本發(fā)明屬于測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種基于步進(jìn)優(yōu)化的數(shù)字示波器零偏校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

示波器作為一種使用廣泛的通用儀器，使用非常廣泛。示波器要觀察信號(hào)，首先要進(jìn)過模擬通道的調(diào)理后，才能進(jìn)行有效觀察。模擬通道涉及增益調(diào)節(jié)、零偏調(diào)節(jié)、移動(dòng)線性調(diào)節(jié)等。數(shù)字示波器在出廠后，隨著使用時(shí)間的增加，可由用戶對(duì)部分參數(shù)通過自動(dòng)校準(zhǔn)的方式進(jìn)行校準(zhǔn)。示波器的自動(dòng)校準(zhǔn)功能主要包括零偏校準(zhǔn)、移動(dòng)線性校準(zhǔn)、觸發(fā)校準(zhǔn)等。

圖1是示波器的模擬通道示意圖。如圖1所示，信號(hào)在進(jìn)入增益放大器、衰減器之前，通過DAC(Digital to analog converter，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)在信號(hào)上加減一個(gè)小的偏置電壓，通過調(diào)整此偏置電壓來改變信號(hào)在后續(xù)用于信號(hào)采集的ADC(Analog-to-Digital Converter模數(shù)轉(zhuǎn)換器)上的輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)移位和零偏調(diào)節(jié)。DAC的調(diào)節(jié)是線性的。例如型號(hào)為MAX5136的16位DAC，每個(gè)步進(jìn)可實(shí)現(xiàn)37.23μV的電壓步進(jìn)。衰減器可采用PE4302，PE4302是6bit數(shù)控衰減器，可調(diào)節(jié)范圍為32dB，步進(jìn)為0.5dB，不同檔位范圍可附加固定倍率的放大、衰減。比如2mV固定放大10倍，5mV～100mV沒有固定衰減和固定放大，200mV～2V固定衰減為20倍，沒有固定放大，5V以上的檔采用1000倍衰減。

零偏校準(zhǔn)的基本原理為：通過調(diào)節(jié)偏置DAC的輸出，使其疊加到理論為0V電平的輸入上，進(jìn)過增益放大、衰減，再通過ADC采集，然后分析ADC量化的數(shù)據(jù)，使其讀數(shù)為0V。這個(gè)過程是一個(gè)反復(fù)調(diào)整和逼近的過程。圖2是零偏校準(zhǔn)的基本流程圖。如圖2所示，校準(zhǔn)的速度與等待硬件穩(wěn)定的時(shí)間和循環(huán)的次數(shù)有關(guān)。一次校準(zhǔn)的時(shí)間Cali_Time為：

Cali_Time＝Times×(Time_HardSteady+Time_Acq)

其中，Times表示循環(huán)次數(shù)，Time_HardSteady表示等待硬件穩(wěn)定時(shí)間，Time_Acq表示采集所需時(shí)間。

一個(gè)系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)確定后，其Time_HardSteady和Time_Acq是固定的，故可改變的參數(shù)只有循環(huán)次數(shù)Times。如何減少循環(huán)次數(shù)，減少數(shù)字示波器自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間，提高自動(dòng)校準(zhǔn)速度，是數(shù)字示波器自動(dòng)校準(zhǔn)的重要研究方向。

信號(hào)通過模擬通道經(jīng)過偏置調(diào)節(jié)、增益調(diào)節(jié)，輸出信號(hào)到ADC采集這個(gè)路徑，軟件讀取ADC的采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。一般實(shí)現(xiàn)是以ADC采集的數(shù)據(jù)為屏幕顯示的中間值(通常為128)時(shí)，認(rèn)為基線歸零。通過ADC的采集數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)(128)的差反過來調(diào)整偏置調(diào)節(jié)器(DAC)的輸出(校準(zhǔn)目標(biāo)數(shù)據(jù))。一般情況下，這個(gè)反饋調(diào)整是一個(gè)正反饋調(diào)整。根據(jù)采集數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的差來確定調(diào)整DAC的輸出就決定了上圖中循環(huán)次數(shù)。一般情況下，有單步調(diào)整、固定比例調(diào)整等方式，這些方式都有其不同的缺陷。

