接所述第九继电器；所述DAC校准信号输出单元用于输出三角波校准信号。
进一步的，所述阻抗变换电路包括阻抗网络、第三衰减器、运算放大器、第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第一可调电阻；所述运算放大器的正相输入端通过第三衰减器连接所述第六继电器或所述第二继电器，运算放大器的输出端通过第一电阻分别连接第一电容的一端和阻抗网络的输入端，所述第一电容的另一端连接所述第六继电器或所述第二继电器，所述运算放大器的输出端依次通过第二电阻、第二电容连接至所述运算放大器的反相输入端，所述偏置电压输入端分别连接至运算放大器的输入端和阻抗网络与ADC处理单元的连接处，所述第一可调电阻的一端连接在所述第二电阻与所述第二电容之间，所述第一可调电阻的另一端接地。
进一步的，所述第一电容与所述第一电阻之间还连接有二极管。
进一步的，还包括第三电阻和第二可调电阻，所述偏置电压输入端与所述运算放大器的反相输入端之间连接第三电阻，所述偏置电压输入端依次通过所述第三电阻、所述第二可调电阻连接至所述阻抗网络与所述ADC处理单元的连接处。
进一步的，所述第三衰减器包括第四电阻和第五电阻，所述第四电阻的一端与第一电容的另一端连接，所述第五电阻的一端接地，所述运算放大器的输入端连接在所述第四电阻与所述第五电阻之间。
进一步的，根据来自校准电路的校准信号进行处理得到校准ADC码值，并基于校准信号的真实电压值和所述校准ADC码值生成校准换算关系，以对所述ADC码值进行校准，包括：
接收校准信号以及斜率调整指令，根据所述斜率调整指令将所述校准信号的斜率调整为1；所述校准信号在不同的时间点对应不同的校准ADC码值；
接收采样模式调节指令，以将采样模式调节为平均模式；
读取所述校准信号的预设波段，并对所述预设波段进行滑块滤波处理；所述预设波段为所述校准信号在平均模式中进行平均处理后的任意一段波形数据；
获取所述波形数据中每一个波形的校准ADC码值和时间中值，将该波形的时间中值与校准ADC码值绑定；
获取所述校准信号与所述波形数据的各个时间中值对应的ADC码值，计算所述校准ADC码值和所述ADC码值之间的差值以得到校准换算关系，并根据所述校准换算关系对所述ADC码值进行校准。
本申请实施例通过设置信号输入端、偏置电压输入端、开关电路、阻抗变换电路、校准电路、ADC处理单元，所述信号输入端和校准电路均通过开关电路连接至阻抗变换电路的输入端，阻抗变换电路的输出端连接所述ADC处理单元，通过改变开关电路的工作状态，可以接入校准电路的校准信号，实现随时进行信号的在线校准，通过上述电路实现直流、低频、高频平坦度的线性调节。
附图说明
图1是本申请实施例提供的开关电路在第一工作状态时的一种具有ADC线性校准功能的示波器的电路连接图；
图2是本申请实施例提供的开关电路在第二工作状态时的一种具有ADC线性校准功能的示波器的电路连接图；
图3是本申请实施例提供的阻抗变换电路的电路结构图；
图4是本申请实施例提供的ADC处理单元的执行流程图；
图5是本申请实施例提供的ADC处理单元中校准信号的波形数据图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本申请具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
本申请实施例提供了一种具有ADC线性校准功能的示波器。本申请实施例通过设置信号输入端、偏置电压输入端、开关电路、阻抗变换电路、校准电路、ADC处理单元，所述信号输入端和校准电路均通过开关电路连接至阻抗变换电路的输入端，阻抗变换电路的输出端连接所述ADC处理单元，通过改变开关电路的工作状态，可以接入校准电路的校准信号，实现随时进行信号的在线校准，通过上述电路实现直流、低频、高频平坦度的线性调节。
