DE3504017A1 - Verfahren zum darstellen einer signalform mittels eines digitalen oszilloskops - Google Patents

Description

Tektronix, Inc. München, 06. Februar 1985

Beaverton, Oregon 97077 (V.St.A.) ka-ist 14 687

Verfahren zum Darstellen einer Signalform mittels eines digitalen Oszilloskops

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Darstellen einer Signalform mittels eines digitalen Oszilloskops unter Abtasten der Signalform, Speichern der Abtastwerte, Bilden von Interpolationswerten zwischen den Abtastwerten und Darstellen der Abtastwerte und der Interpolationswerte. Dazu gehört auch ein entsprechendes Oszilloskop zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer Vorrichtung zum Darstellen der Abtastwerte und der Interpolationswerte in Form einer annähernd kontinuierlichen Spur.

Ein bekanntes Digitalspeicheroszilloskop tastet die Eingangssignalform an einer großen Anzahl von Abtastpunkten ab, wandelt die analoge Abtastinformation in Digitalform um und speichert die sich ergebende digitale Information in einem Rechner-Speicher. Die digitale Information wird wiederholt wiedergewonnen und zurückgewandelt in die Analogform zur Darstellung auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre.

Die digitalisierten Abtastungen der Eingangssignalform stellen diskrete Punkte auf der Signalform dar und, um die Darstellung einer unterbrochenen Spur zu vermeiden, die nur aus diesen Punkten besteht, wird häufig ein Interpolationsvorgang angewendet, der zwischen den Originalpunkten eine interpolierte Spur bildet. Als Interpolator ist ein Sinusinterpolator oder ein Interpolator mit einer sin x/x-Charakteristik geeignet, die eine glatte oder sinusförmige Spur zwischen den originalen Datenpunk-

ten bilden. Der gleiche Interpolator, der getreu Sinuswell eni nformation aus dem Speicher wiedergibt, erzeugt jedoch in Impulsinformation oder einer Information mit raschem Anstieg und Abfall Vorschwingungen und Über-Schwingungen. Derartiges Überschwingen und fehlerhaftes Schwingen kann die echte Signalform verdecken.

Eine mögliche Lösung dieses Problems besteht darin, ein Digitalspeicher-Oszi1loskop mit mehr als einem Interpolator zu versehen, beispielsweise mit einem für Sinusinformation und einem anderen mit guten Impulseigenschaften, dem jedoch die Fähigkeit fehlt, Sinuswellen zu interpolieren. Der Benutzer des Oszilloskops muß dann zwischen zwei unterschiedlichen Signalformdarstellungen wählen für die gleiche gespeicherte Datenfolge und möglicherweise ist dann keine dieser Darstellung genau.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Darstellen einer Signalform mittels eines digitalen Oszilloskops unter Speicherung von digitalisierten Abtastwerten und Bildung von Interpolationswerten anzugeben, bei dem auch sehr unterschiedliche Signalformen deutlich erkennbar wiedergegeben werden. Insbesondere soll hierbei nur ein einziger Interpolator Verwendung finden und die Abtastwerte sollen sich getrennt von den Interpolationswerten betrachten lassen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 sowie ein digitales Oszilloskop mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 4.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein digitales Oszilloskop eine Sinusinterpolation zum Interpolieren zwischen origi-

nalen Abtastwerten und eine grafische Anzeigeeinrichtung, etwa eine Kathodenstrahlröhre, die sowohl auf die originalen Werte als auch auf die interpolierten Werte anspricht und eine Spurdarstellung wiedergibt. Die Spur auf der grafischen Anzeigeeinrichtung wird synchron mit der Darstellung der originalen Abtastungen selektiv moduliert, um diejenigen Teile der Spur, die auf die originalen Abtastungen ansprechen, von denjenigen zu unterscheiden, die durch Interpolation erzeugt wurden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Z-Achse der Kathodenstrahlröhre moduliert, um eine höhere Spurleuchtstärke für diejenigen Teile der Spur die den originalen Abtastungen entsprechen zu erzeugen, während eine variabel geringere Leuchtstärke der Spur die Interpolationswerte wiedergibt. Der Unterscheidungsgrad zwischen den Spurteilen ist einstellbar.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen digitalen Oszilloskop sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Schließlich sind auch den in der Zeichnung dargestellten und nachstehend näher erläuterten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen digitalen Oszilloskop weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung zu entnehmen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild teilweise in Blockform eines AusfUhrungsbeispieles des erfindungsgemäßen digital en Oszi11oskops ,

