降低可变强度或可变色彩显示的每象素比特数的制作方法

专利名称：降低可变强度或可变色彩显示的每象素比特数的制作方法
技术领域：
本发明涉及将采集到的、表示观测信号行为的电压时变数据处理成适于数字示波器显示的格式，更具体地讲，涉及这种数据的有效高速采集以及将这种数据光栅扫描为某种格式，这种格式包括用于可变强度或可变色彩显示的每像素多比特强度信息，并根据操作员控制的、提供显示选择的传递函数将每像素多比特信息压缩为每像素较少比特格式。
数字示波器通常利用光栅扫描显示将电子信号的行为显示给用户。每个光栅扫描显示，例如每天在计算机屏幕上见到的那些显示，由二维像素阵列组成，每个像素的位置由行号和列号唯一地确定。最简单、最廉价的这种显示型式是“单比特”显示，由其中引出待显示信息的存储器只有1比特对应于该像素的强度信息。在这种显示中，单比特信息确定与之相关联的像素是否“打开”或“关闭”，“打开”表示利用预定的强度值照明像素，“关闭”表示完全不照明像素。
更加复杂、更加昂贵的单比特显示的替代方案是多比特显示，这种显示可以提供作为亮度指示的替换的可变强度(也称为“灰度”)或色彩变化。与可变强度显示的每个像素相关联的存储器地址包含多比特强度信息，指示用于照明的可变强度值级别。类似于单比特显示中的像素，多比特显示的像素也具有“关闭”或暗状态，但它们具有多个照明值，而不是一个照明值。通常，可用的照明值数目是2N-1，其中N是光栅存储器中每个地址上的存储深度。因此，例如，四比特深度的光栅扫描存储器可以支持十五级透射照明值，以及暗或“关闭”状态。像素强度还可以变换成不同的色彩，以及强度或“亮度”。
利用这种更加丰富的数据，多比特显示可以传递更多的、关于观测电子信号波形行为的信息，特别是在信号的重复性很差，由此使其在某些部分的行为弱于其它信号的情况下。在此引用作为参考的、授予Katayama等人、题为“Digital Waveform Measuring Apparatus HavingA Shading-tone Display”的美国专利4,940,931描述了产生数字可变强度显示的系统。
通常，数字示波器通过周期地采样节点上出现的电压来采集关于电路节点行为的信息。示波器的探测脉冲与节点联系在一起，探头和示波器的前端精确地复制信号，或者是信号的某一预定分数倍，或者是信号的某一预定整数倍，并将其输送给模-数变换器。模-数变换器的输出是一系列存储在采集存储器中的多比特字。连续采集的样本存储在采集存储器中的顺序相关的地址中，由此，是与时间尺度相关的。最终，这些地址将被变换回时间尺度，其中的一个表示为沿示波器的光栅扫描显示的x-轴的水平距离。
在典型的数字示波器中，由采集存储器地址中的数据内容得到的电压幅度值确定照明像素的垂直位置(行号)，而由采集存储器地址获得的时间值确定水平位置(列号)。将采集存储器的内容和地址展开以便为二维光栅存储器产生内容的过程称为“光栅扫描”。
光栅扫描过程的输出通常与光栅存储器的某些前在内容合并在一起，因此，最终的复合光栅内容通常会受到某种余辉过程的影响。关于数字余辉的其它信息，可以参考在此引用作为参考的、授予Alappat等人、题为“Raster Scan Waveform Display Rasterizer With PixelIntensity Gradation”的美国专利5,440,676；授予Alappat等人、题为”Rasterscan Display With Adaptive Decay”的美国专利5,387,896；和授予Long等人、题为“Digitally Synthesized Gray Scale ForRaster Scan Oscilloscope Displays”的美国专利5,254,983。
对于示波器显示的设定和采集到的波形数据的任一特定组合，都存在某种函数将采集到的数据点映射到时间(x-轴)-电压(y-轴)显示光栅。映射函数包括待映射样本数和光栅显示的像素列数之间的某一比值。尽管该比值可以设定为1∶1，但是它通常设定为N∶1或1∶N。如果数据点多于必须映射的像素列，那么就必须采取某种形式的数据压缩和/或抽样。抽样的含义是每隔N个数据点抽取一个，由此放弃部分已获得的信息。另一方面，压缩的含义是将来自采集存储器中多个时间地址的数据映射到光栅扫描显示中的一个水平位置，即，单列像素。如果数据点少于像素列，即上述的1∶N情况，将使用某种内插方法或等效时间采样。在本发明情况下，使用等效时间采样，这将在下面详细讨论。
多年以来，数字示波器受到在探测脉冲上有效地进行处理并显示给用户的行为的百分比的限制。尽管很少有老练的用户和那些只熟悉模拟示波器的人员会认为他们在数字示波器的探测脉冲上观察到的是行为的大部分或全部，在许多情况下，显示只示出一小部分在此发生的实际行为。这是因为，这些示波器处理信号的时间多于采集信号的时间。如果信号的重复性很好，那么这种“现场时间(live time)”损失不成问题，因为一个波形与另一个是自然相似的。然而，如果信号正在显示某种间歇异常行为，那么这种低比例的现场时间将难以检测到这种异常。因此，提高波形的处理量和用户在探测脉冲处实际观察到的信号行为的比例将是近期数字示波器设计的目标。在此引用作为参考、授予Meadows、题为“Slow Display Method for Digital Oscilloscope WithFast Acquisition System”的美国专利5,412,579描述了一种示波器系统，其中采集合成到交替(也称为“ping-ponging”)显示缓冲器，这样当一个显示缓冲器中的内容用作显示数据源时，另一个用来搜集和合成更多的数据。然而，该发明描述的低速显示设计只为每个像素提供一个比特的强度数据，因此没有类似于模拟信号的灰度变化能力，即强度变化能力。
