CN114910680A - 交织采样示波器及其波形重构补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种交织采样示波器及其波形重构补偿方法，时间交织模数转换模块中多个模数转换单元用于按照其对应的采样时钟信号对外部输入的信号进行数据采样，以得到多路采样数据；相位差获取模块用于获取多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差，基于任意两路采样时钟信号之间的相位差，得到相位差数据；控制处理模块用于获取相位差数据和多路采样数据，并基于相位差数据对多路采样数据进行波形重构，以得到用于显示的重构波形数据；本发明通过获取多路采样时钟信号之间的实际相位差数据，基于实际相位差数据对多路采样数据进行波形重构。

Description

交织采样示波器及其波形重构补偿方法

技术领域

本发明涉及示波器技术领域，具体涉及一种交织采样示波器及其波形重构补偿方法。

背景技术

在示波器中，为了提高采样率，往往会使用多路模数转换器实现交织采样。多路模数转换器通过具有不同相位的采样时钟信号实现交织采样，每一路采样时钟信号之间的相位差是相同的，然后再按照已知相位差对多路模数转换器输出的采样数据进行波形重构。但是因为电路中的器件差异，很难保证每一路采样时钟信号的相位均与预设相位值相等，从而导致多路采样时钟信号之间的相位差出现偏差，若按照这种具有偏差的相位差进行波形重构，那么重构后的波形与实际波形会存在较大差异。

发明内容

本发明提供了一种交织采样示波器及其波形重构补偿方法，解决了重构后的波形失真的问题。

根据第一方面，一种实施例中提供一种交织采样示波器，包括：

采样时钟产生电路，用于产生多路采样时钟信号，其中，多路采样时钟信号中的任意两路采样时钟信号之间具有相位差；

时间交织模数转换模块，包括多个模数转换单元，每个所述模数转换单元对应有一路采样时钟信号，多个所述模数转换单元用于分别按照其对应的采样时钟信号对外部输入的信号进行数据采样，以得到多路采样数据；

相位差获取模块，用于获取所述多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差，基于所述任意两路采样时钟信号之间的相位差，得到相位差数据；

控制处理模块，用于获取所述相位差数据和所述多路采样数据，并基于所述相位差数据对多路采样数据进行波形重构，以得到用于显示的重构波形数据。

一种实施例中，所述相位差获取模块用于获取所述多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差，包括：

在示波器开机后，所述相位差获取模块用于获取当前时刻的所述多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差。

一种实施例中，所述基于所述相位差数据对多路采样数据进行波形重构，包括：

基于所述相位差数据，获取各路采样时钟信号之间的时间间隔；

基于所述各路采样时钟信号之间的时间间隔，对多路采样数据进行波形重构。

一种实施例中，还包括：

存储器，用于存储所述各路采样时钟信号之间的时间间隔。

一种实施例中，所述相位差获取模块包括：

多路选2开关电路，用于获取所述多路采样时钟信号和一选择控制信号，并响应于所述选择控制信号，从所述多路采样时钟信号中选择两路采样时钟信号作为当前两路采样时钟信号进行输出；其中，所述控制处理模块还用于生成并输出所述选择控制信号，所述选择控制信号用于指示所述多路选2开关电路从所述多路采样时钟信号中选择两路采样时钟信号；

异或逻辑门电路，用于对所述当前两路采样时钟信号进行异或操作，输出异或信号；

有效值转换电路，用于对所述异或信号进行有效值转换操作，输出有效值信号；

模数转换器，用于将所述有效值信号转换为数字信号，得到当前两路采样时钟信号之间的相位差数据。

一种实施例中，所述控制处理模块还用于获取当前两路采样时钟信号之间的相位差数据，并基于所述相位差数据对应的当前两路采样时钟信号，更新输出的所述选择控制信号，以更新所述多路选2开关电路从所述多路采样时钟信号中选择的两路采样时钟信号。

一种实施例中，所述控制处理模块为可编程逻辑控制器。

根据第二方面，一种实施例中提供一种用于交织采样示波器的波形重构补偿方法，包括：

产生多路采样时钟信号，其中，多路采样时钟信号中的任意两路采样时钟信号之间具有相位差；

按照所述多路采样时钟信号对外部输入的信号进行数据采样，以得到多路采样数据；

获取所述多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差，基于所述任意两路采样时钟信号之间的相位差，得到相位差数据；