Fig. 2 ein Schaltbild ebenfalls teilweise in Blockform zur weiteren Erläuterung eines Teiles der Schal-

tungsanordnung der Fig. 1 bei einer analogen Ausführungsform,

Fig. 3 ein Schaltbild ebenfalls teilweise in Blockform zur weiteren Erläuterung eines Teiles der Schaltung nach Fig. 1 bei einem digitalen Ausführungsbei spiel,

Fig. 4 eine Rechteck-Signalform wie sie mit einem digitalen Kathodenstrahlröhren-Oszi1loskop mit Sinusinterpolation wiedergegeben wird,

Fig. 5 eine Signalformdarstellung wie sie mittels des erfindungsgemäßen digitalen Oszilloskops wiedergegeben wird, wobei die originalen Daten gegenüber den interpolierten hervorgehoben sind und

Fig. 6 eine Signalformdarstellung, die nur originale Datenabtastungen aufweist.

Figur 1 zeigt einen Teil eines Digitalspeicher-Oszilloskops oder einer Kombination aus einem Digitalspeicher und einem üblichen analogarbeitenden Oszilloskop gemäß der Erfindung. Ein an eine Klemme 10 eingelegtes Eingangssignal wird mittels eines Eingangsverstärkers 12 verstärkt und einem Digitalisierer (Analog/Digita!-Wandler) 14 zugeführt, der das Eingangssignal in eine Anzahl von digitalen Abtastungen umwandelt die aufeinanderfolgend die Amplitude der Eingangssignalform darstellen. Die Digitalisierung besteht somit in einer Abtastung und Quantisierung der Eingangsinformation. Eine Zeitablenkeinrichtung 16 wird mit einem genauen digitalen Takt beaufschlagt, um den Anal og/Digitalwandlungsvorgang und die Speicherung der Daten in einem Digitalspeicher 18 zeitlich zu steuern. Die Geschwindigkeit mit der dies

erfolgt,ist die Digitalisierungsgeschwindigkeit oder Abtastgeschwindigkeit der Einrichtung. Sobald die Daten einmal in dem Digitalspeicher 18 gespeichert sind, können sie mit einer gewünschten Geschwindigkeit ausgelesen und für eine Anzeige wiedergewonnen werden.

Bei der Schaltungsanordnung der Figur 1 wird die aus dem Digitalspeicher 18 ausgelesene Information dem Interpolator 20 zugeführt, der zusätzliche Punkte oder Werte zwischen den Abtastwerten erzeugt, die anfangs in dem Digitalspeicher 18 gespeichert sind und diese interpolierten Werte werden zwischen die originalen Abtastwerte zum Anlegen an einen Vektorgenerator 22 eingestreut. Der Vektorgenerator 22 verbindet "oder zieht Linien zwischen den aufeinanderfolgenden Abtastwerten und den interpolierten Werten, so daß sich ein Ausgangssignal zum Betrieb der Ablenkeinrichtung einer grafischen Anzeigeeinrichtung 24 ergibt, die zweckmäßigerweise eine Kathodenstrahlröhre aufweist. Die Kathodenstrahlröhre 24 und/oder der Vektorgenerator 22 sprechen auch auf die horizontale Ablenkinformation, d.h. die Zeitablenksteuerung in üblicher Weise an.

