數(shù)字示波器垂直靈敏度自校正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種數(shù)字示波器垂直靈敏度自校正方法，將偏置電壓作為內部校正源，分別對偏置電壓進行下調和上調，求得兩次偏置電壓時的采集數(shù)據(jù)的平均值的相對距離，然后計算相對距離的標準值，比較相對距離和相對距離標準值，計算得到增益調節(jié)值，對增益調節(jié)器件進行調節(jié)，重新設置偏置電壓并采集數(shù)據(jù)，計算相對距離，直到相對距離在標準值誤差范圍以內則當前通道下該垂直靈敏度的校正結束。本發(fā)明通過兩次設置偏置電壓時的采集數(shù)據(jù)的平均值，計算其相對距離，從而計算增益的調節(jié)量來進行增益的調節(jié)，實現(xiàn)數(shù)字示波器垂直靈敏度自校正，從而節(jié)約人力資源，不存在人為因素，提高校正精度，提高校正效率。
【專利說明】
數(shù)字示波器垂直靈敏度自校正方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于數(shù)字示波器校正技術領域，更為具體地講，涉及一種數(shù)字示波器垂直 靈敏度自校正方法。
【背景技術】
[0002] 對于數(shù)字示波器，傳統(tǒng)的垂直靈敏度校正方法是手動校正，在通道耦合方式為交 流耦合條件下，輸入一個1kHz的方波信號，在每個垂直靈敏度下根據(jù)當前的垂直靈敏度 (HD)設置輸入方波信號的幅度值Vpp = HD*6,即使輸入信號的幅度在當前垂直靈敏度下 占波形顯示區(qū)垂直方向6格(div)。通過肉眼判斷輸入信號幅度是否在波形顯示區(qū)垂直方向 占6div，否則調整增益使輸入信號的幅度達到要求。每個通道下的每個垂直靈敏度都需要 按照上述的方法依次重復校正。傳統(tǒng)校正方法的劣勢包括以下五個方面：
[0003] ①使用環(huán)境的濕度、溫度改變時，影響元器件的精度，導致增益誤差不達標，此時 得重新手動校正；
[0004] ②手動校正時需要輸入不同幅度值的方波信號，當用戶設備不齊全，無信號源時， 導致校正無法實施；
[0005] ③手動校正的依據(jù)是觀測輸入信號的幅度是否有6div，那么要求輸入信號幅值的 精度盡可能高，即要求信號源精度高，以減小信號源精度對垂直靈敏度校正精度的影響；
[0006] ④手動校正是人為觀測判斷，誤差大，精度低，且耗時長，復雜程度高；
[0007] ⑤即使采用自動輸出不同幅值的方波信號并自動采集判斷信號是否達到目標值 的半自動校正方法，其精度略高于手動校正，但是自動改變輸出波形，需要額外的設備來支 撐，進一步要求了用戶的設備齊全性，局限了此功能的使用條件。
[0008] 可以看出，傳統(tǒng)校正方法要求額外設備支撐，易受人為因素影響，精度低，而且過 程復雜，費時又費力，效率低。

【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種數(shù)字示波器垂直靈敏度自校正 方法，以偏置電壓為內部校正源，通過兩次偏置電壓的相對量來計算增益調節(jié)量來進行垂 直靈敏度調節(jié)，以實現(xiàn)數(shù)字示波器垂直靈敏度自校正。
[0010]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明數(shù)字示波器垂直靈敏度自校正方法包括以下步驟： [0011] S1:初始化示波器，設置數(shù)字示波器需要校正的通道，設置通道的耦合方式為直流 耦合、觸發(fā)耦合方式為直流耦合、采集方式為平均采樣，垂直靈敏度為垂直靈敏度范圍中的 最大值；
[0012] S2:設置偏置電壓VoffsetF-KAYID，其中YID表示當前的垂直靈敏度，心表示預設 的正常數(shù)，心的取值范圍為0<心<0/2,0表示波形顯示區(qū)垂直方向的div數(shù);計算得到當前 采集數(shù)據(jù)量化值的平均值Vadl;
