DE69825204T2

DE69825204T2 - Eigenkalibrierung eines Oszilloskops mittels eines Rechteck-Testsignals

Info

Publication number: DE69825204T2
Application number: DE69825204T
Authority: DE
Inventors: Joseph M. Suffern Schachner; Viktor Hungerbuehler
Original assignee: Lecroy Corp
Current assignee: Lecroy Corp
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2018-05-01
Also published as: EP0875764B1; JPH1144710A; CA2236385C; EP0875764A2; EP0875764A3; DE69825204D1; US6269317B1; CA2236385A1; ATE272216T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kalibrierung einer Prüfausrüstung und insbesondere die Kalibrierung eines Digitalisierers in einem Oszilloskop, beispielsweise mit einem Rechteckwellen-Prüfsignal, wodurch von einem Mikroprozessor auf der Grundlage des digitalisierten Rechteckwellen-Prüfsignals eine Zeitverzögerung für die Einstellung berechnet wird.
Es ist wohl bekannt, dass ein Digitalisierer, der beispielsweise eine Abtast/Halte-Schaltung (S/H-Schaltung) und einen Analog/Digital-Umsetzer (ADU) umfasst, ein Analogsignal in die digitale Form umsetzt. Wegen der schnellen Spannungsänderungen in dem analogen Eingangssignal tastet die Abtast/Halte-Schaltung das Signal in Reaktion auf ein Taktsignal zu bestimmten Zeitpunkten periodisch ab und hält (speichert) einen abgetasteten Spannungswert, der in den A/D-Umsetzer eingegeben wird. Der A/D-Umsetzer empfängt den abgetasteten Spannungswert von der Abtast/Halte-Schaltung und erzielt eine digitale Darstellung auf der Grundlage einer im Voraus festgelegten Auflösung (8 Bits, 16 Bits usw.). Wenn es wenigstens mit der Nyquist-Rate umgesetzt ist, wird das Analogsignal durch digitale Werte genau repräsentiert und kann dann durch digitale Signalverarbeitungselemente verarbeitet werden. Selbstverständlich gilt: Je höher die Frequenz des Digitalisierers bei der Ausführung der weiter oben beschriebenen Abtast-, Halte- und Umsetzungsoperationen ist, desto besser ist die Annäherung der digitalen Darstellung an das analoge Eingangssignal.
In der heutigen sich rasant entwickelnden Welt, die den Schwerpunkt auf eine ständig zunehmende Geschwindigkeit und Verarbeitung setzt, haben viele Analogsignale Frequenzkomponenten, die einen sehr schnellen Digitalisierer erfordern würden, um das Analogsignal in die digitale Form umzusetzen. Derartige Digitalisierer sind typisch recht teuer, wobei die Kosten für bestimmte Anwendungen untragbar sein können. Im Ergebnis dessen ist vorgeschlagen worden, mehrere Digitalisierer zu verwenden, wodurch die digitalen Werte, die das Analogsignal repräsentieren, verschachtelt (zeitgeschachtelt bzw. multiplexiert) sind. Beispielsweise erfasst ein Digitalisierer, der mit einer Frequenz F/2 betrieben wird, das analoge Eingangssignal zu den Zeitpunkten t1, t3, t5, t7 ... und erzeugt entsprechende digitale Werte D1, D3, D5 ... von dem Analogsignal, während ein weiterer Digitalisierer, der ebenfalls mit der Frequenz F/2 betrieben wird, das Analogsignal zu den Zeitpunkten t2, t4, t6 ... erfasst und digitale Werte D2, D4, D6 ... des gleichen Analogsignals erzeugt. Es ist offensichtlich, dass die zwei Digitalisierer das Analogsignal für die Umsetzung zu verschiedenen Zeitpunkten erfassen, und speziell wird das Analogsignal durch den zweiten Digitalisierer zwischen der Abtastoperation des ersten Digitalisierers abgetastet (und umgekehrt). Wenn die digitalen Werte von den zwei Digitalisierern verschachtelt sind, wird das Analogsignal durch die digitalen Werte D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7 ... repräsentiert. Folglich ist die tatsächliche Abtastfrequenz des Analogsignals F, obwohl die einzelnen Abtastfrequenzen der Digitalisierer F/2 sind.