Der Interpolator 20 ist ein Sinusinterpolator, d.h. ein Interpolator, der grundsätzlich dafür ausgelegt ist, Sinuswellen zu erzeugen oder eine Information mit wesentlichem Sinusgehalt. Somit wird ein Eingangssignal, das Sinusanteile besitzt (bei Frequenzen unterhalb einer vorbestimmten Frequenz die gleich der Hälfte der Digita-1isierungsgeschwindigkeit ist) unter Verwendung des Sinusinterpolators exakt wiedergegeben. Rechteckwellen oder Eingangssignalformen mit raschen Anstiegs- und Abfallzeiten führen jedoch zu fehlerhaften Schwingungen oder zu Erscheinungen, die wie ein Vorschwingen und Überschwingen an den Impulsflanken aussehen. Figur 4

veranschaulicht eine Darstellung eines Rechtecksignales wie es auf der Kathodenstrahlröhre 24 der Figur 1 nach Interpolation durch den Sinusinterpolator 20 dargestellt wird. Die tatsächlichen originalen Abtastungen der Eingangssignalform sind in Figur 6 gezeigt und bestehen aus einer Folge von Punkten, z.B. bei 21, die genau die Rechtecksignalform wiedergeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Z-Achsen-Modulation der Kathodenstrahlröhre 24 gesteuert, d.h. der Kathodenstrahlröhren-Elektronenstrahl wird derart moduliert, daß die interpolierte Information von den originalen Abtastpunkten abgesetzt wird, wie dies Figur 5 veranschaulicht. Dieses Verfahren der Anzeige bietet erhebliche Vorteile gegenüber einer kontinuierlichen Anzeige, beispielsweise der Darstellung nach Figur 4, da der Betrachter jeweils weiß, welche Anzeigepunkte originale Datenpunkte sind und welche durch die Einrichtung hinzugefügt wurden. Im Falle der Rechtecksignalform zeigen die originalen Punkte eine kurze Anstiegszeit mit keinem Überschwingen und fehlerhaftem Schwingen. Aus diesen originalen Punkten kann der Benutzer bestmögliche Anstiegszeitmessungen abnehmen und kann sehr einfach feststellen, wenn die Signalform einen erheblichen Anteil von tatsächlichem Schwingen unterhalb der Nyquist-Geschwindigkeit oder -Rate aufweist.

Gemäß Figur 1 wird die Erfindung ausgeführt unter Verwendung einer monostabilen Kippschaltung 26, die einen Transistor 28 treibt, dessen Emitter Mitte dem Eingang eines Z-Achsen-Operationsverstärkers 30 verbunden ist. Der Verstärker 30 steuert die Elektronenkanone der Kathodenstrahlröhre 24 oder eine andere Leuchtstärke-Bestimmungseinrichtung und ist mit einem Rückkopplungswiderstand 32 versehen. Ein erster veränderbarer Eingangs-

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widerstand 34 koppelt eine positive Spannung Mitte dem Eingang des Verstärkers 30. Der Kollektor des Transistors 28 ist mit der gleichen positiven Bespannung über einen zweiten veränderbaren Eingangswiderstand 36 verbunden. 5

Die monostabile Kippschaltung 26 spricht auf das Auslesen der ursprünglichen Abtastungen aus dem Digitalspeicher 18 an und erzeugt Ausgangsimpulse in negativer Richtung mit einer vorbestimmten Dauer. Die Zeitangabe des der monostabilen Kippstufe 26 zugeführten Eingangssignals wird derart bestimmt, daß dieses Eingangssignal im wesentlichen zusammenfällt mit der Darstellung der den originalen Abtastwerten entsprechenden Signalformteile auf der Kathodenstrahlröhre 24.

