CN1187620C - 对输入信号的波形边缘进行时间标定的方法 - Google Patents

Abstract

对输入信号进行时间标定的方法，产生作为基准边缘的时间标记过的数字数据值，并在基准边缘中限定至少一个第一时间标记。捕获输入信号的数字数据采样，形成输入信号的波形记录。将波形记录边缘的数字数据采样与同时的基准边缘数字数据值比较，产生表示波形记录边缘和基准边缘之间差的误差值。时间补偿值从误差值中产生，以改变基准边缘的时间位置，重复比较和时间补偿产生步骤，使误差值最小化。最小误差值处的时间补偿值与最接近的波形记录边缘的数字数据采样的时间位置结合，产生波形记录边缘时间标记。

Description

对输入信号的波形边缘进行时间标定的方法

技术领域

本发明通常涉及在获取的波形输入信号中对波形记录边缘的时间标定，更具体说，本发明涉及利用基准边缘对波形记录边缘进行时间标定的方法。

背景技术

示波器是用于如脉冲宽度、时间周期等电或光信号的时间间隔测量的传统测量仪器。确定阈值电平，并对经过阈值处的信号交叉点进行时间标记，例如通过在交叉点处放置光标。对时间标志位置之间的时间间隔进行计算，并把该位置作为时间间隔测量值进行显示。

数字示波器已经基本上取代了传统的用于测量电信号的模拟示波器。数字示波器接收输入模拟信号，并以由仪器设定的参数确定的特定采样速率对信号进行采样。采样后的信号通过模拟-数字转换器进行量化，使电平离散，同时将数字化的信号存储到存储器中。确定一个阈值电平，通过在阈值交叉点上下信号样本之间插位，来确定穿过阈值信号交叉点的时间标记。插位时间标记用于计算时间标记之间的时间间隔。

当为了确定阈值交叉时间而插入采样的边缘，最简单的插入法是在阈值交叉点上下的线性插入。然而，插入的阈值交叉点对干扰是敏感的，干扰中例如有数字示波器采样系统干扰。该采样系统干扰源包括前端放大或衰减，以及对模拟-数字转换器电平的离散，于是称为数字干扰。另外，快速上升或下降边缘仅经过几个采样时间位置。在这种情况中，较高级插入滤波器是更适宜的。较高级插入滤波器可把滤波功能用在阈值交叉点上下的多个数字采样中。Sin(x)/x插入法滤波器是就是这种较高级插入法滤波器。

在数学角度上，插入器是线性、变化-恒定(shift-invariant)系统。如果激励源或输入函数的增加导致在输出函数中同样的增加，并且如果两个相加的输入函数变换式为两个独立输出函数变换式的和，那么系统是线性的。如果在输入函数中的变化导致在输出函数中相应变化，那么系统是变化-恒定的，此时保持输出函数的形态和量级。如果加在插入器上的输出函数或激励物为干扰边缘，那么插入器的输出将带有干扰。在采样的信号中，干扰本身在信号中表现为振幅变化。利用线性插入器或较高级插入滤波器，通过插入穿过阈值交叉的信号建立时间标记，这种时间标记的建立对信号中幅值变化是敏感的。在存在有由干扰产生的幅值变化条件下，上升或下降边缘的斜边(如较长上升及下降次数)还降低时间标记的精度。

发明内容

于是需要这样的用于输入信号采样边缘的时间标定方法，该方法比当前插入法对于干扰和上升与下降次数较不敏感。时间标定方法需要灵活性和稳定性，以使在波形边缘的不同位置进行时间标定。另外，时间标定方法可比当前插入法具有较大的时间标记精度。

因此，本发明涉及利用基准边缘对输入信号的边缘进行时间标定的方法。时间标定方法产生具有时间标记过的数字数据值的基准边缘，利用了在至少基准边缘中限定的第一时间标记。捕获输入信号的数字数据采样，以形成输入信号的波形记录。对波形记录边缘的数字数据采样与同一时间的基准边缘的数字数据值进行比较，以产生表示波形记录边缘和基准边缘之间差的误差值。从误差值中产生时间补偿值，以改变基准边缘的时间位置。重复进行比较和时间补偿产生步骤，使误差值最小化。将最小误差值的时间补偿值与波形记录边缘的最接近数字数据采样的时间位置结合起来，以产生波形记录边缘时间标记。

基准边缘产生步骤可以几种方式实现。一种方式是多次采样(OVER-SAMPLE)，并对输入信号的相似边缘的数字数据采样取平均值，例如同时间采样和取平均值。另一种方式是储存表示基准边缘的时间标记过的数字数据值。再有的方式是储存表示基准边缘的算法，并利用基准边缘算法产生时间标记过的数字数据值。该基准边缘产生步骤可产生上升和下降基准边缘。