Die korrekte Funktion mehrerer Digitalisierer, die in der oben beschriebenen verschachtelten Art und Weise beispielsweise in digitalen Oszilloskopen verwendet werden, hängt von einer sehr genauen zeitlichen Steuerung ab. Unter anderem sollten die Taktsignale, die den Digitalisierern geliefert werden, genau gesteuert sein, um eine im Voraus festgelegte Phasenverschiebung zu erzielen. Bei dem obigen Beispiel sollte die Umsetzung des Analogsignals in die digitalen Werte D2, D4, D6 durch den zweiten Digitalisierer genau zwischen den digitalen Werten D 1, D3, D5, D7, die von dem ersten Digitalisierer erzeugt werden, erfolgen. Das heißt die Digitalisierer sollten mit Taktsignalen getriggert sein, die eine hohe Genauigkeit aufweisen. Die Genauigkeit der Taktsignale, die Triggerungen für die Digitalisierer bilden, wird noch wichtiger, wenn die Anzahl der Digitalisierer, die in der verschachtelten Betriebsart arbeiten, zunimmt. So wie der Abstand zwischen den verschachtelten Abtastungen abnimmt, muss die Genauigkeit des triggernden Taktes zunehmen, um genaue verschachtelte digitale Werte zu erzeugen.
Neben den Taktsignalen können sich weitere Faktoren, wie etwa die Temperatur, die Feuchtigkeit, physikalische Eigenschaften von Stromleitern usw. auf die Zeitsteuerung der Digitalisierer auswirken, die in der verschachtelten Betriebsart arbeiten. Im Gegensatz zu den Taktsignalen, die von Oszillatoren erzeugt werden, die mit hoher Präzision, wenn auch sehr teuer, hergestellt werden können, sind die oben erwähnten zusätzlichen Faktoren, die den Betrieb der Digitalisierer beeinflussen, schwer zu beherrschen. Deshalb ist eine periodische Kalibrierung (Anpassung) der Digitalisierer erforderlich, um genaue digi tale Werte zu erzielen, die das Analogsignal repräsentieren. Es ist deshalb zwingend erforderlich, dass die Kalibrierung der Digitalisierer schnell, genau und ohne übermäßig viel Hardware, wodurch sich die Kosten der Vorrichtung oder des Systems erhöhen würden, ausgeführt wird.
Es besteht folglich ein Bedarf an einer Vorrichtung und an einem Verfahren zur Verwirklichung der oben angegebenen Kriterien.
US 4,962,380 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines verschachtelten Digitalisierers mit digitalisiertem Haupttaktsignal, bei dem für ein nachfolgendes Anpassen einer Phasenschieberschaltung die gespeicherte Abtastung mit einem im Voraus festgelegten Referenzpegel verglichen wird.
JP 9-166 623 betrifft eine Zeitversatzkorrektur für einen mehrstufigen Digitalisierer.
Ein Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer Selbstkalibrierung eines Oszilloskops.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist das Kalibrieren eines Digitalisierers unter Verwendung eines Rechteckwellen-Prüfsignals.
Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist das Anpassen eines Digitalisierers in einer Prüfausrüstung, ohne wesentliche zusätzliche Hardware oder zeitaufwändige Software-Berechnungen hinzuzufügen.
Diese und weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausführen einer Kalibrierung geschaffen, wie sie in den Ansprüchen 1, 9 bzw. 13 definiert sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Signalgenerator zum Erzeugen eines Referenzsignals, das eine im Voraus gewählte Periode besitzt; einen Digitalisierer, der das Referenzsignal digitalisiert, um digitalisierte Werte zu erzeugen, die entsprechende Amplituden besitzen, und einen programmierbaren Controller, der in jeder entsprechenden Periode eine zeitliche Position eines digitalisierten Wertes in Bezug auf eine entsprechende Periode des Referenzsignals erhält. Der programmierbare Controller wird wirksam, um auf der Grundlage der erhaltenen zeitlichen Positionen eine Periode, eine Steigung und eine Verzögerung, die einem unge fähren Medianwert der Amplituden entsprechen, zu erhalten, so dass die Abtastzeiten des Digitalisierers auf der Grundlage der bestimmten Periode, der bestimmten Steigung und der bestimmten Verzögerung eingestellt werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine Zeitbasisschaltung, die für den Digitalisierer ein Taktsignal bereitstellt, das die Digitalisierungsoperation startet. Die Zeitbasisschaltung wird durch ein von dem programmierbaren Controller geliefertes Steuersignal gesteuert. Die Taktung des Taktsignals wird in Reaktion auf das gelieferte Steuersignal auf der Grundlage der bestimmten Verzögerung eingestellt.