Wenn der negative Ausgangsimpuls der monostabilen Kippstufe 26 an den Transistor 28 angelegt wird, dann wird dieser gesperrt und es bleibt nur der Eingangswiderstand 34 in der Schaltung wirksam. Der Widerstand 34 dient dazu, die Lichtstärke der originalen Abtastpunkte einzustellen. Nach Abfallen der monostabilen Kippstufe 26 wird der Transistor 28 wieder leitend und die Lichtstärke der Spur wird auch bestimmt durch den einstellbaren Wert des Widerstandes 36 parallel zum Widerstand 34. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist proportional dem negativen Verhältnis des Rückkopplungswiderstandes zum Eingangswiderstandes, so daß bei der Parallelschaltung des Widerstandes 36 zum Eingangswiderstand 34 sich das Ausgangssignal des Verstärkers in negativer Richtung vergrößert, so daß die Spur weniger hell wird.

Die Schaltung ist derart ausgelegt, daß die Lichtstärke der die Eingangsabtastungen darstellenden Punkte relativ konstant ist, wie dies durch die Einstellung des ersten Eingangswiderstandes 34 bestimmt wird, während der zweite

Eingangswiderstand 36 derart eingestellt wird, daß die Lichtstärke der Spur zwischen den Punkten gemäß Figur 5 variiert wird. Der Wert des Widerstandes 36 kann tatsächlich so weit verringert werden, daß der interpolierte Teil der Spur vollständig verschwindet, so daß nur die originalen Abtastpunkte gemäß Figur 6 übrig bleiben. Andererseits kann der Wert des Widerstandes 36 auch so weit erhöht werden, daß die gesamte Spur die gleiche Lichtstärke gemäß Figur 4 aufweist.

Die Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung mit analoger Ausführungsform des Interpolators und des Vektorgenerators der Figur 1. Der Interpolator 20 besitzt ein Speicheradressenregister 38, das das Ausgangssignal eines Zählers 40 zum adressieren aufeinanderfolgender Speicherstellen in dem Digitalspeicher 18 (Figur 1) empfängt, in dem die originalen Eingangsabtastungen als Digitalzahl en gespeichert sind. Die so adressierten Digitalwerte werden auf der Sammelleitung 60 einem Digita!/Analog-Wandl er 44 zugeführt, der eine Abtast- und Halteschaltung 42 aufweist. Das Arbeiten der Abtast- und Halteschaltung 42 ist mit demjenigen des Speicheradressenregisters 38 synchronisiert, so daß die nacheinander auftretenden Analogwerte zeitweilig gespeichert und aufeinanderfolgende Eingangssignale einer Ladungskopplungsvorrichtung 46 zugeführt werden. Die monostabile Kippstufe 26 arbeitet synchron mit der Zeitgabe des Anlegens aufeinanderfolgender originaler Abtastungen zu der Ladungskopplungsvorrichtung 46 von der Abtast- und Halteschaltung 42.

Die Ladungskopplungsvorrichtung 46 ist zweckmäßigerweise eine angezapfte Analogverzögerungsleitung TAD-32 oder eine Einerkettenvorrichtung, wie sie von der Firma Reticon Corporation, Sunnyvale, Kalifornien, USA herge-

stellt werden. Die Einerkettenstufen besitzen Ausgangsabgriffe 47, wobei nur vier von zweiunddreissig Abgriffen in der Zeichnung deutlichkeitshalber gezeigt sind. Analogladungen werden längs der Verzögerungsleitung 46 durch eine nicht gezeigte Verschiebeschaltung mit der Geschwindigkeit verschoben, mit der neue Analog-Informationswerte von der Abtast- und Halteschaltung 42 angelegt werden.

Jeder Abgriff 47 der Ladungskopplungsvorrichtung 46 ist mit einer Summierschaltung 52 über einen Multiplizierer 48 verbunden, der über Leitung 50 einen Multiplizierfaktor empfangen kann. Bei einer handelsüblichen Ausführung der TAD-32-Reticon-Vorrichtung können die Multiplizierfaktoren durch Einstellung einer Vielzahl von Potentiometern erzeugt werden. Die Multiplizierer 48 sind hier nur zur Erläuterung gezeigt. Die Zusammensetzung der Multiplizierfaktoren auf den Leitungen 50 ist einer sin x/x—Charakteristik angenähert, so daß sich eine sin x/x-Interpolation ergibt.

