数字波形操纵模块及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种数字波形操纵模块，包括依次相连的信号调理模块、波形采集模块、波形位图维护模块、显示器，波形位图维护模块的输出端连接有直方图统计及波形特征提取模块，作为所述数字波形操纵模块人机操作界面的输入键盘与一主控制器相连接；还公开了一种数字波形操纵方法，直方图统计及波形特征提取模块通过统计和分析数字波形操作模块显示波形的水平和垂直直方图的方法，提取包含较丰富的有效信息的垂直特征点、水平特征点、同步触发范围、触发特征点位置，在进行设置垂直放缩参考点、水平移动波形、垂直移动波形、设置触发电平等波形操纵时直接到达上述波形特征点位置，使得操作更快速、准确。
【专利说明】数字波形操纵模块及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数字式电子测试仪器领域，特别是涉及一种带有数字波形显示的电子测试仪器的数字波形操纵模块及其波形操纵方法。
【背景技术】
[0002]在带有数字波形显示的电子测试仪器中，以通用的数字示波器为例，为了更方便进行波形观测，一般通过示波器面板上的输入按键及旋轮进行波形操纵。基本的操纵波形的方式是在水平、垂直两个方向放缩或移动波形，并设置合适的触发电平位置以在显示屏幕上得到稳定的波形显示。
[0003]数字示波器波形显示区域一般划分成水平方向10个大格、垂直方向8个大格。
[0004]水平方向的每格信号大小以“秒/格”进行度量，一般通过“水平灵敏度调节旋钮”调整波形在水平方向的每格信号大小；为方便描述，下面把调整波形在水平方向的每格大小的操作称作“水平放缩”。
[0005]垂直方向的每格信号大小以“伏/格”进行度量，一般通过“垂直灵敏度调节旋钮”调整波形在垂直方向的每格信号大小；为方便描述，下面把调整波形在垂直方向的每格大小的操作称作“垂直放缩”。
[0006]显示波形上的每一个点在水平方向的坐标以其相对于触发点的时间间隔进行度量，触发点的时间为O秒。进行“水平放缩”时有一个放缩参考点，称为水平放缩参考点，以此参考点为中心进行水平放缩；一般将水平放缩参考点设置在波形屏幕中心处、距波形屏幕左边缘一格处，或距波形屏幕右边缘一格处。如果想以某个波形上某个时间点水平放缩这个波形，就需要首先把波形的这个时间点移动到显示屏幕的水平放缩参考点处，然后执行水平放缩。
[0007]显示波形在屏幕上的水平位置以触发点相对于水平放缩参考点的时间间隔来表示，水平放缩参考点处的时间称为水平延迟时间，一般采用固定步距法通过“水平延迟调节旋钮”调整波形在水平方向的显示位置。
[0008]显示波形上的每一个点在垂直方向的坐标以其相对于地电平的电压进行度量，地电平的电压为O伏。进行“垂直放缩”时有一个放缩参考点，称为垂直放缩参考点，以此参考点为中心进行垂直放缩。现有技术存在两种垂直放缩参考点设置方式:屏幕固定显示点方式和波形固定电压点方式。
[0009]屏幕固定显示点方式是将波形放缩参考点固定设置在波形屏幕的垂直中心处，当需要以波形上某一个电压点为中心进行放缩时，就把此点移动到波形显示屏幕的垂直中心处。当在波形显示区域上下并排显示多个波形时，如果想以某个波形上某个电压点垂直放缩该波形，就需要首先把该波形的上述电压点移动到显示屏幕的垂直中心处，然后执行垂直放缩，可能完成垂直放缩后还要移动这个波形到原来的显示位置。屏幕固定显示点方式下，各波形在波形屏幕的垂直中心处的电压称为波形的偏移电压。
[0010]波形固定电压点方式是将垂直放缩参考点固定设置在波形某一特定电压点处，一般是执行自动设置指令后自动设置在零电压位置。因为不同信号的垂直电压范围可能千差万别，需要放缩的位置又可能不是在信号零电压位置，现有技术采用固定步距法调整垂直放缩参考点到需要的波形电压位置。
[0011]垂直移动波形的操作将改变波形在屏幕上的垂直显示位置，一般采用固定步距法通过垂直偏移调节旋钮调整波形在垂直方向的显示位置。
[0012]触发电平调节操作将改变与通道输入信号比较的比较电平大小，只有当触发电平位于通道输入信号内信号电压有较快速变化的范围内时，才能够产生稳定的触发信号，使得波形屏幕上的显示波形能够稳定显示。一般采用固定步距法通过触发电平调节旋钮调整触发电平的位置。