下面分别进行详细说明。
图1给出了本申请实施例提供的开关电路在第一工作状态时的一种具有ADC线性校准功能的示波器的电路连接图，图2给出了本申请实施例提供的开关电路在第二工作状态时的一种具有ADC线性校准功能的示波器的电路连接图，图3给出了本申请实施例提供的阻抗变换电路的电路结构图。
参见图1至图3，本申请提供的一种具有ADC线性校准功能的示波器，包括信号输入端、偏置电压输入端、开关电路、阻抗变换电路、校准电路、ADC(数模转换器)处理单元，所述信号输入端和校准电路均通过开关电路连接至阻抗变换电路的输入端，阻抗变换电路的输出端连接所述ADC处理单元。
上述，信号输入端用于示波器在正常使用时接入外部信号，对该信号输入端所输入的信号进行数据处理。信号输入端所输入的信号包括交流信号和直流信息，经过示波器对该交流信号和直流信号进行测量，得到交流信号、直流信号的电压强度等数据。偏置电压输入端连接所述阻抗变换电路，偏置电压输入端用于接入偏置电压，使阻抗变换电路工作在放大状态。所述开关电路用于调整示波器接入信号输入端或者是校准电路，开关电路包括第一工作状态和第二工作状态，所述开关电路为第一工作状态时，信号输入端输入的交流信号和直流信号依次经过所述开关电路、阻抗变换电路输入至ADC处理单元，所述开关电路为第二工作状态时，所述校准电路输出的校准信号依次经过所述开关电路、阻抗变换电路输入至ADC处理单元。ADC处理单元用于对来自信号输入端的交流信号和直流信号进行处理得到ADC码值，或者根据来自校准电路的校准信号进行处理得到校准ADC码值，并基于校准信号的真实电压值和所述校准ADC码值生成校准换算关系，以对所述ADC码值进行校准。也即是，当开关电路在第二工作状态，则示波器处于校准状态，接入校准信号，ADC处理单元基于校准信号进行校准。当开关电路在第一工作状态，示波器处于正常工作状态，接入外部的信号，对该信号进行处理和测量。
作为优选的实施方式，本申请中将开关电路采用多个继电器构成，通过控制继电器的状态，来实现将开关电路控制在第一工作状态或者第二工作状态。具体的，开关电路包括第一继电器K1、第二继电器K2、第三继电器K3、第四继电器K4、第五继电器K5、第六继电器K6、第七继电器K7、第八继电器K8、第九继电器K9第一衰减器ATT1和第二衰减器ATT2，所述第一继电器K1和第五继电器K5均与所述信号输入端连接，所述第一继电器K1连接所述第二继电器K2，所述第一继电器K1连接所述第二继电器K2，所述第五继电器K5连接所述第一衰减器ATT1的输入端，所述第三继电器K3和所述第七继电器K7均与所述第一衰减器ATT1的输出端连接，所述第三继电器K3连接所述第四继电器K4，所述第七继电器K7连接所述第二衰减器ATT2的输入端，所述第八继电器K8和所述第九继电器K9均与所述第二衰减器ATT2的输出端连接，所述第四继电器K4、所述第八继电器K8均与所述第六继电器K6连接，所述第二继电器K2连接所述第六继电器K6，所述第二继电器K2和所述第六继电器K6均与所述阻抗变换电路的输入端连接，所述第九继电器K9连接所述校准电路。
上述中，开关电路包括九个继电器，通过控制九个继电器不同的工作状态实现对开关电路工作电路的调整。如图1所示，当第一继电器K1、第三继电器K3、第四继电器K4、第二继电器K2导通，且第五继电器K5、第七继电器K7、第八继电器K8、第六继电器K6和第九继电器K9断开时，开关电路工作在第一工作状态，此时示波器正常工作，可以对信号输入端输入的信号进行处理和测量。而当如图2所示，第一继电器K1、第七继电器K7、第八继电器K8、第六继电器K6和第九继电器K9导通，且第五继电器K5、第三继电器K3、第四继电器K4和第二继电器K2断开时，开关电路处于第二工作状态，此时信号输入端输入的信号不能正常进入到电路中，而校准电路输出的校准信号可通过导通的第九继电器K9、第八继电器K8、第六继电器K6接入到阻抗变换电路中。通过设置继电器开关，实现了外部信号的切断和内部校准信号的注入，实现了在线校准的功能。