Es werden nun beispielhaft anhand der Zeichnung Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Sowohl die oben erwähnten als auch weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden leicht offensichtlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung, die in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung zu lesen ist, worin:
1 ein Blockschaltplan der Kalibrierungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist;
2a bis 2c die Funktionsweise der Kalibrierungsvorrichtung von 1 veranschaulichen.
In allen Figuren repräsentieren gleiche Bezugszeichen gleiche oder völlig gleiche Komponenten der vorliegenden Erfindung.
Um einen allgemeinen Überblick zu geben: Die Erfindung ist auf ein Verfahren zur Selbstkalibrierung in einem digitalen Oszilloskop mit wenigstens zwei Digitalisierern pro Kanal, die in einer verschachtelten Weise arbeiten (so genannte verschachtelte Digitalisierer), ausgerichtet. Das Selbstkalibrierungsverfahren wird ausgeführt, indem eine Prüfsignalform (Referenzsignal) mit einer im Voraus festgelegten Frequenz an die Kanaldigitalisierer geliefert wird. Die Prüfsignalform wird digitalisiert, und die digitalen Werte werden innerhalb eines bestimmten Amplitudenbereiches ausgewählt. Die zeitliche Verzögerung der ausgewählten digitalen Werte (d. h. der tatsächlichen Abtastungen der Prüfsignal form) wird in Bezug auf die Referenzperiode (d. h. die theoretische Periode oder Referenzperiode der Prüfsignalform) gemessen. Auf der Grundlage der gemessenen Verzögerung wird eine Schätzung der Empfindlichkeit hinsichtlich der Verzögerung erhalten. Um die Kalibrierung auszuführen wird das Taktsignal, das die Abtastoperation der Digitalisierer triggert, in Reaktion auf die geschätzte Verzögerung eingestellt.
Die Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung diskutiert. Ein Blockschaltplan eines einzigen Kanals in einem digitalen Oszilloskop gemäß der Erfindung ist in 1 gezeigt, während seine Funktionsweise auf der Grundlage der 2a bis c erläutert wird. Um das Konzept der Erfindung nicht undeutlich werden zu lassen, sind in der Zeichnung nur ausgewählte Elemente gezeigt. Da die Elemente des Oszilloskops, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind, dem Fachmann auf dem Gebiet wohl bekannt sind, wird ihre Beschreibung weggelassen, um eine Weitschweifigkeit zu vermeiden.
1 zeigt einen Signalgenerator 100, der eine Prüfsignalform (das Referenzsignal) erzeugt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die erzeugte Prüfsignalform ein Rechteckwellensignal mit einer im Voraus festgelegten Frequenz, die kein Vielfaches der Abtastrate des Digitalisierers ist. Es ist wichtig, dass die Frequenz des Rechteckwellensignals nicht in einer Harmonischenbeziehung mit der Abtastrate des Digitalisierers ist, wobei die Gründe nachfolgend erläutert werden.
Wie in 1 gezeigt ist, wird das Rechteckwellensignal von dem Signalgenerator 100 an eine Vorschaltungseinheit 102 geliefert. Die Vorschaltungseinheit 102 umfasst eine oder mehrere der folgenden Komponenten: ein Dämpfungsglied, das die Signalamplitude dämpft, einen Schalter, der den Eingang zwischen einer Prüfsignalform und einem tatsächlichen Eingangssignal umschaltet, einen Koppler, der für eine Wechselstromkopplung des Signals sorgt, und weitere Komponenten, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekann sind. Außerdem wird ein analoges Eingangssignal an die Vorschaltungseinheit 102 geliefert, wie in 1 gezeigt ist. Wie weiter oben erwähnt worden ist, wählt der (nicht gezeigte) Schalter in der Vorschaltungseinheit 102 die Prüfsignalform von dem Signalgenerator 100 aus, wenn das Oszilloskop in der Kalibrierungsbetriebsart ist. Ansonsten wird das analoge Eingangssignal für eine nachfolgende Verarbeitung gemäß einer typischen Funktionsweise des Oszilloskops, die bei spielsweise das Messen und Anzeigen des Signals einschließt, an die Vorschaltungseinheit 102 geliefert.