处理大量波形的能力是数字示波器中最期望得到的特性。在此引用作为参考、授予Etheridge等人、题为“Digital OscilloscopeArchitecture For Signal Monitoring With Enhanced Duty Cycle”的美国专利5,530,454描述了当每个波形记录较短而且触发事件的频率足够高时，每秒能够采集高达400,000个波形的示波器。这种示波器多少可以与模拟示波器性能相比，其“现场时间”比例由大约6％变化到接近99％，这决定于时间基准的设定、打开的通道数和触发事件的可用性。
Etheridge的454专利中描述的结构的速度可以利用两个光栅存储器实现，一个用于采集系统，另一个用于显示系统。这些光栅存储器中的第一个，称为“光栅采集存储器”，几乎恒定地接收采集到的波形。这些波形以几乎和高速采集光栅扫描仪以及类似的高速图像合并器采集这些波形的速度一样快的速度经光栅扫描并合并到该光栅采集存储器中。在合并多个波形之后，每像素单比特光栅采集存储器中的内容传递到每像素多比特显示光栅存储器，在此与先前的显示数据合并。该显示光栅存储器中的内容受数字余辉控制的影响，例如，前面描述的，每个像素的强度将在持续一定的时间之后消失。
对于许多用户，特别是那些使用过模拟示波器的用户，可变亮度可以传递关于观测信号行为的信息。这些用户中的大多数对于这些与模拟示波器类似的特性具有极大的倾向性。例如，当模拟示波器在水平扫描间隔内产生垂直摆动以便在探测脉冲上产生信号行为的实时图像时，它们固有地倾向于随它们产生的线的斜率的倒数的变化调节显示的亮度。出现这种现象的原因是，CRT的负极电子枪产生依赖于“亮度”控制设定的恒定数量的电子，单位时间内覆盖的轨迹长度几乎不受与任一特定扫描速度相联系的x-轴距离的影响，而是随着任何和所有的y-轴偏移而增加。y-轴偏移可以是相应的x-轴距离的好多倍，所以当电子在更长的距离上传播时，恒定的有效电子束能量显著地减少。所以，模拟示波器固有地随线条斜率的倒数的变化改变所绘线条的亮度。
模拟示波器或具有高的波形处理量的数字示波器的另一个、甚至是最期望获得的特性是能够检测到出现在其它重复信号中的异常间歇信号。“现场时间”低得不可能观测到间歇信号行为的老式数字示波器至少在没有特定触发模式下可以检测特定类别的间歇信号行为。模拟示波器将显示出指示存在这种间歇异常信号行为的模糊轨迹。当然，如果信号是极其短暂的，那么轨迹的亮度可能极其模糊，以致于完全被操作员忽略。
然而，根据下述的光栅扫描方法，对采集数据进行线性强度累加的含义是累加强度的一般值直接比例于累加的采集数目。在每次更新屏幕时，周期地清除或延迟消失这种光栅。如果更新间隔不是恒定的，这通常不是由于其它处理器行为、其它显示行为或数据依赖光栅拷贝时间，那么累加采集光栅存储器内容的固定比例将产生可观测到的、与信号无关的强度变化。同样，如果将指数余辉衰减施加到显示更新之间的累加采集光栅存储器内容，那么将在图像中产生总体强度的初始过渡期建立，直到到达quo状态。这些效应均是不需要的、期望消除的赝像。
此外，将采集线性累加为强度变化在处理的光栅扫描仪端最容易实现，而用户期望的最优形式可能会更加非线性化。例如，用户有时特别想关注极偶然的事件，因此可能期望将所有非零像素映射为显示可以产生的最亮强度。另外，还可能存在一定的像素命中率范围，和相应的累加强度，用户期望映射到可用强度的全部动态范围，以便更加清楚地分辨受采集数据影响的频率上的细微差别。
根据本发明，在允许操作员选择传递函数的增益和偏置的控制下可以缩减每像素比特数。从用户的观点来看，这种控制分别是对比度和亮度。通过控制组成映射函数的最大像素强度的幅值和多个分数的大小可以改变传递函数。一种方法是使用连续近似二叉搜索强度映射电路，该电路利用15个断点将17-21比特输入强度值映射为4比特输出像素强度值，以将输入像素强度归类。15个断点中的每一个均由相应的分数乘以最大像素强度参考值确定。分数定义了用户可以修改的归一化传递函数，最大像素强度值为采集光栅存储器中的期望数据累加提供比例定标。可以使用各种方法允许操作员和各种时间、强度判据控制最大像素强度参考值。例如，操作员可以在自动亮度开启模式和自动亮度关闭模式之间作出选择。当处于开启模式时，最大像素参考值是最大输入像素强度值的实际强度值的函数，当处于关闭模式时，它是强度数据在采集光栅存储器中的累加时间的函数。最大像素强度参考值还可以是存储在采集光栅存储器中的像素的平均像素强度值的函数，或者是平均非零像素强度值的函数。


图1是采集数据流的简化框图，数据通过采集存储器和光栅扫描部分，进入示波器的显示部分。
图2是显示光栅扫描过程如何处理采集存储器提供的数据并为采集光栅存储器产生数据的框图。
图3是显示图2&4示出的计数器模块和锁存器模块的输入、输出和子部分的详细框图。
图4是可变强度光栅扫描仪的特定优选实施方案的框图。
图5是示出根据本发明在显示准备过程中进行强度映射和突出偶然事件的简化框图。
图6A&6B是示出可以执行非线性校正的两种方法。
图7是根据本发明以比例和增益可控的方式缩减每像素比特的强度映射电路的简化图。
首先，参考图1，可以看到采集数据流的简化框图，根据本发明，数据通过采集存储器和光栅扫描部分200，进入示波器的显示部分300。垂直比例函数和垂直偏置函数是在数字化之前施加的，因此在图像中不是直接可见的，而是采集过程10的一部分。过程控制器180控制的触发器电路15监测输入信号和其它判据(未示出)，并将满足触发条件的事件传递给采集电路10和过程控制器180。
