一种基于硬件集中设置的数字示波器快速自动设置方法

摘要

本发明公开了一种基于硬件集中设置的数字示波器快速自动设置方法，以最小水平时基档作为幅度查找时的水平时基档，在进行幅度查找时，采用硬件集中设置方式对待查找通道的幅度档位进行设置，进行幅度查找，硬件集中设置的具体方法为：同时设置所有待查找通道幅度的相关硬件参数，在全部参数设置完成后，各硬件统一响应所设置的硬件参数，使其生效，然后判定当前幅度档位是否合适，合适则进行幅度档位设置，不合适的通道则采用硬件集中设置方式设置下一幅度档位，幅度查找完成后再进行频率查找和最佳幅度调整。本发明中采用硬件集中设置方式来减少调整硬件参数的次数，缩短数字示波器的自动设置时间，从而实现数字示波器的快速自动设置。

说明书

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于硬件集中设置的数字示波器快速自动设置方法。

背景技术

示波器作为一种使用广泛的通用仪器，经历了模拟示波器、数字存储示波器和三维示波器的不断发展。不管是模拟示波器还是数字示波器，其观察信号，首先要经过模拟通道的调理后，才能进行有效观察。最初，把输入信号调理到最佳观察范围，是通过手动设置通道的参数(幅度、耦合、位置)来实现的。随着数字示波器的发展，逐渐可通过自动设置的方法来代替手动设置，以便快速地观察信号，但由于被观察信号的复杂性，以及多通道示波器的逐渐推广，自动设置耗时比较长。

根据数字示波器的原理分析可知，造成示波器自动设置的慢的原因，有如下几点：

1.从策略上讲，面临先找幅度还是先测信号频率的两难选择：如果先找幅度，如果没有把水平时基放在合适的档位，就可能采集不到信号的一个完整周期，导致得到的幅度不准确；如果先找信号的频率，如果不把信号调理到合适的幅度，测信号的频率就不可能。

2.对信号进行调理是模拟通道来完成的，对模拟通道的参数设置，从设置生效到可有效测量信号，需要一定的稳定时间。如果反复地调整通道的参数来查找信号的有效观察幅度，将花费很多的时间。

3.由于被测信号的未知性，需要不断调整通道的幅度参数，直到找到合适的档位，特别是通道没有有效信号时，也需要进行多次查找，这样也要花费大量的时间。

4.对多通道示波器来讲，由于每个通道的信号的幅度可能不一样，就需要对每个通道进行幅度查找。随着通道数的增加，查找花费时间与通道数成乘积关系。

5.对多通道示波器来说，为了便于观察每个通道的信号，需要把各个通道放在在观察屏幕的不同位置，并适当调整其幅度，以便观察各个通道的信号而不相互影响。为此，又需要进行额外的幅度查找，以便放置在合适的观察档位，这要花费额外的时间。

6.在查找信号频率以确定水平时基时，由于不知道哪个通道存在有效信号，就不得不依次对每个通道进行测量，以得到有效的信号频率，这也是需要花费额外的时间的。

7.在查找每个通道的合适幅度时，其过程是设置每个通道到指定的幅度档，等待硬件稳定，然后通过ADC采集波形，软件再读取波形数据，最后分析读回来的波形数据。通过软件来读取波形数据以及对波形数据进行分析，会随着通道数的增加以及存储深度的增加而明显耗费时间。

综上所述，由于数字示波器的特点，如果自动设置没有优化的方法和技术，将导致花费时间较长，用户感受较差的后果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于硬件集中设置的数字示波器快速自动设置方法，通过减少调整硬件参数的次数，来缩短数字示波器的自动设置时间。

为实现上述发明目的，本发明基于硬件集中设置的数字示波器快速自动设置方法，包括以下步骤：

S1：根据用户当前对数字示波器的设置情况，记录自动设置参数以外的用户自定义参数；

S2：对数字示波器进行初始化，主要包括：基线归零、偏置电压归零、耦合设置为直流耦合，触发参数设置为边沿触发，触发电平设置为0、触发耦合设置为交流，将采样模式设置为峰值采样，将采样时基设置为最小水平时基档；