Ferner sind in 1 zwei Digitalisierer 104, 106 gezeigt, die wahlweise entweder das analoge Eingangssignal oder die Prüfsignalform von der Vorschaltungseinheit 102 im Wesentlichen gleichzeitig empfangen. Jeder Digitalisierer enthält typischerweise eine Abtast/Halte-Schaltung (S/H-Schaltung), die die momentane Signalspannung abtastet und die Abtastwerte speichert, um während der nachfolgenden Umsetzung eine Mehrdeutigkeit zu vermeiden, falls sich die Signalspannung abrupt ändert. Außerdem ist in dem Digitalisierer ein Analog/Digital-Umsetzer (ADU) enthalten, der die von der Abtast/Halte-Schaltung empfangenen Abtastungen in die digitale Form umsetzt. Die von dem A/D-Umsetzer in jedem Digitalisierer 104, 106 erzeugten digitalen Werte werden für eine nachfolgende Verarbeitung durch das System in einer Speichereinheit 112 gespeichert. Obwohl die Speichereinheit 112 als ein einzelnes Element gezeigt ist, versteht sich, dass weitere Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise für jeden Digitalisierer separate Speichereinheiten enthalten könnten.
Die Digitalisierer 104, 106 sind durch ein Taktsignal gesteuert, das von einer Zeitbasisschaltung 108 erzeugt wird. Jeder Digitalisierer 104, 106 wird nämlich durch ein Signal von der Zeitbasisschaltung 108 aktiviert, da das Verschachteln der digitalen Werte, die an die Speichereinheit 112 geliefert werden, auf dem Taktsignal beruht, das die Digitalisierer 104, 106 abwechselnd triggert. Wie weiter oben erwähnt worden ist, müssen die Digitalisierer 104, 106 mit einem präzisen Taktsignal getaktet sein, wenn eine korrekte Verschachtelungsoperation ausgeführt werden soll. Folglich ist es erforderlich, ein periodisches Kalibrieren der Digitalisierer auszuführen, das die Anpassung der Taktsignale einschließt. Die Taktsignale können unter der Steuerung durch einen Mikroprozessor 110, etwa durch eine Zentraleinheit (CPU) oder einen programmierbaren Controller, zeitlich verzögert oder vorverlagert werden.
Im Betrieb wird die Vorschaltung 102 wirksam, um das Rechteckwellensignal (Prüfsignalform) auszuwählen, das während des Kalibrierungsvorgangs von dem Signalgenerator 100 erzeugt wird, wie in 2a gezeigt ist. Bei der tatsächlichen Ausführung hat das Rechteckwellensignal eine steigende Flanke von ungefähr 350 Pikosekunden, 20 % bis 80 % Amplitudenpegel, wenn der Kanal hochohmig gekoppelt ist, wobei für die Kalibrierung wenigstens einige hundert Zyklen der Prüfsignalform erhalten werden.
Nachdem das Rechteckwellensignal erfasst (digitalisiert) worden ist, werden die relativen Verzögerungen der Digitalisierer 104, 106 ermittelt. Das heißt es wird eine zeitliche Position eines digitalisierten Wertes in Bezug auf eine entsprechende Periode des Referenzsignals berechnet. Insbesondere zeigt 2b aufeinander folgende zeitliche Perioden der theoretischen (Referenz-)Prüfsignalform und die digitale Darstellung der tatsächlichen Prüfsignalform, wie sie von den Digitalisierern 104, 106 erzeugt wird. Die Spitze und die Grundlinie der tatsächlichen Prüfsignalform werden von dem Mikroprozessor 110 mit Histogrammtechniken bestimmt. Um die Wirkungen eines nachschwingenden oder unbeständigen Signals auszuschließen, werden nur digitale Werte innerhalb eines Amplitudenbereiches von 20 bis 80 % aus der tatsächlichen Prüfsignalform ausgewählt. Wie in 2b gezeigt ist, werden von dem Mikroprozessor 110 die digitalen Werte 2, 3 aus einer Periode der Prüfsignalform ausgewählt, während die digitalen Werte 1, 4 verworfen werden. Genauso werden während der folgenden Perioden der Prüfsignalform die digitalen Werte 5, 6, 7, 8 gewonnen.