过程控制器180包含允许其控制所有采集过程和光栅扫描过程的定时器和状态机，包括一些将在下面讨论、图1中未示出的任选过程。如图所示，它几乎向采集存储器和光栅扫描部分200的所有部分以及触发器15和采集电路10发送命令和信息，并从那里接收各种信号。当数据准备就绪时，它通知光栅合并器80。过程控制器180监视触发器电路15，并在适当的时刻，即存在足够多的、可供光栅扫描的采集时，或者从第一次触发或最后一次显示更新起已经经过了很长时间、显示110上的数据已经失效时，启动采集电路10和光栅扫描仪30。
当显示110上的数据失效时，过程控制器180启动强度映射50，随后启动DMA电路70。如下面详细讨论的，过程控制器180还确定何时放弃采集、何时启动触发位置计算器以及何时计算断点。
作为采集过程10的输出，电压时变数据-地址对存储在采集存储器20中。采集存储器20可以保持两个长达512K的样本的波形记录，或者多达256个均包含768个样本的较短波形记录。每个样本地址包含定义了256种可能电压幅度值中的一种电压值的8比特信息。这些电压幅度值中的200种对应每像素21比特200×500采集光栅存储器40的每列中的200个像素地址中的一个地址。
每个采集存储器和光栅扫描部分200可以每秒采集100,000个波形记录，每个波形记录包含500个数据点，每个数据点的采样间隔为1ns，每次采集的总时间为500ns。多个采集存储器和光栅扫描部分20，一般为两个或四个，可以交叉在一起使每个示波器通道上可获得的总处理量增加为两倍或四倍。显示部分300的光栅合并器80可以在显示部分300中将多个采集存储器和光栅扫描部分300的输出多路复用在一起。
相反，可以将不止一个通道复用在一个采集存储器和光栅扫描部分200中。光栅合并器80的另一种类型是将多个通道分离传输出较少的采集存储器和光栅扫描部分200，通过使用显示光栅存储器90和100中的每个像素地址上的额外“标志”比特，使它们作为独立通道显示在光栅显示110上。标志位允许设置通道的优先权，或“层化”，这样当两个或多个通道发生叠盖时，只显示处于顶层的通道强度。另外，如果需要，可以在发生通道叠盖时将两个或多个通道的强度值叠加在一起。
如果需要，在显示光栅存储器90和100以及光栅显示110中作一些适当的支持性改动，光栅合并器80还可以将强度变化变换为色彩变化。
然后，参考图2，注意，为了简化，在该图中没有示出时钟和定时信号以及过程控制器180发出的控制信号。光栅扫描过程30根据地址控制器31产生的地址访问采集存储器20中的适当样本。地址控制器31接收时间分隔设定，并利用表1示出的部分信息编程。由此，它可以将那些时间分隔设定变换为地址，该地址代表包含在每个像素的强度判定中的压缩宽度和采集深度的预期组合。
地址控制器31按照过程控制器180指示的方向传送采集数据(见图1)，并向数据缓冲器32提供顺序的样本偏置和缓冲器选择信息。地址控制器31还标识每一列的端部，这样，可以适当地复位和锁存计数器模块36。实际上，这些控制是沿着数据管线传送的，这样控制可以跟踪数据流。当光栅更新的用时超过压缩过程时，压缩过程在当前压缩操作结束时中止。
表1时间/分隔编程表1时间/分隔编程
表1包含用于不同时间分隔设定的值。表1示出的最左列包含可以访问表中包含的特定数据行和数据组的索引号。下一列“时间分隔”包含体现本发明的第一个示波器的每一个水平设定的入口。“计数”列指示在相应的“时间分隔”设定中有多少个采集记录用作每个光栅扫描过程的输入。在等效时间操作(下面进一步描述)中，在每个光栅扫描循环中只处理256个记录中的一个记录。然而，只有在可比较的非-E.T.设定中，索引号#9，每分隔50ns，存储器中的缓冲器数目256是数字128的两倍。“尺寸”列表示在这种设定中每一光栅扫描记录内存储多少个数据点，而“使用”列表示在光栅扫描中实际使用多少个数据点。
列“E.T.或抽样”包含由采集硬件执行的、关于“等效时间”填充量或抽样量(等效为“舍弃“)的信息。等效时间采样是通过与实际上高于采集硬件执行速度的扫描速度或采样率相对应的多次采集有效地采集数据的技术。在等效时间采集产生的采集记录中，可能出现由“连续数据点”的非顺序采集产生的采集记录的假定特性和产生该记录的采样波形不具有精确重复性的事实而引起的异常。
倒数第二列“扩展/压缩”包含关于光栅扫描过程中执行的扩展量或压缩量的信息。它是扩展和压缩因子以及前列中的、确定哪个样本对采集存储器20中的记录有贡献并最终确定哪个样本影响传送给采集光栅存储器40的光栅扫描结果的等效数据填充或抽样因子的组合。对于工作在单通道模式的单采集存储器和光栅扫描部分，实际时间的6％用于采集，94％用于处理采集到的采集数据。
索引行#9，50ns时间分隔行，包含最高速的实时设定。行#9上方的所有行，即那些数据分隔快于50ns每分隔的行，需要使用等效时间采样，即多个记录的集合，并只使用每个记录中的部分数据点建立合并数据记录。例如，在行#0中，在250个采集中分别只选取两个数据点可以实现200ps每分隔。示波器每纳秒采集一次样本，这样，每个记录中只有两个数据点处于单个记录的时间桢内。在水平时基为200ps每分隔、每个显示10个分隔时，每个显示从一边到另一边只有2纳秒。将每250个记录中的两个样本合并在一起，500个记录每个显示，可以合成一个等效时间图像。
在索引号#9下面的行中，使用抽样限制记录长度，使用压缩缩短记录中包含的数据点在显示屏上占据的距离。例如，在500ms每分隔时，10个分隔宽的屏幕表示5秒钟。在一个样本一纳秒的采样速率下，在5秒钟内可以显示50,000,000,000个样本。按照10,000进行抽样可以得到500,000个数据点。利用压缩因子1000压缩这500,000个数据点，可以在每个显示中产生500个点，在每个分隔中产生50个点。
再次参考图2，来自由地址控制器31指定的采集存储器20的数据传送给数据缓冲器32。尽管数据缓冲器32可以保存总共64×16字节的数据，但是它实际上只是每16ns接收8字节。数据缓冲器32向样本-矢量变换器33提供一组8字节的采集数据，另外8字节由采集存储器20的下一次传送填充。每16ns 8字节等效于每个采集数据样本点平均占用2ns的访问时间。