时间标记限定步骤可在基准边缘不同点形成时间标记。其他一些时间标记限定步骤包括(但不限于此)在基准边缘中限定50％的点。可选择的步骤包括在基准边缘中确定第一和第二时间标记，以在波形记录边缘上进行上升和下降的时间测量，并为第一和第二时间标记形成10％的点和90％的点。在含有人工干扰因素的波形记录边缘中，在基准边缘中形成用于第一和第二时间标记的20％和80％的点。

时间补偿值产生步骤可通过下列方式实现：对误差信号的误差值求和以产生索引值，并把该索引值加到求和后的误差值对Δ补偿值的表中，以获取Δ补偿值。把Δ补偿值加到当前时间补偿值上，以产生新的时间补偿值，把新的时间补偿值应用到基准边缘的数字数据值中，以改变基准边缘数字数据值的时间位置。对于每个新误差信号，重复进行预定数量迭代的求和步骤、求索引值步骤、相加步骤和应用时间补偿值步骤。还可重复进行求和步骤、求索引值步骤、相加步骤和应用时间补偿值步骤，直到Δ补偿值落在阈值区内。求索引值步骤还可包括在误差值中采用标量值的步骤。

结合所附权利要求书和附图阅读下面详细的描述后，可明显看出本发明的目的、优点和新颖特点。

附图说明

图1为数字示波器的典型方框图，该示波器用于实现根据本发明对波形记录边缘时间标定的方法。

图2表示的是根据本发明对波形记录边缘进行时间标定的方法的工作方框图。

图3表示的是根据本发明对波形记录边缘进行时间标定方法的基准边缘和波形记录边缘的波形图象。

具体实施方式

可通过任何数字系统实现对采用基准边缘的输入信号波形记录边缘进行时间标定的方法，如通过信号数字转换器、数字示波器、数字逻辑分析器等。参见图1，该图示出了数字示波器10的典型方框图，该示波器10用于实现本发明的对输入信号采用基准边缘的波形记录边缘进行时间标定的方法。该数字示波器10具有可以多种方式工作的探测系统12。输入信号可通过可变的衰减器14和前置放大器16传送。在较高数字化速率采样示波器中，如Beaverton，Oregon的Tektronix，Inc.和本发明的受让人制造和销售的TDS7104数字示波器，每个输入通道具有数字化的传输线，如示意示出的传输线18和20。每个示波器输入通道中均包括一些传输线。每条传输线具有跟踪和保持(T/H)电路22、模拟-数字(A/D)转换器24和存储器26。时基28把记时信号发送到采集系统12中用于在T/H电路22中锁存输入信号的模拟值，驱动A/D转换器24以使在T/H电路的模拟值数字化并使数字化后的值储存在存储器26中。传输线18、20具有另外的电路(图中未示出)，该电路为每条传输线18、20补偿或延迟时基信号，以产生“X”倍记时信号速率的采集速率，其中“X”为在采集系统12中的传输线数。表示输入信号的数字数据采样通过系统总线30从采集系统12中输出。存储器32与总线30连接，该存储器32即包括RAM、ROM，也包括带有存储易失数据的RAM存储器的高速缓冲存储器，所述的易失数据例如为输入信号的数字数据采样、在采用基准边缘记时方法中产生的计算值等。ROM存储器可存储表示一个或多个上升和/或下降基准边缘的记时过的数字数据值，或存储表示上升或下降边缘的一个或多个算法。存储器32通过系统总线与控制器34连接，控制器例如为Intel，Corp.Santa Clara，CA.制造和销售的CELERON^TM或PENTIUM^微处理器。系统总线30也连接可变衰减器14、如液晶显示器的显示装置36、阴极射线管或类似装置、带按钮的前面板38、可转动的把手及类似部件以及如键盘和/或鼠标的控制输入器。如硬盘驱动器、CD ROM驱动器、磁带驱动器、软盘驱动器或类似可对适当大容量存储媒介进行读写的大容量存储单元或单元组40也与系统总线连接。用以控制数字示波器10、实现利用基准边缘进行记时方法的程序指令在ROM存储器32或大容量存储单元40的大容量存储媒介中存取。数字示波器10为以PC为基础的系统，该系统由Microsoft，Corp.，Redmond，WA制造和销售的WINDOW^98操作系统控制。