Nachdem er die digitalen Werte gewonnen hat, berechnet der Mikroprozessor 110 die relativen Verzögerungen der Digitalisierer 104, 106 in Bezug auf die theoretischen Prüfsignalform-Perioden, wie in 2b veranschaulicht ist. Die gewonnenen digitalen Werte werden mit dem entsprechenden Prüfsignalzyklus von dem Mikroprozessor 110 gehalten. Für jeden gewonnenen digitalen Wert werden die Periode, die Steigung und die Verzögerung berechnet, und dann wird die Zykluszahl der Prüfsignalform von jedem digitalen Wert subtrahiert. Dadurch werden sämtliche digitalen Werte normiert (auf der Flanke übereinander gelegt, wie durch eine lineare Anpassung gezeigt ist).
Wie an früherer Stelle erwähnt worden ist, sollte die Frequenz des Rechteckwellensignals nicht in einer Harmonischenbeziehung zu der Abtastrate stehen, damit das Referenzsignal eine in Bezug auf die Abtastperiode des Digitalisierers verschobene Phase aufweist. Bei Einhaltung dieser Bedingung ist die Flanke gleichmäßig mit Abtastwerten (digitalen Werten) besetzt.
Das oben angegebene Verfahren kann am besten anhand der Veranschaulichung von 2c erläutert werden. Die in jedem Zyklus (jeder Periode) der Re ferenz-Prüfsignalform ausgewählten digitalen Werte sind durch Punkte repräsentiert, die in einen Graphen von 2c aufgenommen sind. Das ist, als ob alle Zyklen (Perioden) der Referenz-Prüfwellenform von 2b mit der Spitze übereinander gelegt worden wären. Wenn die Punkte von jeder entsprechenden übereinander liegenden Periode auf eine einzige Periode abgebildet sind, bilden die digitalen Werte, die durch diese Punkte repräsentiert werden, eine so genannte "Wolke", wie in 2c gezeigt ist. Bei einer tatsächlichen Ausführung werden von dem Mikroprozessor ungefähr 200 digitale Werte gehalten, und durch die Punkte auf dem Graphen wird dann eine Gerade angepasst, wie in 2c gezeigt ist. Der Ort auf der Geraden, der eine Signalamplitude von 50 % definiert, entspricht der Verzögerung der Digitalisierer 104, 106, wie in 2c durch t_d dargestellt ist.
Die oben angegebene Operation kann mehrmals durchgeführt werden, bis die zeitlichen Verzögerungen ein Konvergieren verhindern. Wenn jedoch nach mehreren Wiederholungen, wie weiter oben beschrieben ist, die zeitlichen Verzögerungen nicht konvergieren, kann die Kalibrierung unmöglich sein. In dieser Situation wird eine anzuzeigende Nachricht erzeugt, die angibt, dass die Kalibrierung nicht erfolgreich ausgeführt werden kann, um den Benutzer über den gescheiterten Versuch zu unterrichten.
Nach dem Bestimmen der relativen Verzögerung auf der Grundlage der im Voraus festgelegten Anzahl von Wiederholungen steuert der Mikroprozessor 110 die Zeitbasis in entsprechender Weise, um die Taktsignale, die den Betrieb der Digitalisierer 104, 106 triggern, anzupassen.
Die folgende Beschreibung liefert mathematische Einzelheiten des Kalibrierungsverfahrens gemäß der Erfindung.
Erfasste Prüfsignalform
Es werden für jeden Analog/Digital-Umsetzer (ADU) wenigstens einige hundert Zyklen der Prüfsignalform erfasst. Die Prüfsignalform überspannt ungefähr 5 Teilungsintervalle auf dem Oszilloskop, wenn die Vorschaltung auf 50 mV/Teilungsintervall eingestellt ist. Sie wird als etwa eine Rechteckwelle mit einer Frequenz von 14,31818 MHz und mit einer Anstiegs/Abfallzeit von 1 ns oder weniger erwartet. Der Algorithmus ist so beschaffen, dass er eine der Flanken (aber NICHT beide gleichzeitig) nutzt, wobei die endgültige Auswahl auf der Leistungsfähigkeit beruht.