来自采集存储器20的8比特数据定义了256个垂直电压值，而采集光栅存储器具有包含200个像素的垂直列。由此，存在56个由8比特输出定义的、不与200个垂直像素位置中的任何一个对应的额外电压值。当然，28表示低于与显示屏对应的200个垂直像素位置的底部的电压值，28表示高于200个垂直像素位置和屏幕顶部的电压。屏幕通常示出具有定义了8个显示垂直分隔的9条水平线显示的标线，每一分隔接收来自采集光栅存储器40中的每一列内的200个像素中的25个像素的数据。如下面进一步描述的，在该数据到达实际屏幕之前，将进行1-2垂直扩展，所以，最终显示的每个垂直(和水平)分隔对应于50个像素。
尽管28个顶值和28个底值并不直接影响每列中的200个像素，但是如下面进一步解释的，它们通过确定那些将影响到该列中的200个像素的矢量的斜率的计算而施加间接作用。对矢量斜率计算的影响将对该矢量中的像素将接收的增量强度值产生作用。
28个顶值和底值还具有另一个作用。如果激活“限幅屏幕”功能，并且所有的当前矢量均处于顶28个或底28个垂直地址中，即当前列中的所有点均在一个方向或另一个方向上偏离屏幕，那么将在采集光栅存储器40中的第1或第200地址上设置指示这种条件的特殊标记比特。
继续参考图2，样本-矢量变换器33检查3个样本点，N、N-1和N-2，并产生每个矢量顶信号和底信号。如果所有的信号数据均是单值的，那么两个数据点就足够了。然而，在数据中存在拐点的可能性需要使用三个数据点。样本-矢量变换器33向绝对值减法器34提供高(Hi)信号和低(Lo)信号。高信号和低信号可以具有最大为255个垂直增量的差异，因为它们是由每个8比特数据样本能够定义的全范围值导出的。绝对值减法器34产生垂直(或电压)变化值dV，并传递给查找表35。查找表35利用垂直变化值dV查找当前矢量的适当加权W。在此描述的实施例中，W的取值从0到31。通常，W的取值与dV/dT成反比关系。对于特定的时间-分隔设定，dT与待光栅扫描的每列像素代表的距离具有恒定的关系。关于如何计算W的其它信息，可以参考在此引用作为参考的、授予Siegel等人、题为“Graded Display of Sigitally CompressedWaveforms”的美国专利5,550,963。
样本-矢量变换器33还向200计数模块36提供一对顶信号和低信号。这些信号作为当前样本数据点的结果分别定义了由1到200的、确定了待绘无符号向量长度的值。定义区域中的每个计数器的计数随着W值(查找表35的矢量加权输出)的增加而增加。应当指出，与每个数据点相联系的8比特电压幅度数据在光栅扫描过程中可能受到巨大的扩展。因为它指定的位置对前数据点指定的位置的偏离可以达到全部垂直屏幕距离，所以作为矢量化一个采集数据点的结果，可以更新多达200个像素。因为存在19比特计数器和4标记比特，它们稍后在那些200个像素地址中的每一个上被压缩成21比特的信息，所以对8比特的单数据点进行的所有光栅扫描过程可能影响21比特采集光栅存储器40中的多达4，200个比特。由此，防止这种数据扩展不必要地阻碍采集存储器和光栅扫描部分200的波形处理量，也就是整个数字示波器的波形处理量，是十分重要的(假定可以得到有限数目的这种部分)。
现参考图3，详细地示出了200个计数器模块36和锁存器37及其输入和输出。图3的左边部分是一组200个4比特通道标记寄存器36B。图3的中间部分是一组200个19比特计数器36A。选择计数器模块36中的计数器长度为19比特部分是为了与另一应用中使用的同一电路兼容。因为W的最大值为31，219/31＝16912，所以由该深度得到的最大压缩因子是16,000。
顶和底输入信号的字长分别为8比特，表示200个19比特计数器的一个。加权W是指定值从0到31的5比特信号，顶和底定义的矢量中的每个19比特计数器将按照该加权递增。图3的右边部分是一组200个23比特锁存器37。这些200个23比特锁存器37为输出而保存200个4比特通道标记寄存器36B和200个19比特计数器36A阵列的内容，并(利用清除信号)清除那些寄存器和计数器，将其用于累加下一数据列。这种计数器阵列实现起来较昂贵，它通常能够以低于可从采集存储器访问样本数据的速率绘出矢量。在这些计数器中包含锁存器37，有可能在更新当前数据的同时在计数器中绘出下一列，由此充分利用了这一资源。
利用加法器38，在一系列读取-修改-写入操作中，将200个23比特锁存器37组中的19比特强度数据添加到采集光栅存储器40的适当列中的已有内容上。在同样的读取-修改-写入操作中，4比特的通道标记与来自采集光栅存储器40的相应比特位作或运算。只够描述复用到一个采集存储器和光栅扫描部分200中的通道的数目的通道标记比特通过舍弃强度描述能力的MSB而打包为每像素21比特。
当使用优先权编码确定通道叠盖区域中的强度时，每个通道具有较低的处理量，但需要的动态范围较小。当对于四个通道叠盖区域均叠加在一起时会发生最坏的情况(不是由具有优先权的通道确定显示哪个强度)。那么只有17比特可用于强度信息，并且由于叠盖强度的累加它们将很快饱和。因为最大强度更新加权W是31，所以导致饱和的最小更新数是217/31＝4338。当每秒采集100,000个波形时，每4338次采集需要一次更新意味着所需的最小更新率为每秒23次。因为正常更新率在每秒30至60次之间，所以这一要求很容易满足。通道标记打包到每像素21比特中，抛弃了描述强度能力的MSB。只舍弃了处理在一个采集存储器和光栅扫描部分200中进行光栅扫描的通道的号码所必须的比特。