采用基准边缘的时间标定方法更适宜以一系列步骤实现，该步骤通过根据存储在存储器中的程序指令进行操作的控制器来完成。参见图2，该图示出了本发明的对波形记录边缘进行时间标定方法的工作方框图。模拟-数字(A/D)转换器50接收输入信号和产生作为如图3波形图象中示出的波形记录54而存储在存储器52中的数字数据采样。控制器56通过系统总线58与A/D转换器和存储器52连接。A/D转换器50、存储器52、控制器56和系统总线58等同于图1中数字示波器10的A/D转换器24、存储器32、控制器34和系统总线30。虚线60表示波形记录的数字数据采样的数据流、基准边缘的数字数据值、在记时方法中发生的误差和时间偏差值，这些将在下面更详细地描述。

在图3中，基准边缘62的数字数据值可以各种不同方式由基准边缘发生器64产生。产生基准边缘的第一方法是越过采样并利用等同时间采样对输入信号取平均值。对输入信号的再次捕获，此时到A/D转换器50上的捕获信号相对于恒定驱动脉冲不同。经过几次捕获，产生了密实的采样基准边缘。基准边缘包括上升基准边缘62或下降基准边缘66。第二个方法是在存储器52或图1中描述的大容量存储单元40中存储代表上升和/或下降基准边缘的时间标定过的数字数据值。多个不同的上升和下降边缘以这个方式存储起来，并覆盖各种类型的输入信号。产生基准边缘的第三个方法是存储表示一个或多个上升和/或下降基准边缘62、66的一个算法或多个算法。控制器56执行算法的程序步骤，以产生表示基准边缘的时间标定过的数字数据值，并储存到存储器52中。

如图3所示，既有上升边缘54也有下降边缘68的波形记录边缘从获得的波形记录中取出，并提供到误差发生器70中。存储的基准边缘通过相位移位器72发送到误差发生器70中。误差发生器70产生误差信号e(n)，该信号发送到时间补偿转换器74。时间补偿转换器74对误差信号有转换功能，产生时间补偿值Δ，该补偿值发送到求和节点76上。求和节点76把Δ补偿值与通过延迟器78施加的原先的时间补偿值相加，产生新的时间补偿值。时间补偿值发送到移相器72上，使基准边缘在相位(时间)上相对于波形记录边缘改变。时间补偿值还发送到第二求和节点79上，该节点还从波形记录边缘接收到记时过的值。第二求和节点79的输出就是波形记录时间标记。

误差发生器70和时间补偿转换器74以相应的零误差值和零Δ偏差值以及时间补偿值进行初始化。把最初的Δ偏差值发送到求和节点76上，并加上时间补偿值发送到移相器72上。时间补偿值加到基准边缘数字数据值62、66的时间标记上。至少确定了基准边缘62、66的第一时间标记80。基准边缘时间标记80一般设定成基准边缘62、66的50％时间标记，以进行波形记录边缘54、68的时间标记测量。通过形成分别为10％和90％时间标记的第一和第二基准边缘时间标记82和84来进行波形边缘54、68的测量。在有干扰的波形记录边缘54、68中，基准边缘时间标记86和88可以各自为20％和80％时间标记来建立。波形记录边缘54、66的实际时间标记对应于基准边缘62、66上的确定时间标记80、82、84、86、88。改变在时间补偿转换器74中转换功能的能力为本发明的时间标定方法提供了灵活性和稳定性，而本发明不用插入现有技术的滤波器。在图1的数字示波器10上很容易进行前面板38和显示器36的控制，从而确定了基准边缘62、66的时间标记80、82、84、86、88。

误差发生器70接收基准边缘62、66的数字数据值和波形记录边缘54、68的数字数据采样。误差发生器70计算波形记录边缘54、68相应数字数据采样振幅值与线90表示的基准边缘62、66时间标记过的对应数字数据值的差。求和函数由下面公式来表示：

e(n，i)＝x(n)±y(n-m(i))                            (1)

其中x是采样边缘，y是基准边缘，m为补偿值，e是误差的差值，n为采样指数以及i为迭代指数。对于上升边缘，符号为(-)，而对于下降边缘，符号为(+)。误差值e(n)发送到时间补偿转换器74上，把转换器把振幅误差转换成Δ时间补偿值Δm(i)。时间补偿转换器74把Δm(i)Δ时间补偿值发送到求和节点76上。求和节点76还接收当前时间补偿值，并把Δ补偿值与当前时间补偿值相加，产生公式(2)表示的新时间补偿值。

m(i+1)＝m(i)+Δm(i)                            (2)