本申请实施例中，校准电路包括DAC校准信号输出单元和低通网络T1，所述DAC校准信号输出单元连接所述低通网络T1，所述低通网络T1连接所述第九继电器K9；所述DAC校准信号输出单元用于产生三角波校准信号并且输出三角波校准信号。三角波校准信号通过低通网络T1进行低通滤波后输出至阻抗变换网络。在DAC校准信号输出单元中，其内部为16bitDAC，可以保证线性度由于ADC。校准性格经过阻抗变换网络处理后输入到ADC处理单元。本实施例中，ADC处理单元包含ADC模块和VGA(Video Graphics Array)接口，具体的，阻抗变换网络的输出端连接该VGA接口，校准信号经由VGA接口放大后再传输至ADC模块。
作为优选的，本实施例的阻抗变换电路包括阻抗网络BUF1、第三衰减器、运算放大器U1、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R4、第二电阻R5、第一可调电阻R6；所述运算放大器U1的正相输入端通过第三衰减器连接所述第六继电器K6或所述第二继电器K2，运算放大器U1的输出端通过第一电阻R4分别连接第一电容C1的一端和阻抗网络的输入端，所述第一电容C1的另一端连接所述第六继电器K6或所述第二继电器K2，所述运算放大器U1的输出端依次通过第二电阻R5、第二电容C2连接至所述运算放大器U1的反相输入端，所述偏置电压输入端V_offset分别连接至运算放大器U1的输入端和阻抗网络与ADC处理单元的连接处，所述第一可调电阻R6的一端连接在所述第二电阻R5与所述第二电容C2之间，所述第一可调电阻R6的另一端接地。
进一步优选的，第一电容C1与所述第一电阻R4之间还连接有二极管D1。
如图3所示，本申请提供的具有ADC线性校准功能的示波器中，还包括第三电阻R10和第二可调电阻R9，所述偏置电压输入端V_offset与所述运算放大器U1的反相输入端之间连接第三电阻R10，所述偏置电压输入端V_offset依次通过所述第三电阻R10、所述第二可调电阻R9连接至所述阻抗网络与所述ADC处理单元的连接处。第一可调电阻R6和第二可调电阻R9对阻抗变换网络进行调节，保证直流、高频、低频这三部分的增益一致，保证校准信号不在模拟电路部分有失真。
上述阻抗变换网络中，第三衰减器包括第四电阻R7和第五电阻R8，所述第四电阻R7的一端与第一电容C1的另一端连接，所述第五电阻R8的一端接地，所述运算放大器U1的输入端连接在所述第四电阻R7与所述第五电阻R8之间，第四电阻R7和第五电阻R8对信号进行分压衰减后再输入至运算放大器中。
本实施例中，在ADC处理单元中具有很高的采样率，在时间方面的准确性非常高，本实施例中，ADC处理单元利用采样时间间隔来还原出真实电压值。
具体的，如图4所示，ADC处理单元针对内部校准时具体的工作流程包括：
401：接收校准信号以及斜率调整指令，根据所述斜率调整指令将所述校准信号的斜率调整为1；所述校准信号在不同的时间点对应不同的校准ADC码值。