[0013] S3:再次設置偏置電壓表示預設的正常數(shù)，K2的取值范圍為0< K2<D/2;計算得到當前采集數(shù)據(jù)量化值的平均值Vad2;
[0014] S4:計算兩次設置偏置電壓時采集數(shù)據(jù)的平均值的相對距離AV = Vad2-Vadl;
[0015] S5:計算相對距離標準值 A Vst= (Ki+K2)*YdotsPerDiv，其中YdotsPerDiv表示波 形顯示區(qū)垂直方向中每個div所代表的量化值個數(shù)；
[0016] S6:如果AVe[ AVst-S，AVst+S]，當前垂直靈敏度的校正結束，進入步驟S8,否則 進入步驟S7;
[0017] S7:計算增益調節(jié)值Amplifier:
[0018] Amplif ier = 201g( A Vst/ A V)
[0019] 根據(jù)增益調節(jié)值Amplifier計算增益調節(jié)器件的調節(jié)量，如果存在調節(jié)量，則對增 益調節(jié)器件進行調節(jié)，返回步驟S2,如果增益調節(jié)器件不存在調節(jié)量，進入步驟S8;
[0020] S8:如果所有垂直靈敏度都校正結束，該通道校正結束，否則切換至下一垂直靈敏 度，返回步驟S2。
[0021] 本發(fā)明數(shù)字示波器垂直靈敏度自校正方法，將偏置電壓作為內部校正源，分別對 偏置電壓進行下調和上調，求得兩次偏置電壓時的采集數(shù)據(jù)的平均值的相對距離，然后計 算相對距離的標準值，比較相對距離和相對距離標準值，計算得到增益調節(jié)值，對增益調節(jié) 器件進行調節(jié)，重新設置偏置電壓并采集數(shù)據(jù)，計算相對距離，直到相對距離在標準值誤差 范圍以內則當前通道下該垂直靈敏度的校正結束。本發(fā)明通過兩次設置偏置電壓時的采集 數(shù)據(jù)的平均值，計算其相對距離，從而計算增益的調節(jié)量來進行增益的調節(jié)，實現(xiàn)數(shù)字示波 器垂直靈敏度自校正，從而節(jié)約人力資源，不存在人為因素，提高校正精度，提高校正效率。
【附圖說明】
[0022] 圖1是數(shù)字示波器中模擬通道垂直調理模塊結構示例圖；
[0023]圖2是本發(fā)明數(shù)字示波器垂直靈敏度自校正方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行描述，以便本領域的技術人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許 會淡化本發(fā)明的主要內容時，這些描述在這里將被忽略。
[0025]為了更好地說明本發(fā)明的技術方案，首先對數(shù)字示波器垂直靈敏度自校正以舉例 形式進行簡單介紹。
[0026]數(shù)字示波器的垂直靈敏度就是指垂直方向上單位顯示長度（一格)所代表的電壓 值(V/div)，垂直靈敏度自校正實質是對通道中增益進行校正，使被測信號讀出的幅度值的 精度達到技術指標要求。數(shù)字示波器在不同垂直靈敏度下的增益有所不同，而所需的增益 是由多個模塊共同完成的。表1是數(shù)字示波器各個檔位所需增益的示例。

[0028]表 1
[0029]模擬通道垂直調理模塊是數(shù)字示波器的主要模塊之一，其具體結構根據(jù)數(shù)字示波 器的設計不同而有所不同。圖1是數(shù)字示波器中模擬通道垂直調理模塊結構示例圖。如圖1 所示，數(shù)字示波器中模擬通道垂直調理模塊包括粗衰減/直通網(wǎng)絡1、阻抗變換網(wǎng)絡2、數(shù)字 步進衰減器(DSA，Digital Step Attenuator)3、固定增益運放4、ADC(Analog-to-Digital Converter，模數(shù)轉換器)驅動器5、ADC6。粗衰減/直通網(wǎng)絡1根據(jù)硬件設計的不同，在直通檔 位下不進行任何處理，在衰減檔位則根據(jù)不同的阻抗條件衰減固定的倍數(shù)。數(shù)字步進衰減 器3是可控增益衰減器，可以實現(xiàn)信號幅度的連續(xù)調節(jié)，保證信號幅度的精確性。