[0013]对于波形观测，测试者通常关注的是波形中包含较丰富的有效信息的位置，具体在水平方向就是波形边沿附近、垂直方向是波形平台附近。在观测波形的活动中，放缩波形、移动波形、测试波形等操作经常是围绕这些波形关键位置展开的。要定位到一个波形关键位置，当前技术中普遍采用固定步距法，固定步距法的单位步距较小、移动效率低，并且手动调节方式不容易准确定位在波形关键点上。随着屏幕尺寸不断变大、屏幕分辨率不断提高、显示屏幕上观测的波形数不断增多，相关参数的调节也越来越不够方便。
[0014]因此亟需提供一种新型的数字操纵方法来解决上述问题。
【发明内容】
[0015]本发明所要解决的技术问题是提供一种数字波形操作模块及其方法，能够使操作者通过更少的操作步骤快速、准确地实现波形操作目的。
[0016]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种数字波形操纵模块，包括依次相连的信号调理模块、波形采集模块、波形位图维护模块、显示器，信号调理模块的输入端输入信号，一个输出端连接触发控制电路，触发控制电路的输出端连接一时基电路，时基电路的输出端连接波形采集模块，波形位图维护模块与波形位图存储器相互连接，波形位图维护模块的一输出端连接有直方图统计及波形特征提取模块，所述数字波形操纵模块还包括一主控制器，主控制器的一端连接作为所述数字波形操纵模块人机操作界面的输入键盘，主控制器的另一端与数字波形操纵模块的各部分相连接。
[0017]在本发明一个较佳实施例中，所述输入键盘包括通用输入旋钮、触发电平调节旋钮、垂直偏移调节旋钮、垂直灵敏度调节旋钮、水平延迟调节旋钮、水平灵敏度调节旋钮。为了和当前技术的固定步距操纵机构进行有机融合，为本发明所述波形操纵方法提供一套独立的人机操作界面。
[0018]为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是:提供一种数字波形操作方法，包括以下步骤:
[0019]由直方图统计及波形特征提取模块分析经过波形位图维护模块处理生成的波形位图存储器中的波形显示数据，计算出数字波形操作模块中各路显示波形的波形特征点，其包括垂直特征点、同步触发范围、触发特征点、水平特征点，主控制器利用计算出的波形特征点响应输入键盘对数字波形相关参数的调节及波形操纵；
[0020]波形特征点的计算方法如下:
[0021](I)统计波形电压直方图:针对波形显示窗口范围内的每个显示波形迹线的波形点的值统计波形电压直方图，对波形电压直方图进行平滑滤除得到平滑后的电压直方图；
[0022](2)计算波形电压平台位置:分析平滑后的电压直方图，电压直方图中低电平到高电平与高电平到低电平两个跳变沿之间的区域为波形电压平台，计算每个波形电压平台的中点，作为波形电压平台位置；
[0023](3)提取波形垂直特征点:分析平滑后的电压直方图得到最大点位置、最小点位置，每相邻两个波形电压平台的中点及每个波形的波形电压平台位置，整个波形的中点，定义为波形垂直特征点；
[0024](4)计算同步触发范围:计算各相邻波形电压平台间的范围，作为同步触发范围；
[0025](5)计算触发特征点:计算同步触发范围中10%、50%、90%三个位置点，作为触发特征点；
[0026](6)统计波形时间直方图:针对各波形电压平台窗口范围内的波形点的值统计每个波形电压平台范围内的波形时间直方图；
[0027](7)计算波形水平特征点:搜索波形时间直方图中各个波形电压平台的每个跳变沿位置，取每相邻两个跳变沿的中点，作为水平特征点。
[0028]在本发明一个较佳实施例中，利用波形垂直特征点快速设置波形垂直放缩参考点的波形操纵方法:通过输入键盘切换垂直放缩参考点位置为各波形垂直特征点之一，当显示的波形变化导致垂直放缩参考点位置不包括在波形显示范围内时，自动调整波形垂直放缩参考点位置到波形内最接近的波形垂直特征点位置。
[0029]在本发明一个较佳实施例中，利用波形垂直特征点快速调节波形垂直位置的波形操纵方法:垂直移动波形时，将当前垂直放缩参考点位置的波形移动到移动方向下一个数字波形操作模块的屏幕整数格位置。
[0030]在本发明一个较佳实施例中，利用同步触发范围及触发特征点设置触发电平的波形操纵方法:操作输入键盘的自动设置键进行数字波形操作模块的自动设置时，设置触发电平在接近波形中心的触发特征点上；操作输入键盘手动调节数字波形操作模块的触发电平时，依次设置触发电平在移动方向各触发特征点上；当主控制器检测到触发电平超出同步触发范围时，由数字波形操作模块自动调整触发电平在接近波形中心的触发特征点上。[0031 ] 在本发明一个较佳实施例中，利用波形水平特征点快速调节波形水平位置的波形操纵方法:设置波形水平放缩参考点在数字波形操作模块的屏幕中心处、或距屏幕左边缘一格处、或距屏幕右边缘一格处，水平移动波形时，依次设置水平放缩参考点位置在移动方向各水平特征点的时间上。当水平放缩参考点位置已经处于调整方向最后一个水平特征点位置时，再次调整波形偏移时，按数字波形操作模块的屏幕上一格步距调整。作为特例，对于延迟时基波形，当窗口内延迟时基波形在水平移动方向上不存在波形水平特征点时，从窗口内主时基波形寻找移动方向的下一个波形水平特征点，以其对应时间作为窗口内延迟时基波形的水平放缩参考点位置。
