專(zhuān)利名稱(chēng)：具有最大顯示更新速率和最大顯示帶寬的儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電子波形的采集、數(shù)字化和顯示，更具體地說(shuō)，涉及諸如數(shù)字示波器的電子儀器。
在數(shù)字示波器或電子波形被數(shù)字化并顯示的類(lèi)似的電子儀器中，模擬信號(hào)被取樣，然后模擬樣值被通過(guò)模擬-數(shù)字(A/D)變換器數(shù)字化，并且數(shù)字化的取樣值被存儲(chǔ)在采集存儲(chǔ)器(也被稱(chēng)為捕捉存儲(chǔ)器)中。然后數(shù)字取樣值被處理(例如也許被濾波或被進(jìn)行插值處理)，并且處理后的樣值被寫(xiě)入顯示存儲(chǔ)器或者直接顯示。正如下面將更詳細(xì)地討論的，需要在采集時(shí)間窗口、顯示樣值速率、顯示帶寬和顯示更新速率之間進(jìn)行各種協(xié)調(diào)。
對(duì)于顯示器的水平軸、示波器(模擬或者數(shù)字式的)的操作者通常選擇顯示時(shí)間/刻度(例如在顯示屏面水平方向上每cm為1μS)。然后在等于顯示器顯示的全部時(shí)間的總時(shí)間(采集時(shí)間窗口)內(nèi)輸入信號(hào)被取樣。采集取樣值的數(shù)目(采集記錄)是由采集取樣速率(樣值數(shù)目/秒)乘以采集時(shí)間窗口(秒)確定的。可能采集存儲(chǔ)器受限制，因此對(duì)于某些非常長(zhǎng)的采集時(shí)間窗口、只存儲(chǔ)采集樣值中的一小部分(例如，每隔N-1個(gè)樣取存儲(chǔ)1個(gè)樣值)?？赡艿淖畲箫@示更新速率是操作者選擇的采集時(shí)間窗口的倒數(shù)。例如，如果操作者選擇的采集時(shí)間窗口是0.01秒，那么，最大顯示更新率是100次更新/秒。正如下面將更詳細(xì)討論的，實(shí)際的顯示更新速率可能小于所述最大值。
通常，數(shù)字示波器和同類(lèi)的波形采集儀器能采集和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)記錄的速率比它們處理和顯示這些記錄的速率要快的多。例如目前可得到的模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器能夠以幾十億個(gè)樣值/每秒的速率對(duì)信號(hào)取樣并轉(zhuǎn)換，然而目前可得到的視頻處理器能以數(shù)百萬(wàn)個(gè)樣值/每秒的速率處理那些樣值。假定對(duì)操作員選擇的特定的采集時(shí)間窗口，有M個(gè)采集樣值(采集記錄長(zhǎng)度)和N個(gè)顯示樣值(顯示記錄長(zhǎng)度)，其中M＞N。一種傳統(tǒng)的解決方法是每隔(M/N-1個(gè)樣值采集1個(gè)樣值，通過(guò)稱(chēng)為抽取的方法選擇采集樣值或經(jīng)插值處理的采集樣值。注意！在這份專(zhuān)利文件中，抽取通常被用于指其輸入取樣速率大于或等于其輸出取樣速率的系統(tǒng)或者濾波器。例如，如果儀器采集10000個(gè)樣值，顯示2000個(gè)樣值，則每隔4個(gè)采集樣值可以顯示1個(gè)采集樣值。通常，抽取可以包括數(shù)字濾波，因此，例如，如果儀器采集10000個(gè)樣值，而顯示3000個(gè)樣值，則這顯示的樣值可以通過(guò)濾波/插值獲得。對(duì)于數(shù)字示波器，顯示記錄長(zhǎng)度通常是固定的。
最理想的是顯示樣值速率高到足于逼近連續(xù)波形顯示，如模擬示波器那樣?！皫挕边@個(gè)詞通常指能以取樣的形式再生的最高頻率，按照基本的取樣理論，這個(gè)頻率是取樣速率的1/2(也稱(chēng)為奈奎斯特Nyquist速率)。如果為了顯示而對(duì)采集的樣值進(jìn)行抽取，那么，存在采集帶寬和分開(kāi)的顯示帶寬，顯示記錄長(zhǎng)度是顯示樣值速率乘以操作者所選采集時(shí)間窗口。典型地，顯示記錄長(zhǎng)度是固定的，而顯示帶寬是可變的并由操作者所選采集時(shí)間窗確定。因此，一般需要很長(zhǎng)的顯示記錄長(zhǎng)度以獲得對(duì)所有的操作者選定的采集時(shí)間窗口的高帶寬。