Die erfassten Signalformpunkte sind mit X(1(i)) bezeichnet, wobei 1(i) der Index der Punkte eines einzigen ADU i (i = 0.1 ... (NADU – 1))) ist, wobei 1(i) von 0 bis L – 1 läuft und L die Gesamtzahl der Datenpunkte in der Aufzeichnung jedes ADU ist.
Verstärkungs- und Versatzeinstellung
Die Spitze und die Grundlinie des Kalibrierungssignals jedes Digitalisierers werden mit Histogrammtechniken ermittelt. Daraus werden die 20%-, 80%- und die Medianpegel für jeden Digitalisierer berechnet. Im Idealfall stimmen die Verstärkung und der Versatz immer überein, aber das Auffinden von abweichenden Pegeln stellt sicher, dass eine verbleibende Fehlanpassung nicht in einem Verzögerungsfehler zum Ausdruck kommt.
Die in Bezug auf den Medianwert korrigierten ADU-Werte werden als Aufruf Y(i) bezeichnet.
Anpassung an die Signalflanken
Diese Analyse erfolgt für jeden beteiligten ADU individuell. Folglich ist die Mathematik für jede Anpassung gleich, und es ist nicht erforderlich, den ADU in den Formeln explizit auszuweisen.

A) Ermitteln der Datenwerte der ADUs, die auf einer vorgegebenen Flanke liegen (ob die positive oder die negative Steigung zu verwenden ist, wird später bestimmt), was zu den folgenden Datenwerten führt: Y(k), wobei der Index k über alle Punkte AUF DER FLANKE für den ADU i läuft, wobei 0 ≤ k < K ist. K ist die Anzahl der Punkte, die der ADU auf der Flanke hat.

Der Algorithmus zum Ermitteln von Y(k) enthält nachfolgend, aus der erfassten Prüfsignalform nur jene Werte beizubehalten, die {Grundlinie + a·(Spitze – Grundlinie)} < Y(k) < {Spitze – a·Spitze – Grundlinie)}erfüllen, und die entweder auf der ansteigenden oder fallenden Flanke sind (dies wird ermittelt, indem geprüft wird, ob vorhergehende Werte entweder der Grundlinie oder der Spitze nahe sind). Die Grundlinie und die Spitze werden für jeden ADU individuell bestimmt; a ist typisch zwischen 0,1 und 0,2 (bei der Implementierung wird ein fester Wert gewählt).

B) Für jeden zweckmäßigen Datenpunkt können die folgenden Werte bestimmt werden: j die Anzahl der Abtastungen (j = 0 ... Anzahl der aufgezeichneten Punkte); n die Anzahl der Wiederholungen des Prüfsignals.

Diese Werte sind mit dem gleichen Index versehen, der die Datenwerte markiert: k. Dieser Index wird jedoch in den folgenden Gleichungen nicht explizit geschrieben.

C) Die Datenpunkte müssen nun an mehrere lineare Gleichungen angepasst werden, die mehrere (ansteigende oder fallende) Flanken repräsentieren, die bei der Prüfsignalform zu beobachten sind: V = A·(t – tnull)wobei A = Steigung der Signalform (ADU-Codes pro ns) t = Abtastzeit (in ns) = s·j, wobei j = Abtastzahl, s = Abtastintervall (in n) t_null = Übergangszeit (in ns) der angepassten Steigung durch den Ursprung des ADU (d. h. Code 0000). Diese Zeit ist für jede Flanke der Prüfsignalform verschieden. = (p + e)·n + dwobei p = nominale Prüfsignalperiode (in ns) e = Abweichung der tatsächlichen Prüfsignalperiode von der nominalen (Referenz-)Prüfsignalperiode (in ns) n = Anzahl der Wiederholungen des Prüfsignals d = ADU-Zeitverschiebung (in ns)

Es wird angemerkt, dass
j, n für jeden zweckmäßigen Datenpunkt bestimmt wird,
