CN1208176A - 具有最大显示更新速率和最大显示带宽的仪器 - Google Patents

具有最大显示更新速率和最大显示带宽的仪器 Download PDF

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Abstract

信号采集和显示系统总是提供系统能够提供的最大的可能的显示带宽、而不会使显示更新速率降低到低于由采集时间窗口确定的最大值。优化过程不需要分析分开的采集结果,也不需要重复波形。采集系统在两个存储部分之间交替,使得最小显示更新时间是采集时间窗口和显示绘制时间两者中的较长者。控制显示记录长度、使得显示绘制时间总是等于或稍微小于采集时间窗口。对于给定采集时间窗口和最大显示更新速率,显示带宽总是处在可能的最大值。

Description

具有最大显示更新速率和最大 显示带宽的仪器
本发明一般地涉及电子波形的采集、数字化和显示，更具体地说，涉及诸如数字示波器的电子仪器。
在数字示波器或电子波形被数字化并显示的类似的电子仪器中，模拟信号被取样，然后模拟样值被通过模拟-数字(A/D)变换器数字化，并且数字化的取样值被存储在采集存储器(也被称为捕捉存储器)中。然后数字取样值被处理(例如：也许被滤波或被进行插值处理)，并且处理后的样值被写入显示存储器或者直接显示。正如下面将更详细地讨论的，需要在采集时间窗口、显示样值速率、显示带宽和显示更新速率之间进行各种协调。
对于显示器的水平轴、示波器(模拟或者数字式的)的操作者通常选择显示时间/刻度(例如在显示屏面水平方向上每cm为1μS)。然后在等于显示器显示的全部时间的总时间(采集时间窗口)内输入信号被取样。采集取样值的数目(采集记录)是由采集取样速率(样值数目/秒)乘以采集时间窗口(秒)确定的。可能采集存储器受限制，因此对于某些非常长的采集时间窗口、只存储采集样值中的一小部分(例如，每隔N-1个样取存储1个样值)。可能的最大显示更新速率是操作者选择的采集时间窗口的倒数。例如，如果操作者选择的采集时间窗口是0.01秒，那么，最大显示更新率是100次更新/秒。正如下面将更详细讨论的，实际的显示更新速率可能小于所述最大值。
通常，数字示波器和同类的波形采集仪器能采集和储存数据记录的速率比它们处理和显示这些记录的速率要快的多。例如：目前可得到的模拟/数字(A/D)转换器能够以几十亿个样值/每秒的速率对信号取样并转换，然而目前可得到的视频处理器能以数百万个样值/每秒的速率处理那些样值。假定：对操作员选择的特定的采集时间窗口，有M个采集样值(采集记录长度)和N个显示样值(显示记录长度)，其中M＞N。一种传统的解决方法是每隔(M/N-1个样值采集1个样值，通过称为抽取的方法选择采集样值或经插值处理的采集样值。注意！在这份专利文件中，抽取通常被用于指其输入取样速率大于或等于其输出取样速率的系统或者滤波器。例如，如果仪器采集10000个样值，显示2000个样值，则每隔4个采集样值可以显示1个采集样值。通常，抽取可以包括数字滤波，因此，例如，如果仪器采集10000个样值，而显示3000个样值，则这显示的样值可以通过滤波/插值获得。对于数字示波器，显示记录长度通常是固定的。
最理想的是：显示样值速率高到足于逼近连续波形显示，如模拟示波器那样。“带宽”这个词通常指能以取样的形式再生的最高频率，按照基本的取样理论，这个频率是取样速率的1/2(也称为奈奎斯特Nyquist速率)。如果为了显示而对采集的样值进行抽取，那么，存在采集带宽和分开的显示带宽，显示记录长度是显示样值速率乘以操作者所选采集时间窗口。典型地，显示记录长度是固定的，而显示带宽是可变的并由操作者所选采集时间窗确定。因此，一般需要很长的显示记录长度以获得对所有的操作者选定的采集时间窗口的高带宽。