最理想的是，顯示更新速率高到使向操作者提供的信息總量達(dá)到最大值。高顯示更新速率對(duì)捕獲斷續(xù)的事件和幅度變化的信號(hào)是特別重要的。如同以上討論的，最大顯示更新速率是由操作者所選采集時(shí)間窗口確定的。注意，陰極射線管和其他顯示技術(shù)可能有影像刷新速率，在這個(gè)專(zhuān)利文件中，顯示更新速率是由采集和繪制顯示全部樣值(顯示記錄)所需時(shí)間確定的，而與特定顯示技術(shù)的刷新速率無(wú)關(guān)。
關(guān)于其他技術(shù)背景，例如可看M.s Holcomb和D.P.Timm合著的“100MHZ數(shù)字示波器的高吞吐量采集結(jié)構(gòu)”，HEWLETT-PACKARD JOURNAL,VOL,43,NO,1,FEBRUARY1992,PP 11-20。R,A,WITTE，“數(shù)字示波器中的取樣速率和顯示速率”HEWLETT-PACKARD JOURNAL,VOL,43,NO,1,FEBRUARY1992,PP18-19和S,B,WARNTJEES“數(shù)字示波器中的持續(xù)取樣速率”HEWLETT-PACKARD JOURNAL,VOL,48,NO,2,APRIL 1997,PP 23-25。
過(guò)去的某些儀器已具備手動(dòng)控制采集和顯示參數(shù)，籍此，允許操作者控制各種協(xié)調(diào)，此外，幾種近似值被采用以自動(dòng)地給出各種最佳測(cè)量參數(shù)值。用于自動(dòng)優(yōu)化的先有方法要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行初始采集(繼之以對(duì)初始采取的分析)以及利用基于對(duì)初始采集的分析的優(yōu)化后的參數(shù)的二次采集。例如，在美國(guó)專(zhuān)利第5375067號(hào)(Brechin)中，取樣速率是基于對(duì)初始采集的分析而自動(dòng)調(diào)整的。在Berchin的專(zhuān)利中，首先以最大取樣速率和最大記錄長(zhǎng)度將波形數(shù)字化。對(duì)初始采集進(jìn)行頻譜分析。然后把取樣速率設(shè)置在最高頻率分量的頻率的兩倍，這最高頻率分量的幅度超過(guò)最大失真電平，然后以新取樣速率對(duì)波形進(jìn)行再采集。在美國(guó)專(zhuān)利第5397981號(hào)(Wiggers)中，對(duì)于重復(fù)信號(hào)，取樣速率是不變的，并且記錄長(zhǎng)度是基于對(duì)初始采集的分析而自動(dòng)調(diào)整的。在Wiggers的專(zhuān)利中，重復(fù)信號(hào)被采集和取樣，測(cè)量一個(gè)循環(huán)的時(shí)間周期，同時(shí)，調(diào)整取樣值的數(shù)目、使得對(duì)任何信號(hào)重復(fù)頻率保持恒定的顯示時(shí)間。尤其應(yīng)當(dāng)指出，在Wiggers的專(zhuān)利中，采集時(shí)間窗口不是由操作員選擇，而相反是自動(dòng)調(diào)整采集時(shí)間窗口、使其與重復(fù)信號(hào)的周期時(shí)間一致。
存在一種普遍的需求在已知由特定的操作員選定的采集時(shí)間窗口的情況下自動(dòng)地優(yōu)化顯示帶寬，而不需要把顯示更新速率降低到低于由采集時(shí)間窗口確定的最大速率。
具體地說(shuō)，存在一種需求自動(dòng)地優(yōu)化顯示帶寬、而不需要初始采集和分析、并且，不需要改變操作員選擇的采集時(shí)間窗口。此外，存在一種自動(dòng)地優(yōu)化非重復(fù)波形的顯示帶寬的需求。