采集光栅存储器40需要268K字节的存储器以支持200×500的像素阵列。可以同步访问该存储器的8个字节。因此，每一次访问包含用于每3个像素的21比特数据(浪费1比特)。200个像素的列需要67次每次访问3个像素的访问。由此，8(字节/访问)×67(访问/列)×500(列/显示)＝268K(字节/显示)。
现参考图4，在实际构造的实施方案中，发现将采集存储器20和采集光栅存储器40合并到一个较大的复合采集存储器20、40中是高效的。同样，到目前讨论到的内容为止，所作的描述限于传统的、电压时变或“YT”显示，从图4可以看到，还可以将其它模式，例如“XY”和“XYZ”，集成到一个总体设计中。地址源选择器46具有作为一个源的ET/XY/XYZ寻址源41，以及光栅地址发生器45和两个在此表示为256×16 RAM 31A和2×8指针扩展31B的地址控制器31(图2的)部分。指针扩展用于光栅扫描大于65536的单缓冲器。因为，光栅扫描过程要么在大量的小缓冲器上操作，要么在单个大缓冲器上操作，或者是介于两者之间的某种缓冲器，所以必须在浪费的RAM空间和一次光栅扫描所能覆盖的长度及数量之间作出折衷。
继续将图4所示内容与前面在图2中讨论的内容相联系的过程，样本处理器33’对应于样本-矢量变换器33。图4没有示出在图2中区分开的顶信号和底信号、高信号和低信号之间的差别，但是示出了底信号是通过多路复用器44到达寻址源ET/XY/XYZ 41的一个电压输入，它的另一个输入是“选择A/D数据”。“选择A/D数据”在XY和XYZ模式中使用，在XY和XYX模式中没有使用数据处理器、采集数据缓冲器、对强度映射的导数和采集队列指针。在等效时间(ET)操作中没有使用相对于强度的导数的映射34、35和计数器模块36。
作为21比特饱和加法器的三个实例，图4更加详细地示出图2所示的加法器38。饱和加法器不会溢出或产生MSB进位，而是在它们饱和时保持在最大值。对(合并)采集存储器20、40的读取访问和写入访问分别需要16ns和64比特的字宽。因此，在每32ns内可以对三个21比特像素进行读取-修改-写入循环。每个像素更新的平均时间为10.67ns。因此，更新列中的所有200个像素需要的最长时间是67×32ns或2.144μs。因此，如果每列的输入数据包括来自采集存储器20的134×8/7＝154个数据点，那么采集光栅存储器40的更新时间将不会限制光栅扫描的速度，而光栅扫描过程自身的速度将成为一个限制因素。因为可以访问(合并)采集存储器20、40使其每16ns就并行提供8字节的数据，所以读取采集波形数据的速度8倍于数据处理速度是可能的。因为数据缓冲器32可以保存多达128个8字节的、用于并行处理的采集段，所以利用光栅扫描过程的输出，(合并)采集存储器带宽的87.5％可以用于更新采集光栅存储器。
在该设计中，如果每列的像素数目是200(M＝200像素/列)，更新像素所需的平均时间是10.67ns(P＝10.67ns/像素-更新)，光栅扫描仪的处理量速率是2.134μs/列(M×P＝2.134μs/列)。然后，如果描绘基于单个新数据点的向量所需的时间是16ns(D＝16ns/样本对)，访问采集数据的单个样本对所需的平均时间是2ns(A＝2ns)，那么更新采集光栅存储器的可用时间是D-A，或14ns。由此，用于保证光栅扫描仪完全充满的、每列中的采集像素N和每列中的压缩像素C的最大组合N×C(假定可以获得足够的触发)是N×C＝(M×P)/(D-A)，或N×C＝(2134ns/列)/14ns，或N×C＝152.4像素。如果已知适当的压缩因子C，那么就可以根据N＞152.4/C计算出N。这一有效功能对于图4所示的设计是明确的，其中输出带宽和输入带宽共用单个总体存储器带宽，即D减去A。
结合图2可以提出更加一般化的高效功能，其中输入和输出带宽是相互独立的。在这种情况下，当C、P和M均已确定时，理想的采集数目N是N＝(M×P)/(C×D)。按照这种方式设计和控制示波器光栅扫描仪，就有可能在所有的时间/分隔上以恒定的样本/秒速率向屏幕提供图像，如果存在足够数量的触发。为了保持均匀的采集速率，具有的采集缓冲器是单次光栅扫描中所使用的采集缓冲器的两倍是很重要的。这样，采集持续地提供给当前没有用于光栅扫描的缓冲器。这些缓冲器或者可以配置成交替地进行采集和光栅扫描的两个组，或者配置成圆形缓冲器序列，光栅扫描在显示更新的最后期限或者当已经采集到预定数目的记录时开始。
再次参考图1，200×500每像素21比特采集光栅存储器40的内容“映射到”50具有相同平面(200×500)尺度的第二、较浅深度的、每像素4比特采集光栅存储器60中。该较短的每像素4比特采集光栅存储器60仍包含200×500个像素地址，但是每个像素只具有与之相关的强度信息的每像素4比特，结果只能显示16级强度。这种“映射”50是通过(单值地)定义了16种强度值边界的15个断点实现的。在一种实施方案中，映射器50可以在每16ns内并行地处理三个21比特的像素值的输入。这种方法需要在三个21比特像素值的16ns读取时间和相应地将五组，每组由三个4比特像素值组成，像素值输出写入8比特字宽的存储器中所用的16ns写入时间之间存在几个管线延迟。因为，映射操作依赖于对存储在采集光栅存储器40中的数据的使用，所以输出这种数据是对充分使用有限带宽的另一个限制。对于每次显示更新，用于映射的数据输出耗费的时间大约是600μs，或者大约是0.6ms/30ms。这使得光栅扫描过程的效率降低2％。
短的每像素4比特采集光栅存储器60的内容通过直接存储器访问(DMA)过程70直接传送给显示部分300中的光栅合并器80。显示部分300包含两个显示光栅存储器90和100。这些光栅存储器也是每像素4比特的，或者可以包含用于通道标识和着色的附加比特。四个标识比特可以标识多达四个独立通道或16种通道组合。