S3：根据实际需要设置对全部通道或者对打开通道进行查找，对于待查找通道，设置其待查找标志F_need＝1，否则令F_need＝0；

S4：对待查找标志F_need＝1的通道进行幅度查找，具体方法为：

S4.1：对于待查找标志F_need＝1的待查找通道，设置其幅度档位设置完成标志K＝0；

S4.2：采用硬件集中设置方式将所有待查找标志F_need＝1的待查找通道的幅度均设置为最小垂直幅度Y_{Scale_Min}，硬件集中设置的具体方法为：同时设置所有待查找通道幅度的相关硬件参数，在全部参数设置完成后，各硬件统一响应所设置的硬件参数，使其生效；

读取每个通道采集回来的波形数据，计算波形最大值y_max和最小值y_min、信号占用格数D_SignalUsed以及直流偏置电压V_bias；如果最大值y_max或最小值y_min超出数字示波器屏幕显示区域，进入步骤S4.3；如果最大值y_max和最小值y_min未超出数字示波器屏幕显示区域，则判断信号占用格数D_SignalUsed是否小于半格，如果是，则认为该通道没有输入信号，设置为默认幅度档位，令其幅度档位设置完成标志K＝1，更新其待查找标志F_need＝0，否则进一步判断是否信号占用格数表示数字示波器屏幕显示区域的总格数，如果是，则该通道的幅度档位即设置为最小垂直幅度Y_{Scale_Min}，令其幅度档位设置完成标志K＝1，更新其待查找标志F_need＝0，并记录其信号占用格数D_SignalUsed以及直流偏置电压V_bias，其他情况则不作任何操作；

S4.3：对其他幅度档位进行扫描，其具体方法为：采用硬件集中设置方式将所有待查找标志F_need＝1的通道的幅度档位设置为尚未查找到的幅度档位，读取每个通道采集回来的波形数据，计算波形最大值y_max和最小值y_min，信号占用格数D_SignalUsed；如果最大值y_max和最小值y_min超出数字示波器屏幕显示区域，则重新设置幅度档位继续查找；如果最大值y_max和最小值y_min未超出数字示波器屏幕显示区域，判断是否信号占用格数如果是，则该通道的幅度档位即设置为当前幅度档位，令其幅度档位设置完成标志K＝1，更新其待查找标志F_need＝0，并记录其信号占用格数D_SignalUsed以及直流偏置电压V_bias，否则不作任何操作；

S5：根据幅度查找的结果，将触发源设置到其中一个交流信号通道上，设置该通道的偏置电压，或将耦合方式设置为交流耦合，通过频率计测得该交流信号的频率F，然后确定得到水平时基档；

S6：根据各个通道的幅度档位、信号占用格数D_SignalUsed以及直流偏置电压V_bias，以及对各个通道在屏幕显示区域的垂直占用格数，对各个通道的幅度档位进行最佳调整，调整得到各通道同时显示时的最佳幅度档位；

S7：对步骤S1中记录的用户自定义参数进行恢复。

本发明基于硬件集中设置的数字示波器快速自动设置方法，以最小水平时基档作为幅度查找时的水平时基档，在进行幅度查找时，采用硬件集中设置方式对待查找通道的幅度档位进行设置，进行幅度查找，硬件集中设置的具体方法为：同时设置所有待查找通道幅度的相关硬件参数，在全部参数设置完成后，各硬件统一响应所设置的硬件参数，使其生效，然后判定当前幅度档位是否合适，合适则进行幅度档位设置，不合适的通道则采用硬件集中设置方式设置下一幅度档位，幅度查找完成后再进行频率查找和最佳幅度调整。本发明中采用硬件集中设置方式来减少调整硬件参数的次数，缩短数字示波器的自动设置时间，从而实现数字示波器的快速自动设置。

附图说明

图1是本发明基于硬件集中设置的数字示波器自动设置方法的具体实施流程图；

图2是本发明中基于硬件集中设置的幅度查找的流程图；

图3是基于二分法的幅度扫描方法的流程图；

图4是本发明中最佳幅度档位调整的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于硬件集中设置的数字示波器自动设置方法的具体实施流程图。如图1所示，本发明基于硬件集中设置的数字示波器自动设置方法包括以下步骤：