本实施例中，当要进行内部校准时，首先将各个继电器的导通与关闭状态进行调整，也即是调整为第一继电器K1、第七继电器K7、第八继电器K8、第六继电器K6和第九继电器K9导通，且第五继电器K5、第三继电器K3、第四继电器K4和第二继电器K2断开，此时，外部信号不能输入，仅能注入校准信号。并且，在ADC处理单元的时间单位和电压单位调节至合适的数值。ADC处理单元实际上还包括有示波器屏幕，本实施例需要校准信号在示波器屏幕上的斜率调整为1，可由用户主动输入斜率调整指令，也可以是当接到校准信号时自动触发斜率调整指令，对校准信号在屏幕上体现的正弦波斜率调整为1，此时，时间间隔与电压间隔的比例相等。也即是(Vreln-Vrel0)/(tn-t0)＝K。其中Vreln、Vrel1分别为tn、t0时刻对应的真实电压值，K为固定值，与校准信号的斜率和示波器档位设置相关。通过K×(tn-t0)就可以得到当ADC码值为n时，所对应的外部真实电压值，将真实值与码值做比，就可以得到对应的换算关系。最终形成一张表，用来进行码值与真实值之间做转换。
402：接收采样模式调节指令，以将采样模式调节为平均模式。
本实施例在设置好正确的继电器状态，将外部信号断开，将校准信号注入到ADC处理单元时，输出三角波校准信号至ADC处理单元。ADC处理单元通过内部程序设置好所需的时间档位和电压档位，之后接收采样模式调节指令对示波器的采样模式进行调节，本实施例中需要调节为平均模式。该采样模式调节指令可以是用户主动输入，也可以是事先设置好该采样模式调节指令，当接收到校准信号时自动触发采样模式调节指令，自动将采样模式调节为平均模式。采样平均模块式可以降低数据出来了，加快数据处理速度。
403：读取所述校准信号的预设波段，并对所述预设波段进行滑块滤波处理；所述预设波段为所述校准信号在平均模式中进行平均处理后的任意一段波形数据。
从三角波校准信号中读取预设波段，预设波段在本实施例中并不意味着是提前设定的，该预设波段是校准信号中的截取的其中一帧获得多帧波形经过滑块滤波处理后可以得到如图5所示的波形。
404：获取所述波形数据中每一个波形的校准ADC码值和时间中值，将该波形的时间中值与校准ADC码值绑定，使得每一个波形的时间中值与其校准ADC码值能够对应。
结合图5可知波形在边界处容易出现不连续数据，因此在本实施例中，为了保证校准的精确性，采用中值寻点的方法进行找点。具体的，不直接找数据对应的时间点，而是找对应数据+0.5或者-0.5所对应的两个点，利用这两个点对应的时间平均值来作为对应的时间点。例如校准ADC码值为y，该y值对应的时间点通过对应时间点为132，此时该132通过132.5和131.5这两个时间点的平均值获得。也即是本实施例中，不选取132.5和131.5这两个时间点的数据，而是通过计算获取这两个时间点的平均值132所对应的校准ADC码值。采用中值寻点的方式进行每个采样值下的对应时间点的计算，得到更稳定的结果。实施例中，每一个波形表示一个波形数据中，相邻的阶梯斜边中间值的波段为一个波形。
405：获取所述校准信号与所述波形数据的各个时间中值对应的ADC码值，计算所述校准ADC码值和所述ADC码值之间的差值以得到校准换算关系，并根据所述校准换算关系对所述ADC码值进行校准。该校准换算关系可以是校准表的方式进行体现，通过该校准表可以进行数据的转换。
本实施例可以在每次开机时都先进行一次校准，具有更好的环境和时间适应性，校准时间大幅度减小。
上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行的各种明显变化、重新调整及替代均不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由权利要求的范围决定。
Claims (7)
1.一种具有ADC线性校准功能的示波器，其特征在于，包括信号输入端、偏置电压输入端、开关电路、阻抗变换电路、校准电路、ADC处理单元，所述信号输入端和校准电路均通过开关电路连接至阻抗变换电路的输入端，阻抗变换电路的输出端连接所述ADC处理单元；