尽管两个显示光栅存储器90和100中的一个90向光栅显示110提供用于当前显示的数据，但是其内容还可以通过光栅合并器80与短的每像素4比特采集光栅存储器60的内容合并。该过程的输出保存在另一个显示光栅存储器100中。在显示100的垂直回扫时间内，两个显示光栅存储器90和100的功能互换，然后光栅合并器80的输出存储在相对的显示光栅存储器90中，而其输入和光栅显示110的输入提供给显示光栅存储器100。在光栅合并过程中，采集光栅存储器中的200个垂直地址在两个显示光栅存储器90和100中扩展为400个。在简单实施方案中，这可以通过复制每条数据线实现，尽管，如果需要，可以使用更加精密的装置，例如线上和线下进行平均。
尽管在一种仪器中，每个采集存储器和光栅扫描部分200只处理与示波器的一个通道相联系的数据，但是在另一种实施方案中，有可能将来自多个通道的数据存入单独的采集存储器和光栅扫描部分200中。如果这样，来自不同通道的样本将在每个“采集”存储器记录中交叉在一起，这样，来自特定通道的每个样本对应于数据记录中的一部分恒定的、预定的地址号码。回溯(harking)模拟示波器中的术语，其中有可能具有通过复用单个水平时基来显示的两个或多个信号的“斩波”视图，这种使用采集存储器和光栅扫描部分200的方式称为“斩波”模式。当来自不同通道的数据在斩波模式中交叉时，光栅扫描过程40在对应于每个像素的额外比特中标记与各个通道对应的数据，这样以后可以确定哪一个通道影响了每个像素的内容。在200个计数器模块36中，具有四个用于通道标记的额外比特以及构成计数器一部分的19比特。
为了在上述系统中保持最大处理量，采集数据是成批地进行处理的。为了保证采集数据流恒定地以必须的速度提供给光栅扫描过程，下一次采集必须在从上次采集结束算起平均单次采集光栅扫描时间已经结束之后启动。然而，通过取样数据，并将其移入采集存储器而启动采集，却不知道下一次触发什么时候出现，甚至不知道是否会出现。然而，采集存储器和光栅扫描部分200的用途是保证数据没有任何明显中断地流向显示部分300。因此，光栅扫描过程30不能无限制地等待待接收的触发，如果它持续输出数据的能力由于行为原因而变得不可能的话。
为了处理这种问题，过程控制器180跟踪下一次采集应当进行却没有进行之后所经过的时间。当这种“迟后触发间隔”已经结束时，过程控制器180询问触发电路15以确定是否已经收到触发。如果已经收到触发，那么放弃在任何情况下都即将完成的采集是无意义的。然而，如果没有收到触发，过程控制器180也没有收到来自触发电路15的、响应于查询的“触发接收”信号，那么它将“放弃”当前采集过程，并将部分结果发送给强度映射电路50(通过非线性校正电路130，如果存在的话)。通常，迟后触发间隔是连续采集时间间隔的10倍。这允许大约在90％的时间里检测到具有均匀分布的低速触发。这种解决方法产生另一个问题，即存在按照大约等于正常采集延时加上迟后触发间隔的间隔到达的周期性低速触发。为了避免丢失几乎所有的这些触发，可以在某些时间内随机地调节迟后触发间隔，例如，由正常采集速率值的10倍的50％变化到150％。
上述设计，及其每像素21比特采集光栅存储器40和具有数据的高处理量可变强度光栅扫描过程30的深度统计数据库，产生在现有光栅扫描仪中观察不到的可见赝像。具体地讲，采集过程10中A/D差分的非线性(A/D DNL)使显示110中出现水平带状物。同样，当时基的选择需要使用等效时基设定时，时间内插器的非线性(TINL)使显示110中出现垂直带状物。
首先，参考图5，随着像素强度数据由采集光栅存储器40移向强度映射过程50，非线性校正电路130可以补偿这些因素。再参考图6A和6B，各个像素强度可以连续地乘上校正系数，利用乘法器131校正A/D差分的非线性，利用乘法器132校正时间内插的非线性，如图6A所示，或者首先将A/D DNL和TINL校正系数相乘133，然后利用乘法器134将复合校正系数施加到像素强度上，如图6B所示。
返回图5，校正系数通过校正查找表150提供给非线性校正电路130。作为校正系数，A/D NDL和TINL均可以逐像素地变化，校正查找表150可以通过图2所示的来自光栅地址发生器45的光栅地址进行访问(如果需要，可以具有适当的延时)。如果使用线性校正，那么强度映射电路50的输入将来自图6A中的乘法器132的输出，或者来自图6B中的乘法器134的输出，在图5中线性校正的一个或另一个表示为非线性校正模块。
校正查找表150所需的校正系数可以在工厂确定，或者通过内建的设备校正软件确定。如果DNL和TINL相对于设备的寿命及其所处的温度是稳定的，那么一组工厂确定值将是有效的。否则，设备信号通路补偿软件将在需要提高精度时应用户的请求进行校正。
确定A/D DNL补偿系数可以通过向A/D变换器提供理想的正弦波或其它已知的理想波形、将波形数字化、并累计每一数字值的命中率的统计信息来完成。采集到的关于波形处于每个电压值的时间比例的统计信息可以与已知的理想波形统计信息相比较，以确定使统计信息匹配的适当校正系数。
为了确定针对时间内插器的非线性校正系数，将与显示器异步的快速触发提供给触发电路，并将撞击的分布直方图与理想的精确线性时间内插器期望得到的均匀平均值相比较。再次，适当的补偿因子使实际数据产生理想的均匀性。
根据上述的光栅扫描方法，执行采集数据的线性强度累加的含义是累加强度的一般值直接比例于累加的采集次数。每次更新屏幕时，该光栅都周期性地清除或余辉消失。如果两次更新之间的时间不是恒定的，因为这通常不是由其它处理器行为、其它显示行为、或与数据有关的光栅拷贝次数引起的，那么累加采集光栅存储器内容的固定比例可以引起可观测到的、与信号无关的强度变化。同样，如果在两次显示更新之间将指数余辉施加给累计采集光栅存储器内容，那么在映射中将存在一个总体强度的初始间歇建立，直到到达quo状态。这些作用均是不需要的、期望消除的赝像。