固定增益 運放4實現(xiàn)增益固定放大功能。通過數(shù)字步進衰減器3和固定增益運放4的級聯(lián)，構成增益調 節(jié)網(wǎng)絡來實現(xiàn)可變增益放大。為了保證所有垂直靈敏度下的增益都滿足ADC對輸入信號電 平的要求，數(shù)字步進衰減器3的最大衰減量、固定增益運放4的增益以及ADC6內部提供的增 益必須合理匹配。因此本實施例中增益調節(jié)器件為數(shù)字步進衰減器和ADC，增益調節(jié)量即為 數(shù)字步進衰減器的衰減量和ADC的內部增益。在實際應用中，可以根據(jù)數(shù)字示波器的具體結 構來選擇增益調節(jié)器件，可以選擇一個單獨調節(jié)，也可以選擇多個進行組合調節(jié)。
[0030] 在每個垂直靈敏度下，模擬通道垂直調理模塊是直通、衰減還是放大增益，在硬件 設計完成時已經(jīng)固定，且增益值也固定完成，在切換垂直靈敏度時這些工作就同時完成了。 垂直靈敏度校正只是需要微調增益使幅度測量誤差達到技術指標即可。本發(fā)明在垂直靈敏 度自校正時沒有采用外部輸入信號，利用偏置電壓作為內部校正源，通過算法實現(xiàn)增益自 校正，使幅度測量誤差達到技術指標，且垂直靈敏度自校正不依賴于外部設備。
[0031] 圖2是本發(fā)明數(shù)字示波器垂直靈敏度自校正方法的流程圖。如圖2所示，本發(fā)明數(shù) 字示波器垂直靈敏度自校正方法包括以下步驟：
[0032] S201:初始化數(shù)字示波器：
[0033]設置數(shù)字示波器需要校正的通道，設置通道的耦合方式為直流耦合、觸發(fā)耦合方 式為直流耦合、采集方式為平均采樣，垂直靈敏度為垂直靈敏度范圍中的最大值。本實施例 中平均次數(shù)為16次，時基檔位為示波器的最快實時采樣檔。
[0034] S202:下調偏置電壓后采集：
[0035] 調節(jié)偏置電壓Voffsetii-KAHD，其中HD表示當前的垂直靈敏度，h表示預設的正 常數(shù)，也就是使信號波形位于顯示區(qū)零點電平的下方的正的常數(shù)值，代表了示波器顯示區(qū) 域垂直方向上的div數(shù)。然后計算得到當前采集數(shù)據(jù)的平均值V adl。
[0036]當偏置電壓超出數(shù)字示波器的波形顯示區(qū)域的垂直方向時，就超過了ADC的量化 范圍，則為了校正的精度，偏置電壓不得超出波形顯示區(qū)域的垂直方向的范圍。以數(shù)字示波 器的波形顯示區(qū)垂直方向劃分成8div為例，則h最大不能超過4,為了保證校正的精度，心的 最大值一般不能取到4。因此本發(fā)明設置心的取值范圍為表示波形顯示區(qū)垂直 方向的div數(shù)。一般來說，h的值稍微大一點會有利于校正精度，而且當仏取整數(shù)時會有助于 步驟S204中標準值的精確計算，即最好取與D/2最接近且小于D/2的整數(shù)，因此本實施例中 設置Ki = 3。
[0037] S203:上調偏置電壓后采集：
[0038]調節(jié)偏置電壓VrffsetszK^YID，也就是使信號波形位于顯示區(qū)零點電平的上方。然 后計算得到當前采集數(shù)據(jù)的平均值Vad2。同樣地，K2的取值范圍為0<K2<D/2,同樣也代表了 波形顯示區(qū)域垂直方向上的div數(shù)，心和心的值可以相同，也可以不同，K 2也最好取與D/2最 接近且小于D/2的整數(shù)，本實施例中同樣設置K2 = 3。
[0039] S204:計算兩次偏置電壓時的采集數(shù)據(jù)值的相對距離：
[0040]計算兩次設置偏置電壓時的采集數(shù)據(jù)平均值的相對距離AV = Vad2-Vadl，該相對距 離表示兩次采集數(shù)據(jù)平均值之間的量化值個數(shù)。
[0041 ]根據(jù)A V定義可知，A V是兩次設置偏置電壓時采集數(shù)據(jù)間的相對量，理論上有(A +K2)div個量化值，因此本方案采用的是相對誤差校正方法，擺脫了基線對偏置電壓的影 響，從而可以保證垂直靈敏度的精度。