最理想的是，显示更新速率高到使向操作者提供的信息总量达到最大值。高显示更新速率对捕获断续的事件和幅度变化的信号是特别重要的。如同以上讨论的，最大显示更新速率是由操作者所选采集时间窗口确定的。注意，阴极射线管和其他显示技术可能有影像刷新速率，在这个专利文件中，显示更新速率是由采集和绘制显示全部样值(显示记录)所需时间确定的，而与特定显示技术的刷新速率无关。
关于其他技术背景，例如可看M.s Holcomb和D.P.Timm合著的“100MHZ数字示波器的高吞吐量采集结构”，HEWLETT-PACKARD JOURNAL,VOL,43,NO,1,FEBRUARY1992,PP 11-20。R,A,WITTE，“数字示波器中的取样速率和显示速率”HEWLETT-PACKARD JOURNAL,VOL,43,NO,1,FEBRUARY1992,PP18-19和S,B,WARNTJEES“数字示波器中的持续取样速率”HEWLETT-PACKARD JOURNAL,VOL,48,NO,2,APRIL 1997,PP 23-25。
过去的某些仪器已具备手动控制采集和显示参数，籍此，允许操作者控制各种协调，此外，几种近似值被采用以自动地给出各种最佳测量参数值。用于自动优化的先有方法要求对信号进行初始采集(继之以对初始采取的分析)以及利用基于对初始采集的分析的优化后的参数的二次采集。例如，在美国专利第5375067号(Brechin)中，取样速率是基于对初始采集的分析而自动调整的。在Berchin的专利中，首先以最大取样速率和最大记录长度将波形数字化。对初始采集进行频谱分析。然后把取样速率设置在最高频率分量的频率的两倍，这最高频率分量的幅度超过最大失真电平，然后以新取样速率对波形进行再采集。在美国专利第5397981号(Wiggers)中，对于重复信号，取样速率是不变的，并且记录长度是基于对初始采集的分析而自动调整的。在Wiggers的专利中，重复信号被采集和取样，测量一个循环的时间周期，同时，调整取样值的数目、使得对任何信号重复频率保持恒定的显示时间。尤其应当指出，在Wiggers的专利中，采集时间窗口不是由操作员选择，而相反是自动调整采集时间窗口、使其与重复信号的周期时间一致。
存在一种普遍的需求：在已知由特定的操作员选定的采集时间窗口的情况下自动地优化显示带宽，而不需要把显示更新速率降低到低于由采集时间窗口确定的最大速率。
具体地说，存在一种需求：自动地优化显示带宽、而不需要初始采集和分析、并且，不需要改变操作员选择的采集时间窗口。此外，存在一种自动地优化非重复波形的显示带宽的需求。
公开一种信号采集系统：在已知操作员选择的采集时间窗口的情况下，总提供系统能够提供的最大可能显示带宽，而不会使显示更新速率从由采集时间窗口确定的最大显示更新速率降低，不需要分析分开的采集结果，并且不需要操作员介入或控制。在按照发明的系统中，采集系统在至少两个存储部分之间交替，使得最小显示更新时间是采集时间窗口或显示绘制时间两者中的较长的一个。不是固定显示记录长度，而是自动地调整显示记录长度使显示绘制时间等于或稍小于操作员所选采集时间窗口。所以，显示更新速率总是处在给定操作员所选采集时间窗口情况下可能的最大值，并且，在已知操作员选定的采集时间窗口和显示更新速率的情况下使显示带宽最大。除非采集记录超出采集存储区，采集取样速率总是处在最大取样速率并且近似保持不变。采集取样速率与显示样值速率的比例在采集取样速率最大时近似不变。
根据本发明的仪器具有如下属性：
1．除了受采集存储器大小的限制之外，采集取样速率处在最大速率并保持恒定。
2．允许改变采集记录长度以保持最大的采集带宽。
3．当采集取样速率最大时，采集取样速率与显示样值速率的比值近似为常数(＞1.0)。
4．显示记录长度是可变的、使得显示绘制时间总是等于或稍小于采集时间窗口。
5．显示带宽是在不使显示更新速率降低到低于由采集时间窗口确定的最大速率的情况下可能的最大值。
图1为按照发明的波形数字化和显示的仪器的方框图。