尽管将采集线性累加为强度变化在过程的光栅扫描仪端是最容易实现的，但是用户认为的最优显示可能是更加非线性化的。例如，用户有时可以强烈地关注最偶然事件，因此期望将所有的非零像素映射为显示可以产生的最亮强度。另外，可能存在一定的像素命中率范围，和相应的累加强度，用户期望将其映射到动态强度变量的所有范围，以便更加清楚地区分受采集数据影响的频率间的细微差异。
上述目的组可以利用用户可控的、允许控制传递曲线的增益和偏置的映射函数实现。从用户的观点来看，这种控制可以分别是对比度和亮度。传递函数可以修改的装置，当它的实现如图7显示和描述的那样时，可以控制最大像素强度参考值的幅度、控制组成映射函数的15个断点部分的尺寸。15个断点中的每一个由相应部分乘以最大像素强度参考值来确定。各个部分定义了用户可以修改的归一化传递函数，而最大像素强度值为采集光栅存储器中的预期数据累加提供比例因子。
现参考图5&7，强度映射过程50由断点值控制。图7示出这些断点是如何用在强度映射器电路中以便以预期的方式实现每像素比特缩减的。15个断点值的配置确定了将由每像素4比特映射产生的16个强度值的边界。
图7所示的电路在降低像素比特数时是作为连续近似数字化器工作的。然而，首先每像素21比特强度值必须经过修正以去除所有的标志比特。标志比特，如果存在的话，将是最高位比特(MSB)，这种比特将至多有四个，四个MSB通过与门(AND)51与4比特标志模板作与运算。标志比特/值表59示出存在的标志比特数，示于左列，是如何利用示于右侧的、表示十六进制值的比特掩蔽的，由此由17比特产生完全代表输入像素强度值的21比特。
输入像素强度值与断点8进行比较52，该断点的值对应于掩蔽输入像素强度值中的比特数的MSB，即最大输入像素强度值的一半。如果输入像素强度值大于断点8的值，那么映射出的每像素4比特强度值中的比特3(MSB)将等于1。相反，如果输入像素强度值小于断点8的值，那么映射出的每像素4比特强度值中的比特3(MSB)将等于零。类似地，输入像素强度值与分别代表输入像素强度值范围的1/4和3/4的断点4或断点12进行比较。比较值是等于1/4还是3/4决定于根据前次比较52的结果选择了多路复用器53的哪一个输出。
类似地，头两次比较的结果选择多路复用器55的某个输出，输入像素强度值与分别代表最大输入强度值的1/8、3/8、5/8或7/8的断点2、6、10或14进行比较56。比较56的结果是映射出的4比特强度值的比特1。该过程额外重复一次，多路复用器57的输出是断点1、3、5、7、9、11、13、或15中的一个，这决定于头三次比较52、54、56的结果，输出与输入像素强度值比较58以确定比特0的状态。该过程的输出，也可以用二进制搜索确定映射出的值，是每像素4比特强度值。
尽管输入像素强度值和断点通常是21比特整数，如果存在标志比特，那么输入像素强度值MSB强制为零，而且断点限制在一定的范围内。这作为降低值最大像素强度参考值的一部分按比例降低了所有断点的值。
除上面详述的实现之外的其它实现也可以用来执行实际映射。硬件或软件实现的查找表、或者软件算法实现的二进制搜索或其它分类功能也可以根据断点及其表示的分数将输入像素强度值变换为输出像素强度值。本发明最重要的部分和真正价值是可以按照不同的方式改变最大像素强度参考值，还能够可变地定义断点，由此定义了两种像素强度表示之间的传递函数。输入比特数和输出比特数是可调节的，只要输出比特数小于输入比特数。可能的输入强度值数目N可以不是2的乘方。用于实现传递函数的分数和断点的数目可以小于N-1，由此改变并部分地破坏映射函数的对称性。
还存在许多有趣的、建立最大像素参考值的可行方法，以及简单地确定由更多数目的输入比特表示的最大像素强度值的方法。操作员通过使用“亮度”控制可以设定最大像素强度参考值。实际实现的另一种方法允许操作员在“自动亮度调节开启”模式和“自动亮度调节关闭”模式之间进行选择。在自动亮度调节开启模式中，最大像素参考值可以是最大输入像素强度值的实际强度值的函数，如位于数据通路中某处的硬件或软件所测量的。相反，在自动亮度调节关闭模式中，最大像素参考值可以是强度数据累加到采集光栅存储器40中的时间量的函数。尽管前面使用的自动亮度调节模式概念在当前是优选实施方案，但是开启模式依赖于除最大输入像素强度值的实际强度值之外的一些其它因素，或关闭模式依赖于除采集时间之外的一些其它因素。
最大像素强度参考值还可以是存储在采集光栅存储器40中的像素的平均像素强度值的函数。另外，最大像素强度参考值还可以是存储在采集光栅存储器40中的像素的平均非零像素强度值的函数。
在自动亮度调节关闭模式，如开始在上面讨论的，使用的最大像素值是直接比例于将采集累加到图像中所用的时间量的理论最大像素强度值。这种自动亮度调节关闭选项是总过程复制模拟示波器的赝像，即显示强度依赖于用户触发率。在某些情况下，这可以为用户提供额外信息，具体地说是信号速率的定量指示。在其它情况下，这种行为是不能采用的，由此选择自动亮度调节开启模式，自动地将所有事件调节到实际满偏强度。在与由根据接收到的实际最大像素强度的比例导出的图像相比较时，使用只根据采集所用时间的理论最大像素强度能够产生图像失配。通常，当存在大量触发时，期望系统产生同样的图像，而不论使用哪一种参考。实际上，它们可能是不同的，因此期望允许用户能够控制所使用的方式。
根据最大摆动速率，将出现最大像素强度的宽动态范围。例如，对于具有恒定电压值的信号，最大像素强度值是在与一个像素列相关联的时刻将显示的所有200个电压值扩展开的信号的最大像素强度值的200倍。如果施加dV/dT加权因子W，那么这种总强度值的变化将更大。该加权因子W在具有最大值和无垂直变化的信号之间的强度差异中产生另一个因子31∶1，使总强度差异因子为6200∶1。一种补偿与强度变化相关(与触发相关相反)的这种信号的方法是用效率因子乘以时基理论最大像素强度。该效率因子是基于实际最大像素强度与期望理论最大像素强度之间的比值的，它等于压缩因子乘以采集计数。总之，系统进行如下计算理论最大像素强度＝采集计数×比例因子×(实际最大像素强度/(采集时间×压缩因子))。