[0042] S205:計算相對距離標準值：
[0043]由于步驟S204中計算的相對距離A V是采集量化值的差值，也就是說其結果是區(qū) 間內量化值的個數(shù)，因此相對距離標準值A Vst&需要以量化值的個數(shù)為單位，表示波形顯 示區(qū)垂直方向的（Ki+K2)div理論上所代表的量化值的個數(shù)，可知A Vst= (K1+K2)* YdotsPerDiv，其中YdotsPerDiv表示波形顯示區(qū)垂直方向上每個div所代表的量化值個數(shù)。 例如，8bit ADC，其量化值有256個，映射到波形顯示區(qū)垂直方向的量化值是200個，均分成 與波形顯示區(qū)垂直方向對應的8d i v，則每d i v對應2 5個量化值。那么當h = 3、K2 = 3時，相對 距離標準值A Vst= 150。
[0044] S206:判斷是否A Ve [ A Vst-S，A Vst+S]，S表示預設的容差點數(shù)，即允許的誤差范 圍，其值可以根據(jù)技術指標要求的設計精度進行設置。如果A Ve [ A Vst_S，A Vst+S]，說明 數(shù)字示波器的當前垂直靈敏度精度達到了要求，該垂直靈敏度校正結束，進入步驟S208，否 則進入步驟S207。
[0045] S207:增益調節(jié)：
[0046] 本發(fā)明中假設粗調和細調的調節(jié)步進都是以分貝（dB)為單位進行的，因此在計算 增益調節(jié)值Amplifier時，也以dB為單位，增益調節(jié)值Amplifier的計算公式為：
[0047] Amplif ier = 201g( A Vst/ A V)
[0048] 根據(jù)增益調節(jié)值Amplifier計算增益調節(jié)器件的調節(jié)量，如果存在調節(jié)量，則對增 益調節(jié)器件進行調節(jié)，返回步驟S202,如果增益調節(jié)器件不存在調節(jié)量，進入步驟S208。一 般來說增益調節(jié)器件都存在調節(jié)步長，因此要根據(jù)調節(jié)值和調節(jié)步長來計算調節(jié)量，當增 益調節(jié)值小于調節(jié)步長時，則無法實現(xiàn)調節(jié)，即不存在調節(jié)量。顯然，A V> A Vst時， AmplifierCO,需要增大衰減量或者減小放大倍數(shù)；當A V< A Vst時，Amplifier>0,需要減 小衰減量或提高放大倍數(shù)。
[0049] 本實施例中增益調節(jié)器件選用數(shù)字步進衰減器和ADC，將增益的調節(jié)分為粗調和 細調，增益的粗調是調節(jié)模擬通道垂直調理模塊中的數(shù)字步進衰減器，增益的細調是調整 ADC6內部提供的增益。對數(shù)字步進衰減器和/或ADC內部增益的調節(jié)，可以同時調節(jié)，也可以 一次只調節(jié)一個器件，其具體算法可以根據(jù)需要來設置，本實施例中采用直接計算出調節(jié) 量的方法來實現(xiàn)，通過粗調和細調兩者結合使垂直靈敏度精度更高。其具體方法為：
[0050] 計算《=|如?/;/(77("'/.你/)_('0<：//:?'」，其中8七6。_(30&186表不粗調步進，即數(shù)字步進 衰減器的調節(jié)步進，以dB為單位，L」表示向下取整。如果a關0,說明此時可以采用粗調，那 么設置數(shù)字步進衰減器的衰減量coarse = coarse_a X step_coarse，coarse>0。當a>0，即 Amplif ier>0時，衰減量coarse變小，即減小衰減器的衰減量，粗調量為| aX step_coarse ;反之當a<0時，增大衰減器的衰減量，粗調量為| aX step_coarse |。再返回步驟S202判 斷。