其中m为时间补偿值，Δm为Δ时间补偿值，i为迭代指数。时间补偿值发送到移相器72上，以改变基准边缘的相位或时间，其改变量为与波形记录边缘对应的时间补偿值。时间补偿值根据基准边缘相对于波形记录边缘的位置可以是正值的也可以是负值。对于上升边缘54，用于及时引导基准边缘62的波形记录边缘54时间补偿值为负值，而用于滞后于基准边缘62的波形记录边缘54时间补偿值为正值。对于下降边缘68，用于及时引导基准边缘66的波形记录边缘68时间补偿值为正值，而用于滞后于基准边缘66的波形记录边缘68时间补偿值为正值。移相后的基准边缘发送到误差发生器70中，该误差发生器70发出一组新的误差值e(n)。

再次参见时间补偿转换器74，误差和时间转换函数的最简单形式为：

$f(e\left(n\right),m)=A\·\underset{n=a...b}{\mathrm{\Σ}}e\left(n\right)----\left(3\right)$

其中A为标量，f(e(n)，m)为Δ补偿值。公式(3)通过对用于形成Δ补偿值的误差矢量e(n)求和形成总的误差矢量。重量函数w可引入到公式(4)中示出的Δ补偿值函数中。

$f(e\left(n\right),m)=A\·\underset{n=a...b}{\mathrm{\Σ}}e\left(n\right)\·w(n,m)----\left(4\right)$

用于总误差矢量的重量函数侧重于波形记录的某些数字数据采样，而不侧重于如在边缘斜面上的其他数据采样。

标量A可看成是可具有固定也可具有可变增量的增益值。可变增量标量可由公式(5)示出的增益函数G()来表示。

$f(e\left(n\right),m)=G(e\left(n\right),m)\underset{n=a...b}{\mathrm{\Σ}}e\left(n\right)\·w(n,m)----\left(5\right)$

增益函数G(e(n)，m)可看成是重量函数，该函数补偿量变化量为作为补偿程度函数的Δ补偿值。如果Δ补偿值很大，则重量函数更大，使基准边缘更接近波形记录边缘。如果Δ补偿值很小，则重量函数也小，于是基准边缘不经过波形记录边缘。增益函数G()可采取下面公式示出的几种形式：

$G(e\left(n\right),m)=\underset{n=a...b}{\mathrm{MAX}}\left(\right|e\left(n\right)\left|\right)----\left(6\right)$

$G(e\left(n\right),m)=\underset{n=a}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}{e\left(n\right)}^2$ $----\left(7\right)$

$G(e\left(n\right),m)=\underset{n=a}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}{e\left(n\right)}^2\·w(n,m)----\left(8\right)$

其中a和b横跨y(n)的长度x倍。公式(6)为最小-最大规则(如使最大误差最小化)。公式(7)和(8)为最小平方技术，其中(8)具有重量。改变用于总误差矢量和增益的能力是不用插入现有技术滤波器的本发明的记时方法的又一个优点。

从误差信号e(n)中产生Δ补偿值的一个方法是提供Δ补偿值与误差值总和的索引表，该表由公式(9)来表示。

Δm＝Index(∑e(n，i))                                    (9)

初始时间补偿值设定成零，误差值在误差发生器68中产生，并发送到时间补偿转换器74中。误差值加在一起，作为Δ补偿值表中的索引，以获取Δ补偿值。Δ补偿值用在求和节点76中并加到当前时间补偿值，从而产生新的时间补偿值。新的补偿值提供给移相器72，该移相器利用波形记录边缘对基准边缘的相位(时间)进行变换。移相后的基准边缘提供给误差发生器70，该发生器产生一组新的误差值e(n)。新的误差值被发送到时间补偿转换器74上，该转换器可测量误差值，并把值加在一起，并把相加的值在Δ补偿值表中编成索引，以得到新Δ补偿值。新Δ补偿值加到现存的时间补偿值中，再次进行产生另一个时间补偿值的过程。该过程可连续进行预定的迭代，或者直到绝对Δ补偿值中的差落到阈值或在阈值区内。最后的时间补偿值加到波形记录边缘的最接近数字信号采样的时间标记上，产生相对于基准边缘时间标记的波形记录时间标记。

在时间转换公式(2)中的标量值可在产生Δ补偿值的过程中变化，以提高时间标定发生过程的速度。标量大一个Δ补偿值，而当Δ补偿值减少时减少。这样允许较大时间补偿值有较大误差值e(n)，而逐渐地当误差值e(n)减少到最小值时，有较小的时间补偿值。