s, p Konstanten sind (ein Fehler in s ist nicht sehr bedeutsam, da s nur für die Zeitskala sorgt),
e, d durch die Anpassung bestimmt werden: V = A·(s·j – p·n – e·n – d) V = A·r – E·n – D mit r = s·j – p·n E = A·e D = A·d
Die zweckmäßigen Datenwerte Y(k) müssen nun an die oben angegebenen Ausdrücke angepasst werden, um die drei Unbekannten A, E und D zu bestimmen. Weiter unten werden die folgenden Abkürzungen gebraucht: SR = SUMME(k){r·r} SN = SUMME(k){n·n} NR = SUMME(k){n·r} YR = SUMME(k){Y(k)·r} YN = SUMME(k){Y(k)·n} R = SUMME(k){r} N = SUMME(k){n} K = SUMME(K){l} Y = SUMME(k){Y(k)}
Es ist zu beachten, dass K die Anzahl der (zweckmäßigen) Datenpunkte ist. A·NR – E·SN + N·(Y – A·R + E·N)/K = YNwas für die zwei Unbekannten A und E umgeformt werden kann: A·SR' – E·NR' = YR' A·NR' – E·SN' = YN'wobei die folgenden neuen Variablen verwendet werden: SR' = SR – R·R/K NR' = NR – N·R/K SN' = SN – N·N/K YR' = YR – Y·R/K YN' = YN – Y·N/K
Die Lösungen sind dann: A = (YR'·SN' – YN'·NR')/(SR'·SN' – NR'·NR') E = (YR'·NR' – YN'·SR')/(SR'·SN' – NR'·NR') D = –(Y – A·R + E·N)/K
Folgende Parameter sind von Interesse:
e = E/A = Abweichung von der nominalen Impulsperiode, sollte nahe null sein.
Die vier Werte e(i) sollten bis auf einen sehr kleinen Wert gleich sein.
d = D/A = ADU-Zeitverschiebung in ns
Zur Veranschaulichung wurde vorangehend ein einziger Kanal mit zwei Digitalisierern beschrieben und veranschaulicht. Es versteht sich von selbst, dass mehr als zwei Digitalisierer pro Kanal vorgesehen sein können und mehr als ein Kanal in dem digitalen Oszilloskop enthalten sein kann.
Ferner kann, obwohl für die oben gegebene Veranschaulichung der Berechnung der Verzögerung die ansteigende Flanke der Prüfsignalform ausgewählt wurde, genauso gut die fallende Flanke verwendet werden. Das heißt der oben angege bene Algorithmus kann entweder eine positive oder eine negative Steigung der Prüfsignalform verwenden.
Die oben beschriebene Verzögerungseinstellung (Kalibrierungsoperation) kann in Echtzeit ausgeführt werden, um sowohl die digitalisierten Ausgaben in jeden Kanal als auch zwischen Kanälen zu verschachteln. Das Kalibrierungsverfahren kann ausgeführt werden, wenn es eine Temperaturänderung oder einen Wechsel zwischen verschiedenen Betriebzuständen des Oszilloskops gibt: Einschalten, Anwenderbetriebsartwechsel, periodisch usw.
Es ist klar, dass das Oszilloskop mit der Verzögerungseinstellung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Auflösung hat, die besser als 2 Pikosekunden ist.
Des Weiteren ist klar, dass im Gegensatz zu den Kalibrierungsverfahren des Standes der Technik mit einer langen Kalibrierungszeit, etwa länger als eine Minute, die Zeit für die oben beschriebene Kalibrierungsoperation sehr gering ist, typisch in der Größenordnung von 1 bis 2 Sekunden.
Obwohl besondere, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben worden sind, versteht sich, dass die Erfindung nicht genau auf diese Ausführungsformen beschränkt ist und dass von einem Fachmann auf dem Gebiet verschiedene Veränderungen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzukommen.