圖3是通道零偏校準(zhǔn)的原理圖。如圖3所示，附加在輸入信號(hào)上的偏置電壓，要通過增益控制部分，送到ADC進(jìn)行量化。一般不同幅度檔位的固定增益衰減和固定增益放大是確定的(通過繼電器切換實(shí)現(xiàn))。而可變?cè)鲆媸且粋€(gè)可調(diào)節(jié)的變量，其值隨檔位、固定增益衰減和固定增益放大而變化，有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)增益的細(xì)調(diào)，還要借助ADC的增益調(diào)整來實(shí)現(xiàn)完整的增益控制?？勺?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)器往往不是幅度線性的，而是dB線性的。所以通過增益的具體值來確定調(diào)整步進(jìn)是困難的，從而導(dǎo)致循環(huán)次數(shù)難以得到有效的控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于步進(jìn)優(yōu)化的數(shù)字示波器零偏校準(zhǔn)方法，對(duì)校準(zhǔn)步進(jìn)值的計(jì)算方式進(jìn)行優(yōu)化，從而減少循環(huán)次數(shù)，提高零偏校準(zhǔn)速度。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于步進(jìn)優(yōu)化的數(shù)字示波器零偏校準(zhǔn)方法包括以下步驟：

S1：設(shè)置需要零偏校準(zhǔn)的通道和幅度檔位，按照零偏校準(zhǔn)要求對(duì)數(shù)字示波器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置DAC模塊的基線零點(diǎn)電平輸入控制編碼K_DAC的初始值，設(shè)置校準(zhǔn)目標(biāo)值C＝λ×N，其中N表示ADC采樣的存儲(chǔ)深度，λ表示屏幕顯示區(qū)域中0電平對(duì)應(yīng)的ADC量化值；

S2：ADC采樣得到N個(gè)數(shù)據(jù)d_n，n＝1,2,…,N，計(jì)算N個(gè)數(shù)據(jù)d_n之和

S3：如果|Sum-C|＞e，e表示預(yù)設(shè)的采樣數(shù)據(jù)誤差閾值，進(jìn)入步驟S4，否則零偏校準(zhǔn)完成。

S4：計(jì)算得到校準(zhǔn)步進(jìn)值ΔDAC：

其中，γ表示DAC輸出值與目標(biāo)輸出值之間的輸出差與ADC采樣數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的差值之間的比例因子，λ表示ADC的單位量化電壓，Afix_A表示當(dāng)前幅度檔位的固定增益放大倍數(shù)，Afix_D表示當(dāng)前幅度檔位的固定增益衰減倍數(shù)，T_dac表示DAC最小步進(jìn)電壓值；

S5：如果ΔDAC＜1，則令ΔDAC＝1，進(jìn)入步驟S6，否則直接進(jìn)入步驟S6；

S6：如果Sum＞C，令K_DAC＝K_DAC-ΔDAC，否則令K_DAC＝K_DAC+ΔDAC；

S7：判斷校準(zhǔn)時(shí)間是否超過預(yù)設(shè)閾值，如果是，零偏校準(zhǔn)結(jié)束，否則返回步驟S2。

本發(fā)明基于步進(jìn)優(yōu)化的數(shù)字示波器零偏校準(zhǔn)方法，首先設(shè)置數(shù)字示波器的參數(shù)，包括設(shè)置DAC模塊的基線零點(diǎn)電平輸入控制編碼和校正目標(biāo)值，將ADC采樣得到的數(shù)據(jù)求和，如果與校正目標(biāo)值的差值較大則計(jì)算得到校準(zhǔn)步進(jìn)值，校準(zhǔn)步進(jìn)值的最小值為1，然后在當(dāng)前基線零點(diǎn)電平輸入控制編碼增加或減去校準(zhǔn)步進(jìn)值，然后繼續(xù)進(jìn)行ADC采樣，直到ADC采樣數(shù)據(jù)與校正目標(biāo)值的差值滿足要求。

本發(fā)明通過分析零偏校準(zhǔn)的原理，對(duì)校準(zhǔn)步進(jìn)計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，從而減少循環(huán)次數(shù)，提高零偏校準(zhǔn)速度。