公開(kāi)一種信號(hào)采集系統(tǒng)在已知操作員選擇的采集時(shí)間窗口的情況下，總提供系統(tǒng)能夠提供的最大可能顯示帶寬，而不會(huì)使顯示更新速率從由采集時(shí)間窗口確定的最大顯示更新速率降低，不需要分析分開(kāi)的采集結(jié)果，并且不需要操作員介入或控制。在按照發(fā)明的系統(tǒng)中，采集系統(tǒng)在至少兩個(gè)存儲(chǔ)部分之間交替，使得最小顯示更新時(shí)間是采集時(shí)間窗口或顯示繪制時(shí)間兩者中的較長(zhǎng)的一個(gè)。不是固定顯示記錄長(zhǎng)度，而是自動(dòng)地調(diào)整顯示記錄長(zhǎng)度使顯示繪制時(shí)間等于或稍小于操作員所選采集時(shí)間窗口。所以，顯示更新速率總是處在給定操作員所選采集時(shí)間窗口情況下可能的最大值，并且，在已知操作員選定的采集時(shí)間窗口和顯示更新速率的情況下使顯示帶寬最大。除非采集記錄超出采集存儲(chǔ)區(qū)，采集取樣速率總是處在最大取樣速率并且近似保持不變。采集取樣速率與顯示樣值速率的比例在采集取樣速率最大時(shí)近似不變。
根據(jù)本發(fā)明的儀器具有如下屬性1．除了受采集存儲(chǔ)器大小的限制之外，采集取樣速率處在最大速率并保持恒定。
2．允許改變采集記錄長(zhǎng)度以保持最大的采集帶寬。
3．當(dāng)采集取樣速率最大時(shí)，采集取樣速率與顯示樣值速率的比值近似為常數(shù)(＞1.0)。
4．顯示記錄長(zhǎng)度是可變的、使得顯示繪制時(shí)間總是等于或稍小于采集時(shí)間窗口。
5．顯示帶寬是在不使顯示更新速率降低到低于由采集時(shí)間窗口確定的最大速率的情況下可能的最大值。


圖1為按照發(fā)明的波形數(shù)字化和顯示的儀器的方框圖。
圖1說(shuō)明按照發(fā)明的儀器。電子輸入波形100由模擬取樣器102以采集取樣速率取樣。在模擬取樣器102測(cè)量的采集取樣速率為最大的近似不變的取樣速率。這里用“近似”這個(gè)詞是因?yàn)槿訒r(shí)鐘頻率會(huì)出現(xiàn)細(xì)微隨機(jī)變化(稱(chēng)為抖動(dòng))，這是為了慎重起見(jiàn)，以避免某些混淆的問(wèn)題。因此，更準(zhǔn)確地說(shuō)，對(duì)于大多數(shù)操作員選擇的采集時(shí)間窗口，波形總是以全取樣時(shí)鐘率取樣，這會(huì)存在一些細(xì)小的變化。每一個(gè)模擬樣值通過(guò)模擬/數(shù)字變換器104數(shù)字化。如果所需的采集紀(jì)錄超過(guò)可用的采集存儲(chǔ)器(對(duì)于非常低的掃描速度)，則數(shù)字化的采集樣值在存入存儲(chǔ)器之前需要進(jìn)行抽取(106)，籍此降低所存儲(chǔ)的樣值的有效采集取樣速率。
在早期的數(shù)字示波器中，采集和顯示是串行處理的。顯示更新時(shí)間是采集時(shí)間窗口和顯示繪制時(shí)間之和。對(duì)于更快的顯示更新的一種改進(jìn)是提供多個(gè)采集存儲(chǔ)器(或單個(gè)大存儲(chǔ)器的多個(gè)分區(qū))，使得當(dāng)一個(gè)采集存儲(chǔ)器正被用于采集新數(shù)據(jù)時(shí)，提供另一個(gè)采集存儲(chǔ)器、把先已寫(xiě)入的數(shù)據(jù)作顯示處理。例如，見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第08/607671號(hào)。
相應(yīng)地，圖中，采集記錄被交替地存入第一采集存儲(chǔ)器108和第二采集存儲(chǔ)器110中。這里可以有多于兩個(gè)的采集存儲(chǔ)器。早先被存入的數(shù)字樣值由顯示處理器112處理(抽取)。顯示處理器以顯示樣值速率輸出顯示記錄(顯示樣值的數(shù)目)。圖中示出幀緩沖器114，但是在一些系統(tǒng)中，顯示處理器可直接寫(xiě)入顯示器116而無(wú)須中間存儲(chǔ)。與先前典型的儀器相比、顯示記錄長(zhǎng)度可能長(zhǎng)很多。所述儀器的控制板120和處理器118相互配合。處理器118控制顯示處理器112。操作員在控制板120上選擇采集時(shí)間窗口，對(duì)于任何給定的操作員選定的采集時(shí)間窗口，處理器118控制顯示處理器112以便調(diào)整其抽取速率。