Claims

Vorrichtung zum Ausführen einer Kalibrierung, mit: einem Signalgenerator (100) zum Erzeugen eines Referenzsignals, das eine im Voraus gewählte Periode besitzt; einem Digitalisierer (102, 104), der das Referenzsignal digitalisiert, um mehrere digitalisierte Werte zu erzeugen, die entsprechende Amplituden besitzen; und einem programmierbaren Controller (110), der in jeder entsprechenden Periode eine zeitliche Position eines digitalisierten Wertes in Bezug auf eine entsprechende Periode des Referenzsignals erhält und auf der Grundlage der erhaltenen zeitlichen Positionen eine Periode, eine Steigung und eine Verzögerung, die dem ungefähren Medianwert der Amplituden entsprechen, erhält, so dass die Abtastzeiten des Digitalisierers auf der Grundlage der bestimmten Periode, der bestimmten Steigung und der bestimmten Verzögerung eingestellt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der programmierbare Controller (110), bevor er die zeitlichen Positionen erhält, die digitalisierten Werte innerhalb eines vorgegebenen Amplitudenbereichs auswählt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einem weiteren Digitalisierer (101, 104), der ein Eingangssignal digitalisiert, um digitalisierte Werte zu erzeugen, die mit den durch den erstgenannten Digitalisierer erzeugten digitalisierten Werten verschachtelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer Speichereinheit (112) zum Speichern der digitalisierten Werte.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer Zeitbasisschaltung (108), die für den Digitalisierer (102, 104) ein Taktsignal bereitstellt, um eine Digitalisierungsoperation zu beginnen, wobei die Zeitbasisschaltung durch ein von dem programmierbaren Controller (110) geliefertes Steuersignal gesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Taktung des Taktsignals in Reaktion auf das gelieferte Steuersignal auf der Grundlage der bestimmten Periode, der bestimmten Steigung und der bestimmten Verzögerung eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Digitalisierer (102, 104) eine Abtast/Halte-Schaltung (S/H-Schaltung) und einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Referenzsignal ein Rechteckwellensignal ist.
Digitales Oszilloskop mit Selbstkalibrierungsfunktion, mit: einem Eingangsanschluss, der ein Eingangssignal empfängt; einem Signalgenerator (100), der ein Referenzsignal mit einer im Voraus gewählten Periode erzeugt; einer Vorschaltung (102), die entweder das Eingangssignal oder das Referenzsignal auswählt; einem Digitalisierer (102, 104), der wahlweise das Eingangssignal oder das Referenzsignal digitalisiert, um mehrere digitalisierte Werte mit entsprechenden Amplituden zu erzeugen; und einem programmierbaren Controller (110), der in jeder entsprechenden Periode eine zeitliche Position eines digitalisierten Wertes des Referenzsignals in Bezug auf eine entsprechende Periode des Referenzsignals erhält, wobei der programmierbare Controller (110) auf der Grundlage der erhaltenen zeitlichen Positionen eine Periode, eine Steigung und eine Verzögerung, die einem ungefähren Medianwert der Amplituden entsprechen, bestimmt, so dass die Abtastzeiten des Digitalisierers auf der Grundlage der bestimmten Periode, der bestimmten Steigung und der bestimmten Verzögerung eingestellt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, ferner mit einem weiteren Digitalisierer (102, 104), der das Eingangssignal digitalisiert, um digitalisierte Werte zu erzeugen, die mit den digitalisierten Werten des von dem erstgenannten Digitalisierer erzeugten Eingangssignals verschachtelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, ferner mit einer Zeitbasisschaltung (108), die für die Digitalisierer (102, 104) ein Taktsignal bereitstellt, um eine Digitalisierungsoperation zu beginnen, wobei die Zeitbasisschaltung (108) durch ein von dem programmierbaren Controller (110) geliefertes Steuersignal gesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Taktung des Taktsignals in Reaktion auf das gelieferte Steuersignal auf der Grundlage der bestimmten Periode, der bestimmten Steigung und der bestimmten Verzögerung eingestellt wird.
Verfahren zum Ausführen einer Kalibrierung in einem digitalen Oszilloskop, mit den folgenden Schritten: Empfangen eines Eingangssignals; Erzeugen eines Referenzsignals mit einer im Voraus gewählten Periode; Auswählen entweder des Eingangssignals oder des Referenzsignals; wahlweises Digitalisieren des Eingangssignals oder des Referenzsignals, um mehrere digitalisierte Werte zu erzeugen, die entsprechende Amplituden besitzen; in jeder entsprechenden Periode Erhalten einer zeitlichen Position eines digitalisierten Wertes in Bezug auf eine entsprechende Periode des Referenzsignals; und auf der Grundlage der erhaltenen zeitlichen Positionen Bestimmen einer Periode, einer Steigung und einer Verzögerung, die einem ungefähren Medianwert der Amplituden entsprechen, so dass die Abtastzeiten in dem Oszilloskop auf der Grundlage der bestimmten Periode, der bestimmten Steigung und der bestimmten Verzögerung eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner mit dem Schritt des Auswählens der digitalisierten Werte in einem vorgegebenen Amplitudenbereich vor dem Erhalten der zeitlichen Positionen.