所述开关电路包括第一工作状态和第二工作状态，所述开关电路为第一工作状态时，信号输入端输入的交流信号和直流信号依次经过所述开关电路、阻抗变换电路输入至ADC处理单元，所述开关电路为第二工作状态时，所述校准电路输出的校准信号依次经过所述开关电路、阻抗变换电路输入至ADC处理单元；所述偏置电压输入端连接所述阻抗变换电路，所述ADC处理单元用于对来自信号输入端的交流信号和直流信号进行处理得到ADC码值，或者接收校准信号以及斜率调整指令，根据所述斜率调整指令将所述校准信号的斜率调整为1，所述校准信号在不同的时间点对应不同的校准ADC码值，接收采样模式调节指令，以将采样模式调节为平均模式，读取所述校准信号的预设波段，并对所述预设波段进行滑块滤波处理，所述预设波段为所述校准信号在平均模式中进行平均处理后的任意一段波形数据，获取所述波形数据中每一个波形的校准ADC码值和时间中值，将该波形的时间中值与校准ADC码值绑定，获取所述校准信号与所述波形数据的各个时间中值对应的ADC码值，计算所述校准ADC码值和所述ADC码值之间的差值以得到校准换算关系，并根据所述校准换算关系对所述ADC码值进行校准。
2.根据权利要求1所述的示波器，其特征在于，所述开关电路包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器、第五继电器、第六继电器、第七继电器、第八继电器、第九继电器、 第一衰减器和第二衰减器，所述第一继电器和第五继电器均与所述信号输入端连接，所述第一继电器连接所述第二继电器，所述第五继电器连接所述第一衰减器的输入端，所述第三继电器和所述第七继电器均与所述第一衰减器的输出端连接，所述第三继电器连接所述第四继电器，所述第七继电器连接所述第二衰减器的输入端，所述第八继电器和所述第九继电器均与所述第二衰减器的输出端连接，所述第四继电器、所述第八继电器均与所述第六继电器连接，所述第二继电器连接所述第六继电器，所述第二继电器和所述第六继电器均与所述阻抗变换电路的输入端连接，所述第九继电器连接所述校准电路。
3.根据权利要求2所述的示波器，其特征在于，所述校准电路包括DAC校准信号输出单元和低通网络，所述DAC校准信号输出单元连接所述低通网络，所述低通网络连接所述第九继电器；所述DAC校准信号输出单元用于输出三角波校准信号。
4.根据权利要求3所述的示波器，其特征在于，所述阻抗变换电路包括阻抗网络、第三衰减器、运算放大器、第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第一可调电阻；所述运算放大器的正相输入端通过第三衰减器连接所述第六继电器或所述第二继电器，运算放大器的输出端通过第一电阻分别连接第一电容的一端和阻抗网络的输入端，所述第一电容的另一端连接所述第六继电器或所述第二继电器，所述运算放大器的输出端依次通过第二电阻、第二电容连接至所述运算放大器的反相输入端，所述偏置电压输入端分别连接至运算放大器的输入端和阻抗网络与ADC处理单元的连接处，所述第一可调电阻的一端连接在所述第二电阻与所述第二电容之间，所述第一可调电阻的另一端接地。
5.根据权利要求4所述的示波器，其特征在于，所述第一电容与所述第一电阻之间还连接有二极管。
6.根据权利要求4所述的示波器，其特征在于，还包括第三电阻和第二可调电阻，所述偏置电压输入端与所述运算放大器的反相输入端之间连接第三电阻，所述偏置电压输入端依次通过所述第三电阻、所述第二可调电阻连接至所述阻抗网络与所述ADC处理单元的连接处。
7.根据权利要求4所述的示波器，其特征在于，所述第三衰减器包括第四电阻和第五电阻，所述第四电阻的一端与第一电容的另一端连接，所述第五电阻的一端接地，所述运算放大器的输入端连接在所述第四电阻与所述第五电阻之间。
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