获取所述相位差数据和所述多路采样数据，并基于所述相位差数据对多路采样数据进行波形重构，以得到用于显示的重构波形数据。

一种实施例中，所述获取所述多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差，包括：

在示波器开机后，获取当前时刻的所述多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差。

一种实施例中，所述基于所述相位差数据对多路采样数据进行波形重构，包括：

基于所述相位差数据中任意两路采样时钟信号之间的相位差，调整所述多路采样数据中任意两路采样数据之间的时间间隔，以使所述任意两路采样数据之间的时间间隔与其对应的两路采样时钟信号之间的相位差具有预设关系。

依据上述实施例的交织采样示波器及其波形重构补偿方法，时间交织模数转换模块中多个模数转换单元与多路采样时钟信号一一对应，多个模数转换单元用于按照其对应的采样时钟信号对外部输入的信号进行数据采样，以得到多路采样数据；相位差获取模块用于获取多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差，基于任意两路采样时钟信号之间的相位差，得到相位差数据；控制处理模块用于获取相位差数据和多路采样数据，并基于相位差数据对多路采样数据进行波形重构，以得到用于显示的重构波形数据；由此，本发明通过获取多路采样时钟信号之间的实际相位差数据，基于实际相位差数据对多路采样数据进行波形重构，解决了多路采样时钟信号之间的相位差数据与预设相位差数据不等时造成的重构后的波形失真的问题。

附图说明

图1为交织采样原理示意图；

图2为交织采样示波器对采样时钟失配的校正电路的一个例子；

图3为一种实施例的交织采样示波器的结构示意图；

图4为一种实施例的相位差获取模块的结构示意图；

图5为相位差获取模块的原理示意图；

图6为一种实施例的用于交织采样示波器的波形重构补偿方法流程图。

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）。

首先，对本申请涉及的技术术语进行解释、说明。

交织采样，是指将输入信号输送至多个通道的ADC（模数转换器），各个ADC的采样时钟均保持相同的相位差，最后把多个ADC输出的数据按照相位差依次组合起来，以重构波形，从而提高采样率。例如：如图1所示，使用两个通道的ADC（ADC1和ADC2）对输入波形（Input Waveform）进行采样，ADC1的采样时钟Clock和ADC2的采样时钟Clock之间的相位差为180度，在实际应用中，往往会使用更多通道的ADC去进行交织采样，如果使用四个通道的ADC，那么各路采样时钟之间的相位差应该是90度。

波形重构，是指根据各路采样时钟之间的相位差，计算出相邻采样点之间的时间间隔，依次交叉地把每个ADC输出的采样数据按照计算得到的时间间隔还原采样信号。

在理想情况下，采样时钟之间的相位差与还原采样信号的时间间隔呈一个固定关系，在这个条件下，才能够真实地还原被采样的波形。因为工艺误差，一些器件在输出多路采样时钟时，无法做到实际输出的各路采样时钟的相位与预设相位完全相同，这样导致各路采样时钟之间的采样时钟的实际相位差与理想情况下的相位差发生偏差，然而，在还原采样信号的时是按照理想情况下的相位差计算出采样点的时间间隔进行还原的，导致还原出的采样信号的波形会出现失真的问题。

请参考图2，图2为交织示波器对采样时钟失配的校正电路，其中交织示波器100包括：信号输入端101、衰减网络102、阻抗变换网络103、可调增益放大器104、时间交织模数转换器105、FPGA处理器106、显示屏107、偏置调节电路108、采样时钟发生电路109、相位调整电路110和中央处理器111，其中，信号输入端101用于接收外部输入的信号，并将接收的信号依次经过衰减网络102、阻抗变换网络103、可调增益放大器104后输出至时间交织模数转换器105，时间交织模数转换器105用于对输入的信号按照多路的采样时钟信号进行采样，并输出多路采样信号至FPGA处理器106，FPGA处理器106用于根据预先存储的相位差对多路采样信号进行波形重构，并输出重构波形至显示屏107进行显示；此外，采样时钟发生电路109用于生成并输出多路采样时钟信号，相位调整电路110用于对多路采样时钟信号的相位进行调整，以使调整后的多路采样时钟信号之间的相位差与FPGA处理器106中预先存储的相位差相同，相位调整电路110将调整后的多路采样时钟信号输出至时间交织模数转换器105中。

图2示出的交织采样示波器100虽然能够调整多路采样时钟信号之间的相位，然而，在实际应用中，往往是通过可编程逻辑器件产生多路采样时钟信号，可编程逻辑器件的输出引脚具有延迟输出配置功能，但引脚的延迟输出只能在编译环境中配置，加载到可编程逻辑器件后不可更改，因此，图2所示的交织采样示波器100对多路采样时钟信号的相位调整并不具有通用性。