然而，计算最大像素强度参考值的另一种方法是根据平均非零像素强度或包括零值像素的平均像素强度。在一种实现中，硬件包括计数所有非零像素和全部像素强度和的装置，可以使用这些方法中的一种。
再参考图5，强度映射50的输出由强度变换器120进行处理，如果且只有当偶然事件突出使能信号有效时。当操作员想突出偶然事件、隐去经常事件时，操作员控制可以激活该信号。当信号有效时，强度变换器120改变像素亮度以突出偶然事件。在其最简化实现中，这意味这补偿所有的非零像素强度。这使最暗像素变得最亮，最亮像素变得最暗。中间亮度像素受到的影响很小，或完全不受影响。另外，利用一个或多个查找表可以实现更加复杂的算法。这种表的产生和选择都受用户的控制，并可以包括各种映射，该映射允许用户在出现频率之间进行选择以确定是用强度还是用色彩来使人注目。
尽管已经描述和示出了本发明的优选实施方案，但是本领域的技术人员应当清楚的是在更广阔的范围内不偏离本发明的条件下可以作出一些变化和修改。因此，下述权利要求的意图是覆盖各个专利权授予国的专利法所允许的、所有这些变化和修改。
权利要求
1.将用较多比特数表示的输入像素强度值映射为用较少比特数表示的输出像素强度值的方法，包括以下步骤建立N个将特定输入像素强度值映射到其中的输出仓，数字N等于或小于较少比特数所能表示的最大数字值；选择N-1个分数值，每个值均大于0、小于1。设定最大像素参考值；最大像素参考值乘以N-1个分数值中的每一个值，以建立N-1个断点值；和利用N-1个断点值将输入像素强度值归类到N个输出仓中，以确定代表输出像素强度值的较少比特数的状态。
2.根据权利要求1的映射方法，其中选择步骤包括以下步骤使用的分数形式是1/2；1/4，3/4；1/8，3/8，5/8，7/8；1/16，3/16，5/16，7/16，9/16，11/16，13/16，15/16；等；即对称二叉树。
3.根据权利要求1的映射方法，其中选择步骤包括以下步骤使用形式为1/2k的分数，k由1到N-1。
4.根据权利要求1的映射方法，其中选择步骤包括以下步骤使用形式为1-(1/2k)的分数，k由1到N-1。
5.根据权利要求1的映射方法，其中乘法步骤还包括以下步骤在利用步骤中使用断点之前，将每个断点值乘以赝像去除因子。
6.根据权利要求1的映射方法，其中设定步骤还包括以下步骤确定较多比特数可以表示的最大像素强度值。
7.根据权利要求1的映射方法，其中设定步骤还包括以下步骤允许操作员利用亮度控制设定最大像素参考值。
8.根据权利要求1的映射方法，其中设定步骤还包括以下步骤允许操作员在第一模式和第二模式之间作出选择；和当处于第一模式时，使最大像素参考值随实际最大像素强度值变化；和当处于第二模式时，使最大像素参考值随强度数据在包含输入像素强度值的采集光栅存储器中的累加时间变化。
9.根据权利要求8的映射方法，其中，当处于第二模式时，最大像素参考值还额外地随实际最大像素强度值与理论最大像素强度值的比值变化。
10.根据权利要求1的映射方法，其中设定步骤还包括以下步骤允许操作员在第一模式和第二模式之间作出选择；和当处于第一模式时，使最大像素参考值随最大输入像素强度值的实际强度值变化；和当处于第二模式时，使最大像素参考值随除最大输入像素强度值的实际强度值之外的一些因素变化。
11.根据权利要求1的映射方法，其中设定步骤还包括以下步骤允许操作员在第一模式和第二模式之间作出选择；和当处于第一模式时，使最大像素参考值随强度数据在包含输入像素强度值的采集光栅存储器中的累加时间变化；和当处于第二模式时，使最大像素参考值随除强度数据在包含输入像素强度值的采集光栅存储器中的累加时间之外的一些因素变化。
12.根据权利要求11的映射方法，其中，当处于第二模式时，最大像素参考值还额外地随实际最大像素强度值与理论最大像素强度值的比值变化。
13.根据权利要求1的映射方法，其中设定步骤还包括以下步骤根据包含输入像素强度值的采集光栅存储器中的非零像素平均强度值确定最大像素参考值。
14.根据权利要求1的映射方法，其中设定步骤还包括以下步骤根据包含输入像素强度值的采集光栅存储器中的像素平均强度值确定最大像素参考值。
15.根据权利要求1的映射方法，其中利用步骤还包括以下步骤将N-1个断点提供给适于实现连续近似二叉树的电路。
16.根据权利要求1的映射方法，其中利用步骤还包括以下步骤在表中查找输出像素强度值，表中的内容是将N-1个断点作为产生不同输出像素强度值的输入像素强度值的值之间的边界。
17.根据权利要求1的映射方法，其中利用步骤还包括以下步骤利用软件实现、利用计算机或微处理器执行算法，并根据N-1个断点将输入强度值归类，以产生输出像素强度值。
全文摘要
一种新型示波器设计通过有效的高速采集和将这种数据变换为包含每像素多比特强度信息格式的光栅扫描提高了对采集到的电压时变数据的处理能力。每像素多比特可变强度光栅扫描仪针对最大处理量和存储器带宽的最高效使用进行优化。在出现不规则触发率时,光栅扫描中止功能提供了捕获与低速触发相联系的数据的高度可能性。电路用于补偿采集时间和幅度的非线性。通过为操作员提供多种观察能力的可控传递函数,将每像素多比特强度信息映射为每像素少比特格式。另一种操作模式利用变化的强度或色彩相对于经常发生事件突出偶然事件。
文档编号G09G5/36GK1245293SQ9910481
公开日2000年2月23日 申请日期1999年4月5日 优先权日1998年4月3日
发明者R·I·西格尔, E·P·埃瑟里奇, T·恩古云 申请人:特克特朗尼克公司