S101：记录用户自定义参数：

根据用户当前对数字示波器的设置情况，记录自动设置参数以外的用户自定义参数，以供在自动设置完成后进行恢复。

S102：数字示波器初始化：

需要对数字示波器的通道、触发、采集等进行必要的初始化设置，主要包括：基线归零、偏置电压归零、耦合设置为直流耦合，触发参数设置为边沿触发，触发电平设置为0、触发耦合设置为交流，将采样模式设置为峰值采样，将采样时基设置为最小水平时基档。本发明中，通过将采样时基设置为最小水平时基档，可以确保能够通过分析ADC的数据得到信号的有效幅度，避免由于采样频率过高，采集不到信号的一个完整周期，从而得不到信号的有效幅度。

S103：确定待查找通道：

根据实际需要设置对全部通道或者打开通道进行查找，对于待查找通道，设置其待查找标志F_need＝1，否则令F_need＝0。该步骤可以由数字示波器设计人员或用户指定自动设置策略来进行控制，一般而言仅对打开通道进行查找可以节约查找时间，因此在需要更快地完成数字示波器的自动设置时，可以选择设置为仅对打开通道进行查找。

S104：基于硬件集中设置的幅度查找：

在幅度查找过程中，本发明采用了硬件集中设置的方式，从而尽量减少调整硬件参数的次数，缩短数字示波器的自动设置时间。硬件集中设置包括两个方面，一是对当前待查找通道的硬件参数进行集中调整设置，二是在设置每个通道的若干个硬件时进行集中设置，减少稳定等待时间。基于硬件集中设置，本发明重新设计了幅度查找流程。

图2是本发明中基于硬件集中设置的幅度查找的流程图。如图2所示，本发明中基于硬件集中设置的幅度查找包括以下步骤：

S201：初始化通道标志：

对于待查找标志F_need＝1的待查找通道，设置其幅度档位设置完成标志K＝0。

S202：扫描最小幅度档位：

采用硬件集中设置方式将所有待查找标志F_need＝1的待查找通道的幅度均设置为最小垂直幅度，硬件集中设置的具体方法为：同时设置所有待查找通道幅度的相关硬件参数，在全部参数设置完成后，各硬件统一响应所设置的硬件参数，使其生效。这是因为数字示波器中不同的硬件在参数设置时，需要等待不同的稳定时间，在现在技术中，是依次对每个硬件参数进行设置并等待其稳定，需要等待所有硬件参数稳定时间的总和，而本发明中，在设置每个通道的每个参数时，暂不进行等待，而是对多个通道的多个参数集中设置，设置完成后，再等待一个最大的稳定时间即可。比如，对于单个通道而言，有10个参数需要改变，每个参数改变需要等待稳定的时间分别为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀，采用集中设置的方法只需要等待这其中最大的一个等待时间MAX(T₁,T₂,T₃,T₄,T₅,T₆,T₇,T₈,T₉,T₁₀)，而不是SUM(T₁,T₂,T₃,T₄,T₅,T₆,T₇,T₈,T₉,T₁₀)。这是因为不同的硬件可以并行等待稳定。如果有4个通道，原有技术每进行一次幅度档位的硬件参数设置，需4×SUM(T₁,T₂,T₃,T₄,T₅,T₆,T₇,T₈,T₉,T₁₀)的等待时间，本发明只需等待MAX(T₁,T₂,T₃,T₄,T₅,T₆,T₇,T₈,T₉,T₁₀)，与通道数无关，从而大大节约数字示波器的自动设置时间。

读取每个通道采集回来的波形数据，计算波形最大值y_max和最小值y_min、信号占用格数D_SignalUsed以及直流偏置电压V_bias；如果最大值y_max或最小值y_min超出数字示波器屏幕显示区域，进入步骤S203；如果最大值y_max和最小值y_min未超出数字示波器屏幕显示区域，则判断信号占用格数D_SignalUsed是否小于半格，如果是，则认为该通道没有输入信号，设置为默认幅度档位，令其幅度档位设置完成标志K＝1，更新其待查找标志F_need＝0，否则进一步判断是否信号占用格数表示数字示波器屏幕显示区域的总格数，如果是，则该通道的幅度档位即设置为最小垂直幅度，令其幅度档位设置完成标志K＝1，更新其待查找标志F_need＝0，并记录其信号占用格数D_SignalUsed以及直流偏置电压V_bias，否则不作任何操作。