请参考图3，图3为一种实施例的交织采样示波器的结构示意图，交织采样示波器200包括：采样时钟产生电路201、时间交织模数转换模块202、相位差获取模块203和控制处理模块204。

采样时钟产生电路201用于产生多路采样时钟信号，其中，多路采样时钟信号中的任意两路采样时钟信号之间具有相位差。采样时钟产生电路201按照预设相位产生多路采样时钟信号，在理想情况下，采样时钟产生电路201所产生的多路采样时钟信号之间的相位差是固定的，其与预设的相位差相等，例如：对于两路采样时钟信号，相位差为180度；对于四路采样时钟信号，相位差为90度；然而，在实际情况下，由于器件工艺的影响，实际输出的多路采样时钟信号的相位并不与预设的相位完全相等，会产生一些偏差。因此，本实施例中，采样时钟产生电路201产生的多路采样时钟信号之间具有一定相位差，其相位差由于受器件工艺影响，可能与预设的相位差并不相等。在本实施例中，采样时钟产生电路201可以由现有的多个时钟信号发生电路来实现，例如：可编程逻辑器件等。

相比于图2所示的交织采样示波器，本实施例提供的交织采样示波器无需相位调整电路110，本实施例中的采样时钟产生电路201与图2中的采样时钟发生电路109为相同的功能电路。

时间交织模数转换模块202包括多个模数转换单元，每个模数转换单元对应有一路采样时钟信号，多个模数转换单元用于分别按照其对应的采样时钟信号对外部输入的信号进行数据采样，以得到多路采样数据。在本实施例中，时间交织模数转换模块202中的多个模数转换单元可以为多个模数转换器（ADC），多个模数转换单元按照不同的采用时钟信号进行信号采样，其中，多个模数转换单元与多路采样时钟信号一一对应，每路模数转换单元按照其对应的一路采样时钟信号进行信号采样。

相位差获取模块203用于获取多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差，基于任意两路采样时钟信号之间的相位差，得到相位差数据。例如：对于4路采样时钟信号，分别为第一采样时钟信号、第二采样时钟信号、第三采样时钟信号和第四采样时钟信号，将上述4路采样时钟信号全部输入至相位差获取模块203中，相位差获取模块203能够输出相位差数据，其中相位差数据包括3个相位差，具体为：第一采样时钟信号与第二采样时钟信号之间的相位差、第二采样时钟信号与第三采样时钟信号之间的相位差以及第三采样时钟信号与第四采样时钟信号之间的相位差；对于多路采样时钟信号，相位差获取模块203获取相位差数据与4路采样时钟信号类似，依次获取到各路采样时钟信号之间的相位差后，得到相位差集合，即相位差数据。

控制处理模块204用于获取相位差数据和多路采样数据，并基于相位差数据对多路采样数据进行波形重构，以得到用于显示的重构波形数据。在本实施例中，控制处理模块204将重构后的得到的重构波形数据发送至显示屏进行显示。本实施例中的控制处理模块204可以为可编程逻辑控制器。

在一实施例中，控制处理模块204基于相位差数据对多路采样数据进行波形重构，包括：基于相位差数据，获取各路采样时钟信号之间的时间间；基于各路采样时钟信号之间的时间间隔，对多路采样数据进行波形重构。在理想情况下，各路采样时钟信号之间的时间间隔应该是相等的，然而，由于器件工艺等因素的影响，导致各路采样时钟信号之间的时间间隔可能并不相等，因此，需要根据计算得到的各路采样时钟信号之间的时间间隔来进行波形重构。

需要说明的是，本实施例提供的交织采样示波器还包括：图2所示实施例中的信号输入端101、衰减网络102、阻抗变换网络103、可调增益放大器104、中央处理器111和偏置调节电路108，这些电路模块所起的作用与图2所示的交织采样示波器相同，此处不再一一赘述。

在一实施例中，请参考图4，相位差获取模块203包括：多路选2开关电路2031、异或逻辑门电路2032、有效值转换电路2033和模数转换器2034。其中，多路选2开关电路2031的输入端用于获取多路采样时钟信号，多路选2开关电路2031的输出端连接异或逻辑门电路2032，异或逻辑门电路2032的输出端连接有效值转换电路2033的输入端，有效值转换电路2033的输出端连接模数转换器2034的输入端，模数转换器2034的输出端用于输出相位差数据。