傳統(tǒng)上，數(shù)字示波器的顯示記錄長(zhǎng)度已被固定或可手動(dòng)調(diào)整。Wiggers的專(zhuān)利是一個(gè)例外，其中，根據(jù)對(duì)重復(fù)信號(hào)的初始采集的分析而計(jì)算采集時(shí)間窗口和顯示記錄長(zhǎng)度、以便適應(yīng)重復(fù)信號(hào)的周期。如果顯示記錄長(zhǎng)度被固定，并且采集記錄長(zhǎng)度被允許任意長(zhǎng)以維持最大采集帶寬，那么，采集時(shí)間窗口可以比顯示繪制時(shí)間更長(zhǎng)。當(dāng)采集和顯示是并行處理時(shí)，最小顯示更新時(shí)間比采集時(shí)間窗口或顯示繪制時(shí)間更長(zhǎng)。如果顯示更新速率被采集時(shí)間窗口所限，那么顯示帶寬可增加而無(wú)由于顯示記錄長(zhǎng)度的增加對(duì)顯示更新速率產(chǎn)生的影響。相反，如果顯示更新時(shí)間被顯示繪制時(shí)間所限制，那么，顯示更新時(shí)間可以通過(guò)減少顯示記錄長(zhǎng)度來(lái)減少。按照本發(fā)明，一種改進(jìn)是總是使顯示繪制時(shí)間大約等于或稍小于采集時(shí)間窗口，使得顯示更新速率總是由采集時(shí)間窗口確定。由于采集記錄長(zhǎng)度可變，所以，顯示記錄長(zhǎng)度也必須可變。通常，采集取樣速率與顯示樣值速率的比例在采集取樣速率最大時(shí)保持恒定(當(dāng)采集記錄長(zhǎng)度不超過(guò)可用的采集存儲(chǔ)器時(shí))。對(duì)于任何給定操作員選擇的采集時(shí)間窗口，受處理器118支配的顯示處理器112調(diào)整顯示紀(jì)錄長(zhǎng)度以使顯示繪制時(shí)間小于或等于采集標(biāo)繪時(shí)間。通過(guò)改變顯示記錄長(zhǎng)度以保持顯示繪制時(shí)間小于或等于采集時(shí)間窗口，使顯示帶寬處在不把顯示更新速率降低到低于由采集時(shí)間窗口確定的最大速率的情況下可能的最大值。
為了舉例說(shuō)明的目的，已經(jīng)給出以上關(guān)于本發(fā)明的描述。不希望把以上的說(shuō)明看成是詳盡的、或者把本發(fā)明限制在所公開(kāi)的嚴(yán)格的形式，并且，根據(jù)以上的講述，各種修改和變化是可能的。為了最好地說(shuō)明本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，選擇和描述了實(shí)施例，從而使本專(zhuān)業(yè)的其他技術(shù)人員能夠在適合于所考慮的具體應(yīng)用的各種實(shí)施例和各種改型中最好地應(yīng)用本發(fā)明。希望把后附的權(quán)利要求書(shū)看作包括除了先有技術(shù)限制之外的本發(fā)明的其他替代的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1．一種用于顯示波形的數(shù)字化樣值的方法，其特征在于包括以上步驟通過(guò)顯示處理器(112)在采集時(shí)間窗口范圍內(nèi)讀出數(shù)字化樣值；通過(guò)所述顯示處理器，抽取所述數(shù)字化樣值，從而產(chǎn)生具有顯示記錄長(zhǎng)度的顯示樣值，顯示處理器需要用于顯示所述顯示樣值的顯示繪制時(shí)間；以及通過(guò)所述顯示處理器調(diào)整所述顯示記錄長(zhǎng)度、以便使所述顯示繪制時(shí)間基本上等于但不大于所述采集時(shí)間窗口。
全文摘要
信號(hào)采集和顯示系統(tǒng)總是提供系統(tǒng)能夠提供的最大的可能的顯示帶寬、而不會(huì)使顯示更新速率降低到低于由采集時(shí)間窗口確定的最大值。優(yōu)化過(guò)程不需要分析分開(kāi)的采集結(jié)果,也不需要重復(fù)波形。采集系統(tǒng)在兩個(gè)存儲(chǔ)部分之間交替,使得最小顯示更新時(shí)間是采集時(shí)間窗口和顯示繪制時(shí)間兩者中的較長(zhǎng)者?？刂骑@示記錄長(zhǎng)度、使得顯示繪制時(shí)間總是等于或稍微小于采集時(shí)間窗口。對(duì)于給定采集時(shí)間窗口和最大顯示更新速率,顯示帶寬總是處在可能的最大值。
文檔編號(hào)G01R13/00GK1208176SQ9810891
公開(kāi)日1999年2月17日 申請(qǐng)日期1998年5月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月13日
發(fā)明者D·P·蒂姆 申請(qǐng)人:惠普公司