可见，根据本次扫描，可以确定通道是否存在信号，以及确定部分通道合适的幅度档位(最小垂直幅度)。

S203：扫描其他幅度档位：

采用硬件集中设置方式将所有待查找标志F_need＝1的通道的幅度档位设置为尚未查找到的幅度档位，读取每个通道采集回来的波形数据，计算波形最大值y_max和最小值y_min，信号占用格数D_SignalUsed；如果最大值y_max和最小值y_min超出数字示波器屏幕显示区域，则重新设置幅度档位继续查找；如果最大值y_max和最小值y_min未超出数字示波器屏幕显示区域，判断是否信号占用格数如果是，则该通道的幅度档位即设置为当前幅度档位，令其幅度档位设置完成标志K＝1，更新其待查找标志F_need＝0，并记录其信号占用格数D_SignalUsed以及直流偏置电压V_bias，否则不作任何操作。

为了提高扫描其他幅度档位的效率，节约扫描时间，本实施例中提出了一种基于二分法的幅度扫描方法。图3是基于二分法的幅度扫描方法的流程图。如图3所示，本实施例中基于二分法的幅度扫描方法的具体步骤为：

S301：确定中间幅度档位：

将垂直幅度档位按照幅度从小到大进行排序，以Y_{Scale_Min}表示最小垂直幅度，对应幅度档位序号为1，以Y_{Scale_Max}表示最大垂直幅度，对应幅度档位序号为Q，Q表示幅度档位数量，计算垂直幅度中值Y_{Scale_Middle}＝(Y_{Scale_Min}+Y_{Scale_Max})/2，选择与垂直幅度中值最为接近的幅度档位作为中间幅度档位，记其序号为Middle。

S302：设置上半部分幅度档位的序号初值i＝Middle。

S303：扫描第i个幅度档位：

采用硬件集中设置方式将所有待查找标志F_need＝1的待查找通道的幅度档位设置为第i个幅度档位，读取每个通道采集回来的波形数据，计算波形最大值y_max和最小值y_min，信号占用格数D_SignalUsed；如果最大值y_max或最小值y_min超出数字示波器屏幕显示区域，进入步骤S304；如果最大值y_max和最小值y_min未超出数字示波器屏幕显示区域，判断是否信号占用格数如果是，则该通道的幅度档位即设置为当前幅度档位，令其幅度档位设置完成标志K＝1，更新其待查找标志F_need＝0，并记录其信号占用格数D_SignalUsed以及直流偏置电压V_bias，否则判断信号占用格数D_SignalUsed是否小于半格，如果是，对该通道设置一个暂停查找标志P＝1，更新其待查找标志F_need＝0，其他情况则不作任何操作。

由于在上半部分幅度档位进行查找时，幅度档位是逐渐增加的，因此当采集到的幅度数据较小时，说明该通道信号适合的幅度档位在下半部分的小幅度档位之间，因此通过设置暂停查找标志P来提前跳出上半部分查找循环，从而优化流程，节约时间。

S304：判断是否达到上半部分查找结束条件，即是否待查找标志F_need＝1的待查找通道数为0或幅度档位序号i＝Q，即当前幅度档位为最大垂直幅度Y_{Scale_Max}，如果是，进入步骤S306，否则进入步骤S305。

S305：幅度档位序号增加：

按照数字示波器的幅度档位设置，令幅度档位序号i＝i+Δ，Δ表示幅度档位变化步长，一般一次性增加一至两个幅度档位，即Δ等于1或2，递增速度过快会导致准确性的降低。然后返回步骤S303。