多路选2开关电路2031用于获取多路采样时钟信号和一选择控制信号，并响应于选择控制信号，从多路采样时钟信号中选择两路采样时钟信号作为当前两路采样时钟信号进行输出；其中，控制处理模块204还用于生成并输出选择控制信号，选择控制信号用于指示多路选2开关电路从多路采样时钟信号中选择两路采样时钟信号。因此，控制处理模块204还用于获取当前两路采样时钟信号之间的相位差数据，并基于相位差数据对应的当前两路采样时钟信号，更新输出的选择控制信号，以更新多路选2开关电路从多路采样时钟信号中选择的两路采样时钟信号，其中，选择控制信号与两路采样时钟信号的标识一一对应。也就是，选择控制信号每更新一次，多路选2开关电路2031从多路采样时钟信号中选取与更新后的选择控制信号对应的两路采样时钟信号，例如：对于4路采样时钟信号，最先产生选择控制信号可以控制先选取第一采样时钟信号和第二采样时钟信号，然后更新一次选择控制信号后选取第二采样时钟信号和第三采样时钟信号，再更新一次选择控制信号后选取第三采样时钟信号和第四采样时钟信号。

其中，当前两路采样时钟信号是指多路选2开关电路2031当前从多路采样时钟信号中选取的两路采样时钟信号，为了便于说明，本实施例将当前两路采样时钟信号作为A路采样时钟信号和B路采样时钟信号。

异或逻辑门电路2032用于对当前两路采样时钟信号进行异或操作，输出异或信号。将上述A路采样时钟信号和B路采样时钟信号输入异或逻辑门电路2032中，输出Y信号。异或逻辑门电路的功能是：当A路采样时钟信号和B路采样时钟信号相同时输出的Y信号为0，不同时输出的Y信号为1。

有效值转换电路2033用于对异或信号进行有效值转换操作，输出有效值信号。由于，Y信号的脉宽时间就是A路采样时钟信号和B路采样时钟信号的相位差转换得到的时间。Y信号经过真有效值转换有得到有效值RMS。

模数转换器2034用于将有效值信号转换为数字信号，得到当前两路采样时钟信号之间的相位差数据。模数转换器2034将转换后得到的相位差数据发送至控制处理模块204，控制处理模块204将相位差数据换算为A路采样时钟信号和B路采样时钟信号之间的采样时间间隔后，存储至存储器205中。

在本实施例中，在示波器开机后，相位差获取模块203获取当前时刻的多路采样时钟信号的相位差数据，从而控制处理模块204获取到当前时刻多路采样时钟信号之间的时间间隔后，将该时间间隔存储至存储器205中后，直至示波器关机，不再更新多路采样时钟信号的相位差数据和时间间隔，待下次示波器开机后，再获取新的相位差数据和时间间隔。

如图5所示，图5示出了相位差获取模块的一个例子，其中，A为A路采样时钟信号，B为B路采样时钟信号，Y为Y信号，X为Y信号有效值转换后的信号。其中，A和B之间的相位差是90度，A和B经过异或逻辑门电路2032后得到的Y信号是50%占空比的矩形波，再经过有效值转换电路2033后的直流信号是X信号，X信号为100%占空比的一半电压。

基于上述实施例提供的交织采样示波器，请参考图6，图6为一种用于交织采样示波器的波形重构补偿方法流程图，波形重构补偿方法包括以下步骤：

步骤301：产生多路采样时钟信号，其中，多路采样时钟信号中的任意两路采样时钟信号之间具有相位差。

步骤302：按照多路采样时钟信号对外部输入的信号进行数据采样，以得到多路采样数据。

步骤303：获取多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差，基于任意两路采样时钟信号之间的相位差，得到相位差数据。

步骤304：获取相位差数据和多路采样数据，并基于相位差数据对多路采样数据进行波形重构，以得到用于显示的重构波形数据。

下面为N路采样时钟信号对应的采样时钟信号之间的时间间隔测量流程：

1、控制处理模块204控制多路选2开关电路2031输出采样时钟信号1和采样时钟信号2，并计算得到采样时钟信号1和采样时钟信号2之间的时间间隔T1，存储到存储器205中。

2、控制处理模块204控制多路选2开关电路2031输出采样时钟信号2和采样时钟信号3，并计算得到采样时钟信号2和采样时钟信号3之间的时间间隔T2，存储到存储器205中。