Das Interpolationsergebnis zwischen zwei originalen Abtastungen wird auf der Ausgangsleitung 53 einer Summierschaltung 52 ausgegeben und über eine Abtast- und Halteschaltung 63 als ein Eingangssignal an den Vektorgenerator 22 angelegt. Dieser empfängt ein zweites Eingangssignal auf einer Leitung 55 von einem ausgewählten Abgriff längs der Verzögerungsleitung der Ladungskopplungsvorrichtung 46, z.B. von einem annähernd zentralen Abgriff, der einen originalen Abtastpunkt darstellt, der zunächst der Folgeposition der interpolierten Punktinformation auf Leitung 53 ist.

Der Vektorgenerator 22 kann jede geeignete Vektorgeneratorschal tung sein, wobei hier zur Erläuterung eine

Vektorgeneratorschaltung angegeben wird, die ein Paar Multiplizierer 54 und 56 aufweist, die Analogeingangssignale auf Leitungen 59 bzw. 55 empfangen und ein gemeinsames Ausgangssignal über einen Summierwiderstand 58 an einen Y-Achsenverstärker 61 anlegen, der die Vertikai ablenkeinrichtung der Kathodenstrahlröhre 24 treibt. Die Multiplizierer 54 und 56 empfangen Signalformen mit geradlinigem Anstieg bzw. Abfall als Multiplizierfaktoren, so daß sich das Ausgangssignal der Summierschaltung 58 gleichförmig ändert vom auf der Leitung 55 anstehenden Wert auf einen von der Abtast- und Halteschaltung 63 empfangenen Wert. Während eines unmittelbar folgenden Teiles des Zyklus werden die Anstiegs- und Abfal 1 signalformen umgekehrt, wodurch das gemeinsame Ausgangssignal zurückgebracht wird auf den Wert auf Leitung 55. Inzwischen ist die Information um eine Position längs der Ladungskopplungsvorrichtung 46 weitergeschritten.

Der Y-Achsenverstärker 61 steuert, wie erwähnt, die Vertikai ablenkeinrichtung der Kathodenstrahlröhre 24. Die Z-Achse der Kathodenstrahlröhre wird von dem Z-Achsenverstärker 30 getrieben, in einer Weise, wie sie bereits zuvor erläutert wurde. Bei der veranschaulichten Schaltung empfängt die Kathodenstrahlröhre 24 ihre X-Achsenablenkung von einem nicht gezeigten Ablenkgenerator der synchron mit dem Auftreten der Signalformabtastungen und der interpolierten Information arbeitet.

Eine andere Ausführung der Schaltung eines Teils eines Oszi1loskops, das die vorliegende Erfindung verwendet, ist in Figur 3 gezeigt. Bei dieser Schaltung erfolgt die sin x/x-Interpolation zwischen den originalen Abtastpunkten durch einen Mikroprozessor 62. In einem Speicher 18* gespeicherte Abtastpunkte werden in geeigneter Weise

gemittelt, wodurch sich interpolierte Werte zwischen den originalen Punkten ergeben und die interpolierten Werte werden ebenfalls in dem Speicher 18' gespeichert. Dann werden die originalen und interpolierten Informationen von dem Speicher 18' über die Sammelleitung 66 an einen Vektorgenerator 22' über einen Digital-/Analogwandler 64 angelegt. Das Ausgangssignal des Vektorgenerators steuert die Ablenkeinrichtung der Kathodenstrahlröhre 24 mittels einer Verstärkervorrichtung 61' und kann sowohl die vertikale als auch die horizontale Ablenkung der Kathodenstrahlröhre gemäß den angegebenen Vektoren steuern.