附圖說明

圖1是示波器的模擬通道示意圖；

圖2是零偏校準(zhǔn)的基本流程圖；

圖3是通道零偏校準(zhǔn)的原理圖；

圖4是本發(fā)明基于步進(jìn)優(yōu)化的數(shù)字示波器零偏校準(zhǔn)方法的具體實(shí)施方式流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

實(shí)施例

在本發(fā)明基于步進(jìn)優(yōu)化的數(shù)字示波器零偏校準(zhǔn)方法中，對(duì)數(shù)字示波器零偏校準(zhǔn)時(shí)的步進(jìn)調(diào)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化，從而減少循環(huán)次數(shù)，提高數(shù)字示波器零偏校準(zhǔn)速度。為了更好地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，首先對(duì)本發(fā)明所基于的原理進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

對(duì)于零偏校準(zhǔn)而言，雖然通道的可變?cè)鲆?包括ADC增益調(diào)節(jié))是未知的，但其本質(zhì)上，對(duì)不同檔位來講，增益是線性的。也就是說，一個(gè)輸入為200mV的信號(hào)，在200mV檔位觀察，其經(jīng)過ADC后，其數(shù)據(jù)是200mV；如果放在100mV檔來觀察，其數(shù)據(jù)依然應(yīng)該是200mV；放在50mV檔來觀察，其數(shù)據(jù)還是200mV；放在500mV檔來觀察，其數(shù)據(jù)依然是200mV?？梢姡谕ǖ涝鲆嬲_的情況下，同一個(gè)信號(hào)，進(jìn)過不同的檔位調(diào)整，其最后的觀察數(shù)據(jù)應(yīng)該是一樣的，與處于哪一個(gè)觀察檔位沒有關(guān)系(當(dāng)然前提是可以觀察到)。同樣，對(duì)于一個(gè)0電平的輸入信號(hào)，在其上加上一個(gè)偏置電壓后，不管放在哪個(gè)檔位進(jìn)行觀察，其最終的電平數(shù)據(jù)也應(yīng)該是一樣的。

根據(jù)以上對(duì)數(shù)字示波器增益控制的本質(zhì)分析，本發(fā)明中將ADC采樣數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的差值，不再以點(diǎn)表示(Δdot)，而是轉(zhuǎn)換為以絕對(duì)電壓表示(ΔV)。假設(shè)偏置調(diào)節(jié)DAC輸出值與目標(biāo)輸出值之間的輸出差為Δdac，則Δdac與ΔV之間存在一個(gè)固定的比例因子γ，即γ＝Δdac/ΔV。該比例因子γ實(shí)際上就是DAC控制編碼調(diào)節(jié)時(shí)，DAC輸出值變化與ADC采集數(shù)據(jù)變化的比值。比例因子γ與通道電路中的分壓比有關(guān)，而與可變?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)無關(guān)。通道電路中的分壓比在電路確定后，是一個(gè)固定數(shù)據(jù)，與幅度檔位無關(guān)，并且很容易計(jì)算。

記使用的DAC的最小步進(jìn)以電壓表示為T_dac。本實(shí)施例中DAC采用16位的MAX5136，其電壓調(diào)節(jié)范圍為0～2.44V，則T_dac＝2440000/65536＝37.23μV。則根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的差，折算成絕對(duì)電壓ΔV，記偏置調(diào)節(jié)DAC的調(diào)整步進(jìn)為ΔDAC，則有如下公式：

考慮固定增益放大(Afix_A)和固定增益衰減(Afix_D)，以上公式變換為：

記最終的校準(zhǔn)步進(jìn)值為ΔDAC_T，那么其計(jì)算公式為：

通過以上分析可以看出，ADC采集到的數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)跟DAC的數(shù)據(jù)為嚴(yán)格的線性關(guān)系，其斜率是確定的，因此本發(fā)明根據(jù)此斜率來校準(zhǔn)數(shù)據(jù)將快速逼近目標(biāo)數(shù)據(jù)，從而提高自動(dòng)校準(zhǔn)速度。