S306：重置待查找标志：

搜索暂停查找标志P＝1的通道，重置其待查找标志F_need＝1。

S307：设置下半部分幅度档位序号初值j＝Middle-1。

S308：扫描第j个幅度档位：

采用硬件集中设置方式将所有待查找标志F_need＝1的待查找通道的幅度档位设置为第j个幅度档位，读取每个通道采集回来的波形数据，计算波形最大值y_max和最小值y_min，信号占用格数D_SignalUsed；如果最大值y_max或最小值y_min超出数字示波器屏幕显示区域，进入步骤S309；如果最大值y_max和最小值y_min未超出数字示波器屏幕显示区域，判断是否信号占用格数如果是，则该通道的幅度档位即设置为当前幅度档位，令其幅度档位设置完成标志K＝1，更新其待查找标志F_need＝0，并记录其信号占用格数D_SignalUsed以及直流偏置电压V_bias，否则不作任何操作。

S309：判断是否达到下半部分查找结束条件，即是否待查找标志F_need＝1的待查找通道数为0或幅度档位序号j＝2，即当前幅度档位为最小垂直幅度Y_{Scale_Min}上一个幅度档位，如果是，查找结束，否则进入步骤S310。

S310：幅度档位序号减小：

按照数字示波器的幅度档位设置，令幅度档位序号j＝j-Δ，同样地，一般一次性减小一至两个幅度档位。然后返回步骤S308。

S105：频率查找：

本发明中频率查找的方法采用常规自动设置方法中的频率查找方法，即：根据幅度查找的结果，将触发源设置到幅度档位设置完成标志K＝1的通道中一个交流信号通道上，设置该通道的偏置电压，或将耦合方式设置为交流耦合，通过频率计测得该交流信号的频率F，然后确定得到水平时基档，一般是根据预先设置的时基表和频率F来确定水平时基档。

S106：最佳幅度档位调整：

根据各个通道的幅度档位、信号占用格数D_SignalUsed以及直流偏置电压V_bias，以及对各个通道规划的在屏幕显示区域的垂直显示点数d_scheme，对各个通道的幅度档位进行最佳调整。图4是本发明中最佳幅度档位调整的流程图。如图4所示，本发明中最佳幅度档位调整的具体方法为：

S401：计算信号幅度：

如果当前数字示波器显示时不进行偏置调整，根据以下公式计算当前通道的信号幅度V：

其中，表示通道当前设置的幅度档位序号q^*所对应的每格所对应的幅度值；

如果当前数字示波器显示时需要偏置调整，根据以下公式计算当前通道的信号幅度V：

S402：令幅度档位序号q＝1；

S403：计算当前幅度档位下信号占用点数d_q：

其中，Y_q表示通道当前设置的幅度档位下所对应的每格所对应的幅度值，σ表示屏幕显示区域垂直方向上每格对应的点数，目前常用数字示波器将屏幕显示区域的垂直方向划分为8格，其中每格对应25个像素点；

S404：如果d_q≤d_scheme，进入步骤S405，否则进入步骤S406。

S405：以当前幅度档位作为该通道显示所采用的幅度档位，该通道最佳调整结束。

S406：判断是否q＜Q，如果是，进入步骤S407，否则保持通道当前设置的幅度档位不变，该通道最佳调整结束。

S407：令q＝q+1，返回步骤S403。S107：恢复用户自定义参数：

对步骤S101中记录的用户自定义参数进行恢复。为了说明本发明的技术效果，采用一个具体实施进行推理验证。设某款示波器幅度参数改变后，通道需要等待的时间为T_{CH_Wait}＝200ms，获取信号频率所需的时间为T_frq＝100ms，其他的处理时间忽略不计，最小垂直幅度为5mV，最大垂直幅度为10V，最小水平时基档为10ms，幅度档采用125步进方式，二分中间幅度档位为200mV，8位ADC采样。表1是采用本发明对该数字示波器在各种情况下的自动设置时间。

表1

其中，表1中的“OFF”表示该通道关闭，本实施例中不需要查找关闭通道；“无”表示没有该通道，对查找来说，其性质与“OFF”相同；“0V”表示该通道打开，但没有输入信号。

根据表1的数据可以看出，采用本发明的方法，自动设置所需的时间与通道数不成乘积关系，所需要的时间与待查找的各个通道的信号幅度的差异程度有一定关系。因此，采用本发明可以通过采用硬件集中设置，一方面减少等待硬件稳定所需的时间，另一方面大大减少调整硬件参数的次数，从而缩短数字示波器的自动设置时间，提高用户体验。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。