Der Z-Achsenverstärker 30 und seine zugehörige Schaltung zum selektiven Hervorheben der originalen Datenpunkte gegenüber den Interpolationinformationen arbeitet in der gleichen zuvor beschriebenen Weise. Es zeigt sich, daß die Schaltung gemäß Figur 3 in ihrer Funktion der Schaltung gemäß Figur 1 entspricht, wobei jedoch die Interpolationsfunktion derart durch einen Mikroprozessor 62 ausgeführt wird, wie es für digitale Oszilloskope üblich ist. Die monostabile Kippstufe 26 wird in ihrer Arbeitsweise durch den Mikroprozessor 62 synchronisiert, so daß der Z-Achsenverstärker 30 die Lichtstärke der Kathodenstrahlröhrenspur synchron mit dem Auftreten der originalen Datenpunkte gegenüber der interpolierten Information ändert.

Obwohl die Modulation der Kathodenstrahlröhren-Darstellung bezüglich der Lichtstärke oder Helligkeit als ein Verfahren angegeben wurde, die originalen Daten in der Spur gegenüber den interpolierten hervorzuheben, ist ersichtlich, daß auch andere Formen der Modulation oder Darstellung der Spur verwendet werden können, um die originalen Daten von der interpolierten Information zu unterscheiden. Beispielsweise kann die Farbe des Spuraus-

gangssignals bei einer Farbkathodenstrahlröhre moduliert werden, so daß die originalen Daten in einer anderen Farbe als die interpolierte Information dargestellt werden.

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Claims (8)

STRASSE & STOFFREGBN ..'--" ή Γ Π / ft Patentanwälte · European Patent Attorneys |j J U H V I Tektronix, Inc. München, 06.Februar 1985 Beaverton, Oregon 97077 (V.St.A.) ka-ist 14 687 Verfahren zum Darstellen einer Signalform mittels eines digitalen Oszilloskops Patentansprüche

1. Verfahren zum Darstellen einer Signalform mittels eines digitalen Oszilloskops unter Abtasten der Signalform, Speichern der Abtastwerte, Bilden von Interpolationswerten zwischen den Abtastwerten und Darstellen der Abtastwerte und der Interpolationswerte

dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastwerte und die Interpolationswerte auf unterschiedliche Weise dargestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastwerte und die Interpolationswerte mit unterschiedlicher Helligkeit dargestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastwerte und die Interpolati onswerte mit unterschiedlicher Farbe dargestellt werden.

4. Digitales Oszilloskop zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Speicher für die digitalisierten Abtastwerte des Eingangssignals, einem Interpolator zur Bildung von Interpolationswerten zwischen den Abtastwerten und einer Vorrichtung zum Darstellen der Abtastwerte und

der Interpolationswerte in Form einer annähernd kontinuierlichen Spur,

gekennzeichnet durch
eine Vorrichtung (26,28,34,36), die synchron zur Darstellung der Spur diese selektiv zur Unterscheidung der Abtastwerte und der Interpolationswerte moduli ert.

5. Oszilloskop nach Anspruch 4 mit einer Kathodenstrahlröhre als Darstellungseinrichtung und einem Z-Achsenverstärker,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektronenstrahlröhre (24) über den Z-Achsenverstärker (30) bezüglich der Abtastwerte und der Interpolationswerte Helligkeit moduliert wird.

6. Oszilloskop nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Interpolator (20) ein Sinusinterpolator ist.
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7. Oszilloskop nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Z-Achsenverstärker (30) ein Operationsverstärker ist.
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8. Oszilloskop nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß eine monostabile Kippstufe (26) vorgesehen ist, die die Abtastwerte vom Speicher (18) empfängt und einen Transistor (28) steuert, der den Eingangswiderstand (34,36) zum Z-Achsenverstärker (30) bei Auftreten der Abtastwerte gegenüber demjenigen bei Auftreten der Interpolationswerte ändert.