3、控制处理模块204控制多路选2开关电路2031输出采样时钟信号N-1和采样时钟信号N，并计算得到采样时钟信号N-1和采样时钟信号N之间的时间间隔TN-1，存储到存储器205中。

4、控制处理模块204获取N路模数转换单元分别采样一次的时间间隔序列（T1,T2…TN-1），据此时间间隔序列去重构波形。

综上，理想情况下，有T1=T2=…=TN-1，波形重构也是也是按照理想值去实现，相比于现有技术，本申请接受各路采样时钟信号的相位差的不可控，通过测量各路模数转换器的采样时钟信号的实际相位差，计算得到各路模数转换单元实际采样的时间间隔，使用这个时间间隔去重构波形。

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。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种交织采样示波器，其特征在于，包括：

采样时钟产生电路，用于产生多路采样时钟信号，其中，多路采样时钟信号中的任意两路采样时钟信号之间具有相位差；

时间交织模数转换模块，包括多个模数转换单元，每个所述模数转换单元对应有一路采样时钟信号，多个所述模数转换单元用于分别按照其对应的采样时钟信号对外部输入的信号进行数据采样，以得到多路采样数据；

相位差获取模块，用于获取所述多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差，基于所述任意两路采样时钟信号之间的相位差，得到相位差数据；

控制处理模块，用于获取所述相位差数据和所述多路采样数据，并基于所述相位差数据对多路采样数据进行波形重构，以得到用于显示的重构波形数据。

2.如权利要求1所述的交织采样示波器，其特征在于，所述相位差获取模块用于获取所述多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差，包括：

在示波器开机后，所述相位差获取模块用于获取当前时刻的所述多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差。

3.如权利要求1或2所述的交织采样示波器，其特征在于，所述基于所述相位差数据对多路采样数据进行波形重构，包括：

基于所述相位差数据，获取各路采样时钟信号之间的时间间隔；

基于所述各路采样时钟信号之间的时间间隔，对多路采样数据进行波形重构。

4.如权利要求3所述的交织采样示波器，其特征在于，还包括：

存储器，用于存储所述各路采样时钟信号之间的时间间隔。

5.如权利要求1所述的交织采样示波器，其特征在于，所述相位差获取模块包括：

多路选2开关电路，用于获取所述多路采样时钟信号和一选择控制信号，并响应于所述选择控制信号，从所述多路采样时钟信号中选择两路采样时钟信号作为当前两路采样时钟信号进行输出；其中，所述控制处理模块还用于生成并输出所述选择控制信号，所述选择控制信号用于指示所述多路选2开关电路从所述多路采样时钟信号中选择两路采样时钟信号；

异或逻辑门电路，用于对所述当前两路采样时钟信号进行异或操作，输出异或信号；

有效值转换电路，用于对所述异或信号进行有效值转换操作，输出有效值信号；

模数转换器，用于将所述有效值信号转换为数字信号，得到当前两路采样时钟信号之间的相位差数据。

6.如权利要求5所述的交织采样示波器，其特征在于，所述控制处理模块还用于获取当前两路采样时钟信号之间的相位差数据，并基于所述相位差数据对应的当前两路采样时钟信号，更新输出的所述选择控制信号，以更新所述多路选2开关电路从所述多路采样时钟信号中选择的两路采样时钟信号。

7.如权利要求1所述的交织采样示波器，其特征在于，所述控制处理模块为可编程逻辑控制器。

8.一种用于交织采样示波器的波形重构补偿方法，其特征在于，包括：

产生多路采样时钟信号，其中，多路采样时钟信号中的任意两路采样时钟信号之间具有相位差；

按照所述多路采样时钟信号对外部输入的信号进行数据采样，以得到多路采样数据；

获取所述多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差，基于所述任意两路采样时钟信号之间的相位差，得到相位差数据；

获取所述相位差数据和所述多路采样数据，并基于所述相位差数据对多路采样数据进行波形重构，以得到用于显示的重构波形数据。

9.如权利要求8所述的波形重构补偿方法，其特征在于，所述获取所述多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差，包括：

在示波器开机后，获取当前时刻的所述多路采样时钟信号之间任意两路采样时钟信号之间的相位差。

10.如权利要求8所述的波形重构补偿方法，其特征在于，所述基于所述相位差数据对多路采样数据进行波形重构，包括：

基于所述相位差数据中任意两路采样时钟信号之间的相位差，调整所述多路采样数据中任意两路采样数据之间的时间间隔，以使所述任意两路采样数据之间的时间间隔与其对应的两路采样时钟信号之间的相位差具有预设关系。

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