已经描述过了对波形记录边缘进行时间标定的方法，该方法产生或是上升或是下降边缘的基准边缘，在该基准边缘中具有时间标记过的数字数据值和至少一个限定的时间标记。获取输入信号的数字数据采样以产生输入信号的波形记录。可以是上升或也可以是下降边缘的波形记录边缘的数字数据采样与基准边缘的相同时间数字数据值进行比较，以产生表示波形记录边缘和基准边缘之间差的误差信号。从误差值中产生时间补偿值使基准边缘的时间位置改变。重复进行比较和时间补偿发生步骤，以使误差值最小。在最小误差值的时间补偿值与波形记录边缘最近的数字数据采样的时间位置结合，产生波形记录边缘时间标记。

本领域的技术人员很容易在不脱离本发明根本原理的情况下，对上述实施例的细节进行改变。因此，本发明的范围仅由下面的权利要求书来确定。

Claims (14)

1.一种对输入信号的边缘进行时间标定的方法，包括下面的步骤：

a)产生具有记时标记过的数字数据值的基准边缘；

b)在基准边缘中限定至少第一时间标记；

c)捕获输入信号的数字数据采样，以形成输入信号的波形记录；

d)对波形记录边缘的数字数据采样与同时间的基准边缘的数字数据值进行比较，以产生表示波形记录边缘的数字数据采样和同时间的基准边缘的数字数据值之间差的振幅误差向量；

e)对振幅误差向量求和以产生总的误差向量；

f)从总的误差向量中产生时间补偿值，以改变基准边缘的时间位置；

g)重复步骤(d)到(f)以使总的误差向量最小化；

h)将最小总误差向量的时间补偿值与波形记录边缘的最接近数字数据采样的时间位置结合起来，以产生波形记录边缘时间标记。

2.如权利要求1所述的对输入信号的边缘进行时间标定的方法，其中基准边缘产生步骤还包括进行多次采样并对输入信号的数字数据采样取平均值的步骤。

3.如权利要求1所述的对输入信号的边缘进行时间标定的方法，其中基准边缘产生步骤还包括储存表示基准边缘的时间标记过的数字数据值的步骤。

4.如权利要求1所述的对输入信号的边缘进行时间标定的方法，其中基准边缘产生步骤还包括以下步骤：

a)储存表示基准边缘的算法；及

b)利用基准边缘算法产生时间标记过的数字数据值。

5.如权利要求1所述的对输入信号的边缘进行时间标定的方法，其中基准边缘产生步骤还包括产生上升基准边缘。

6.如权利要求1所述的对输入信号的边缘进行时间标定的方法，其中基准边缘产生步骤还包括产生下降基准边缘。

7.如权利要求1所述的对输入信号的边缘进行时间标定的方法，其中基准边缘产生步骤还包括利用同时进行采样和取平均值产生数字数据采样。

8.如权利要求1所述的对输入信号的边缘进行时间标定的方法，其中限定时间标记的步骤还包括在基准边缘中确定50％点的步骤。

9.如权利要求1所述的对输入信号的边缘进行时间标定的方法，其中限定时间标记的步骤还包括为进行上升和下降时间测量而在基准边缘中确定第一和第二时间标记的步骤。

10.如权利要求9所述的对输入信号的边缘进行时间标定的方法，其中第一和第二时间标记确定步骤还包括在基准边缘中建立用于第一和第二时间标记的10％和90％的点，用于在波形记录边缘上进行上升和下降时间测量。

11.如权利要求9所述的对输入信号的边缘进行时间标定的方法，其中波形记录边缘包含人工干扰因素，并且第一和第二时间标记确定步骤还包括在基准边缘中建立用于第一和第二时间标记的20％和80％点，用于在有干扰的波形记录边缘上进行上升和下降时间测量。

12.如权利要求1所述的对输入信号的边缘进行时间标定的方法，其中时间补偿值产生步骤还包括以下步骤：

1)把作为一个索引值的总误差向量加到求和后的误差值对Δ补偿值的表中，以获取Δ补偿值；

2)把Δ补偿值加到当前时间补偿值上，以产生新的时间补偿值；

3)把新的时间补偿值应用到基准边缘的数字数据值中，以改变基准边缘的数字数据值的时间位置；以及

4)对于每个新的总误差向量，重复步骤(1)到(3)。

13.如权利要求12所述的对输入信号的边缘进行时间标定的方法，其中时间补偿值产生步骤进一步包括以下步骤：

4)对于每个新的总误差向量，重复步骤(1)到(3)直到Δ补偿值落在一阈值区内。

14.如权利要求12或13所述的对输入信号的边缘进行时间标定的方法，其中所述把作为一个索引值的总误差向量加到求和后的误差值对Δ补偿值的表中，以获取Δ补偿值的步骤还包括在总误差向量中采用标量值的步骤。

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