图1说明按照发明的仪器。电子输入波形100由模拟取样器102以采集取样速率取样。在模拟取样器102测量的采集取样速率为最大的近似不变的取样速率。这里用“近似”这个词是因为取样时钟频率会出现细微随机变化(称为抖动)，这是为了慎重起见，以避免某些混淆的问题。因此，更准确地说，对于大多数操作员选择的采集时间窗口，波形总是以全取样时钟率取样，这会存在一些细小的变化。每一个模拟样值通过模拟/数字变换器104数字化。如果所需的采集纪录超过可用的采集存储器(对于非常低的扫描速度)，则数字化的采集样值在存入存储器之前需要进行抽取(106)，籍此降低所存储的样值的有效采集取样速率。
在早期的数字示波器中，采集和显示是串行处理的。显示更新时间是采集时间窗口和显示绘制时间之和。对于更快的显示更新的一种改进是提供多个采集存储器(或单个大存储器的多个分区)，使得当一个采集存储器正被用于采集新数据时，提供另一个采集存储器、把先已写入的数据作显示处理。例如，见美国专利申请第08/607671号。
相应地，图中，采集记录被交替地存入第一采集存储器108和第二采集存储器110中。这里可以有多于两个的采集存储器。早先被存入的数字样值由显示处理器112处理(抽取)。显示处理器以显示样值速率输出显示记录(显示样值的数目)。图中示出帧缓冲器114，但是在一些系统中，显示处理器可直接写入显示器116而无须中间存储。与先前典型的仪器相比、显示记录长度可能长很多。所述仪器的控制板120和处理器118相互配合。处理器118控制显示处理器112。操作员在控制板120上选择采集时间窗口，对于任何给定的操作员选定的采集时间窗口，处理器118控制显示处理器112以便调整其抽取速率。
传统上，数字示波器的显示记录长度已被固定或可手动调整。Wiggers的专利是一个例外，其中，根据对重复信号的初始采集的分析而计算采集时间窗口和显示记录长度、以便适应重复信号的周期。如果显示记录长度被固定，并且采集记录长度被允许任意长以维持最大采集带宽，那么，采集时间窗口可以比显示绘制时间更长。当采集和显示是并行处理时，最小显示更新时间比采集时间窗口或显示绘制时间更长。如果显示更新速率被采集时间窗口所限，那么显示带宽可增加而无由于显示记录长度的增加对显示更新速率产生的影响。相反，如果显示更新时间被显示绘制时间所限制，那么，显示更新时间可以通过减少显示记录长度来减少。按照本发明，一种改进是总是使显示绘制时间大约等于或稍小于采集时间窗口，使得显示更新速率总是由采集时间窗口确定。由于采集记录长度可变，所以，显示记录长度也必须可变。通常，采集取样速率与显示样值速率的比例在采集取样速率最大时保持恒定(当采集记录长度不超过可用的采集存储器时)。对于任何给定操作员选择的采集时间窗口，受处理器118支配的显示处理器112调整显示纪录长度以使显示绘制时间小于或等于采集标绘时间。通过改变显示记录长度以保持显示绘制时间小于或等于采集时间窗口，使显示带宽处在不把显示更新速率降低到低于由采集时间窗口确定的最大速率的情况下可能的最大值。
为了举例说明的目的，已经给出以上关于本发明的描述。不希望把以上的说明看成是详尽的、或者把本发明限制在所公开的严格的形式，并且，根据以上的讲述，各种修改和变化是可能的。为了最好地说明本发明的原理及其实际应用，选择和描述了实施例，从而使本专业的其他技术人员能够在适合于所考虑的具体应用的各种实施例和各种改型中最好地应用本发明。希望把后附的权利要求书看作包括除了先有技术限制之外的本发明的其他替代的实施例。

Claims (1)

1．一种用于显示波形的数字化样值的方法，其特征在于包括以上步骤：
通过显示处理器(112)在采集时间窗口范围内读出数字化样值；
通过所述显示处理器，抽取所述数字化样值，从而产生具有显示记录长度的显示样值，显示处理器需要用于显示所述显示样值的显示绘制时间；以及
通过所述显示处理器调整所述显示记录长度、以便使所述显示绘制时间基本上等于但不大于所述采集时间窗口。
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