[0051] 如果a = 〇，則說明不能進行粗調，可能需要進行細調，那么計算 /? = |_乂/??/;/汾r/.s?吵_./丨w」，step_f ine表示細調步進，即ADC的增益調節(jié)步進，以dB為單 位。如果b矣0，說明此時可以采用細調，那么設置ADC的內部增益f ine = f ine+b X step_ fine，其中fineE [finemin，finemax]，finemin<0，finemax>0。這是因為ADC內部增益可以為 正也可以為負，當增益為負時，相當于進行了衰減。顯然當為衰減（即fine<0)時，其調節(jié)與 數(shù)字步進衰減器的衰減量調節(jié)類似，即當b>0,內部增益fine的值增大，相當于減小了衰減 量，細調量為|bXstep_fine |，反之當b<0時，內部增益fine的值減小，相當于增大了衰減 量，細調量為|bXstep_fine |。當ADC為放大（即fine>0)時，當b>0,增大了內部增益fine， 放大倍數(shù)增大，細調量為|bXstep_fine|，反之當b<0時，減小了內部增益fine，放大倍數(shù) 減小，細調量為I bX step_fine |。再返回步驟S202判斷。如果b = 0,那么此時數(shù)字步進衰減 器和ADC均不存在調節(jié)量，則進入步驟S208。根據(jù)ADC內部增益的調節(jié)可知，在調節(jié)過程中， 有可能會實現(xiàn)ADC工作方式的切換，即fine的正負切換，也就是從放大轉換為衰減，或是從 衰減轉換為放大。
[0052] 根據(jù)以上調節(jié)算法可以看出，該調節(jié)算法先采用粗調，粗調完成或不能粗調時再 進行細調。這是因為粗調的調節(jié)步進一般大于細調的調節(jié)步進，只有粗調達不到精度要求 時才進行細調，細調的小步進調節(jié)使垂直靈敏度精度更高，采用這種方式可以使校正更有 效率。在調節(jié)過程中，如果遇到極端情況，數(shù)字步進衰減器的衰減量和ADC內部增益已經(jīng)調 整到了極限值仍然不能達到校正要求，這時候只能結束校正。但是一般來說，在數(shù)字示波器 設計時，其增益偏差不會太大，也會預留足夠的校正余量，除非是數(shù)字示波器內部電路存在 故障，才有可能出現(xiàn)這種極端情況，而本發(fā)明針對的是正常的數(shù)字示波器的垂直靈敏度自 校正，因此未將該極端情況考慮在內。
[0053] 下面以一個具體例子為例，來說明本實施例中所提出的調節(jié)算法具體執(zhí)行過程。 假設當前數(shù)字步進衰減器的衰減量coarse = 20dB，ADC內部增益fine = -0.02dB，step_ coarse = 0 ? 25dB，step_fine = 0 ? 017dB。當 A Vst/ A V = 1 ? 04，可以計算得到Amplifier ? 0.34dB，那么a = 1，此時數(shù)字步進衰減器的衰減量coarse = 20-1 X 0.25 = 19.75dB，返回再 次設置偏置電壓，獲取兩次偏置電壓調整的相對距離，重新計算Amplifier，假設此時A Vst/ 厶7 = 0.993，可以計算得到厶11^11;1^61'?-0.06(113，那么3 = 0，因此計算匕=-3，此時厶0(]的內 部增益行1^ = -0.02+3\0.017 = -0.031(^。返回再次設置偏置電壓，此時計算得到的八￥在 AVe[ AVst-S，AVst+S]內，那么垂直靈敏度校正結束。
[0054] S208:判斷是否所有垂直靈敏度都校正結束，如果是，該通道校正結束，否則進入 步驟S209。
[0055] S209:切換至下一垂直靈敏度，返回步驟S202。
[0056]本發(fā)明通過公式計算來得到需要調整的增益值，對數(shù)字步進衰減器的衰減量和/ 或ADC的內部增益進行調節(jié)。上述流程是一個通道下所有垂直靈敏度下的校正流程，當數(shù)字 示波器不止一個通道時，需要對每個通道分別進行校正，即分別進行步驟S201至步驟S209 的校正過程。
[0057]本發(fā)明將垂直靈敏度自校正建立在偏置電壓基礎之上，將偏置電壓作為一個內部 校正源，是整個自校正過程的基礎。采用兩次偏置的相對量判斷增益是否達到精度要求，再 直接計算出需要調整的變化量，減少反復的調節(jié)次數(shù)，提高垂直靈敏度自校正效率。表1是 本發(fā)明與垂直靈敏度手動校正的對比。