圖4是本發(fā)明基于步進(jìn)優(yōu)化的數(shù)字示波器零偏校準(zhǔn)方法的具體實(shí)施方式流程圖。如圖4所示，本發(fā)明基于步進(jìn)優(yōu)化的數(shù)字示波器零偏校準(zhǔn)方法包括以下步驟：

S401：數(shù)字示波器參數(shù)設(shè)置：

設(shè)置需要零偏校準(zhǔn)的通道和幅度檔位，按照零偏校準(zhǔn)要求對(duì)數(shù)字示波器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置DAC模塊的基線零點(diǎn)電平輸入控制編碼K_DAC的初始值。顯然，K_DAC的初始值需要越靠近實(shí)際值越好，一般就設(shè)置為理論值附近的值即可，理論值即為DAC的控制編碼范圍的中間值，以16位DAC為例，其控制編碼范圍為0～65535，那么K_DAC的理論值即為32768。

設(shè)置校準(zhǔn)目標(biāo)值C＝λ×N，其中N表示ADC采樣的存儲(chǔ)深度，λ表示屏幕顯示區(qū)域中0電平對(duì)應(yīng)的ADC量化值。以位數(shù)為8bit、存儲(chǔ)深度為1000的ADC為例，λ＝128，那么C＝128000。

S402：ADC采樣：

ADC采樣得到N個(gè)數(shù)據(jù)d_n，n＝1,2,…,N，計(jì)算N個(gè)數(shù)據(jù)d_n之和

S403：判斷是否|Sum-C|＞e，e表示預(yù)設(shè)的采樣數(shù)據(jù)誤差閾值，如果是，進(jìn)入步驟S404，否則說明當(dāng)前ADC采樣數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)目標(biāo)值的差距很小，零偏校準(zhǔn)完成。

S404：計(jì)算校準(zhǔn)步進(jìn)值：

根據(jù)以下公式計(jì)算得到校準(zhǔn)步進(jìn)值ΔDAC：

其中，γ表示DAC輸出值與目標(biāo)輸出值之間的輸出差與ADC采樣數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的差值之間的比例因子，λ表示ADC的單位量化電壓(也就是屏幕上每個(gè)像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的單位電壓值)，Afix_A表示當(dāng)前幅度檔位的固定增益放大倍數(shù)，Afix_D表示當(dāng)前幅度檔位的固定增益衰減倍數(shù)，T_dac表示DAC最小步進(jìn)電壓值。

S405：判斷是否ΔDAC＜1，如果是，進(jìn)入步驟S406，否則進(jìn)入步驟S407。

S406：令ΔDAC＝1，進(jìn)入步驟S407。

S407：判斷是否Sum＞C，如果是，進(jìn)入步驟S408，否則進(jìn)入步驟S409。

S408：令K_DAC＝K_DAC-ΔDAC，進(jìn)入步驟S410。

S409：令K_DAC＝K_DAC+ΔDAC，進(jìn)入步驟S410。

S410：判斷是否超時(shí)，即判斷校準(zhǔn)時(shí)間是否超過預(yù)設(shè)閾值，如果是，零偏校準(zhǔn)結(jié)束，否則返回步驟S402。在此處加入超時(shí)判斷是為了防止在校準(zhǔn)步進(jìn)值ΔDAC為1時(shí)，對(duì)基線零點(diǎn)電平輸入控制編碼K_DAC持續(xù)進(jìn)行+1和-1，仍然無法達(dá)到校準(zhǔn)目標(biāo)值，從而陷入死循環(huán)。

根據(jù)以上過程可知，本發(fā)明的校準(zhǔn)步進(jìn)值ΔDAC不是人為設(shè)定的值，而是通過采樣數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)目標(biāo)值之間的差值計(jì)算得到的。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，采用本發(fā)明，在第一次步進(jìn)調(diào)節(jié)時(shí)就可以基本調(diào)節(jié)到位，每個(gè)幅度檔位的有效步進(jìn)調(diào)節(jié)次數(shù)(即循環(huán)次數(shù))可以縮減到2～3次，并且不同幅度檔位的校準(zhǔn)時(shí)間差距不大。可見，采用本發(fā)明可以大大減少零偏校準(zhǔn)的時(shí)間，提高零偏校準(zhǔn)的速度。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。