[0059] 表 2
[0060] 從表2可知，根據(jù)本發(fā)明可以編寫軟件程序來控制調節(jié)，避免了人為調整的繁瑣以 及精度低等問題，節(jié)省大量的人力和時間，提高了精度，簡化校正過程。不需要額外的設備 支持，極大地拓展了該功能的使用環(huán)境。
[0061] 盡管上面對本發(fā)明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本技術領域的技術 人員理解本發(fā)明，但應該清楚，本發(fā)明不限于【具體實施方式】的范圍，對本技術領域的普通技 術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內，這些 變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
【主權項】
1. 一種數(shù)字示波器垂直靈敏度自校正方法，其特征在于，包括以下步驟： Si:初始化示波器，設置數(shù)字示波器需要校正的通道，設置通道的耦合方式為直流耦 合、觸發(fā)耦合方式為直流耦合、采集方式為平均采樣，垂直靈敏度為垂直靈敏度范圍中的最 大值； S2:設置偏置電壓Vciffsetl = -KAYID,其中YID表示當前的垂直靈敏度，K1表示預設的正 常數(shù)，K1的取值范圍為(XK1SD/^, D表示波形顯示區(qū)垂直方向的格(div)數(shù);計算得到當前 采集數(shù)據(jù)量化值的平均值Vadl; S3:再次設置偏置電壓Vciffset2 = K^YID, K2的取值范圍為0<K2<D/2;計算得到當前采集 數(shù)據(jù)量化值的平均值Vad2; S4:計算兩次設置偏置電壓時采集數(shù)據(jù)的平均值的相對距離AV = Vad2-Vadl; S5:計算相對距離標準值Δ Vst= (Ki+K2)*YdotsPerDiv，其中YdotsPerDiv表示波形顯示 區(qū)垂直方向中每個d i V所代表的量化值個數(shù)； S6:如果Δ Ve [ Δ Vst-δ，Δ Vst+δ]，該垂直靈敏度校正結束，進入步驟S8，否則進入步驟 S7; S7:計算增益調節(jié)值Amplifier: Amplif ier = 201g( Δ Vst/ Δ V) 根據(jù)增益調節(jié)值Amplifier計算增益調節(jié)器件的調節(jié)量，如果存在調節(jié)量，則對增益調 節(jié)器件進行調節(jié)，返回步驟S2,如果增益調節(jié)器件不存在調節(jié)量，進入步驟S8; S8:如果所有垂直靈敏度都校正結束，該通道校正結束，否則切換至下一垂直靈敏度， 返回步驟S2。2. 根據(jù)權利要求1所述的垂直靈敏度自校正方法，其特征在于，所述參數(shù)KjPK2等于與 D/2最接近且小于D/2的整數(shù)。3. 根據(jù)權利要求1所述的垂直靈敏自校正方法，其特征在于，所述步驟S7中對增益調節(jié) 器件包括數(shù)字步進衰減器和ADC，其調節(jié)方法為： 計算a = I ，其中step_coarse表示數(shù)字步進衰減器的調節(jié)步 進，U表示向下取整;如果0，設置數(shù)字步進衰減器的衰減量⑶81^ = coarse_a X step_ coarse;如果a = 0，計算? = .《釋/與，step_fine表示ADC的增益調節(jié)步長;如 果b 關0，設置ADC 的內部增益fine = fine+b X step_fine，其中fine e [finemin, finemax]， finemin<0，f inemax>0;如果b = 0，那么此時數(shù)字步進衰減器和ADC均不存在調節(jié)量。
【文檔編號】G01R35/00GK105891760SQ201610331684
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】曾浩, 趙佳, 邱渡裕, 楊擴軍, 張沁川, 趙勇
【申請人】電子科技大學