[0032]本发明的有益效果是:本发明通过建立一种数字波形操作模块，从波形显示数据中提取包含较丰富且有效信息的波形特征点的位置，所述波形操作方法则利用该波形特征点位置，在操作带有数字波形显示的电子测试仪器时直接到达所需波形关键点位置，快速方便操作，准确高效定位。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1是本发明数字波形操纵模块一较佳实施例的结构框图；
[0034]图2是所述输入键盘的结构示意图；
[0035]图3是所述直方图统计及波形特征提取模块计算波形特征点方法的流程图；
[0036]图4是所述直方图统计及波形特征提取模块计算波形特征点的示意图；
[0037]图5是数字波形操作模块的屏幕显示波形示意图；
[0038]图6是双时基波形水平移动方式示意图；
[0039]附图中各部件的标记如下:21、通用输入旋钮，22、触发电平调节旋钮，23、垂直偏移调节旋钮，24、垂直灵敏度调节旋钮，25、水平延迟调节旋钮，26、水平灵敏度调节旋钮，41、显示波形迹线，42、波形电压直方图，43、平滑后的波形电压直方图，44、波形电压平台范围线，441、442、波形电压平台，45、波形垂直特征点，46、波形时间直方图，47、波形水平特征点，51、波形垂直放缩参考点，52、波形水平放缩参考点。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0041]请参阅图1和图2，本发明实施例包括:
[0042]一种数字波形操纵模块，包括依次相连的信号调理模块、波形采集模块、波形位图维护模块、显示器，信号调理模块的输入端输入信号，一个输出端连接触发控制电路，触发控制电路的输出端连接一时基电路，时基电路的输出端连接波形采集模块，波形位图维护模块与波形位图存储器相互连接，波形位图维护模块的一输出端连接有直方图统计及波形特征提取模块，所述数字波形操纵模块还包括一主控制器，主控制器的一端连接作为所述数字波形操纵模块人机操作界面的输入键盘，主控制器的另一端与数字波形操纵模块的各部分相连接。
[0043]信号调理模块、触发控制模块、时基电路是具体实现波形操纵的控制电路。信号调理模块控制对输入信号的垂直放缩和垂直偏移，触发控制电路将输入信号与触发电平比较产生触发信号，时基电路控制以触发信号对应的时间点为参考点的波形采集窗口位置(对应于水平放缩档位和水平偏移位置)，波形采集模块对信号进行模拟数字变换并在时基电路的控制下进行波形采集，采集后的波形显示数据经过波形位图维护模块的处理后存储在波形位图存储器中，直方图统计及波形特征提取模块根据波形位图存储器中的波形位图数据计算波形特征点，计算结果由主控制器利用，主控制器控制输入键盘对各显示波形的操纵。主控制器同时控制其它各部分电路的编程。
[0044]为了和现有技术的固定步距操纵机构进行有机融合，所述数字波形操纵模块为本发明所述波形操纵方法提供一套独立的人机操作界面一一输入键盘。所述输入键盘包括通用输入旋钮21、触发电平调节旋钮22、垂直偏移调节旋钮23、垂直灵敏度调节旋钮24、水平延迟调节旋钮25、水平灵敏度调节旋钮26。如图2所示，各调节旋钮可以都采用内外嵌套的双旋钮方式，外部的用于本发明所述波形操纵方法，内部的用于传统的固定步距调节；也可以采用带按键的单旋钮，通过每个旋钮上按键的操作在本发明所述波形操纵方法和传统的固定步距调节之间切换。
[0045]基于以上所述数字波形操纵模块，本发明还提供了一种数字波形操纵方法，包括以下步骤:
[0046]由直方图统计及波形特征提取模块分析经过波形位图维护模块处理生成的波形位图存储器中的波形显示数据，计算出数字波形操作模块中各路显示波形的波形特征点，其包括垂直特征点、同步触发范围、触发特征点、水平特征点，主控制器利用计算出的波形特征点响应输入键盘对数字波形相关参数的调节及波形操纵；
[0047]请参阅图3和图4，波形特征点的计算方法如下:
[0048](I)统计波形电压直方图:针对波形显示窗口范围内的每个显示波形迹线41的波形点的值统计波形电压直方图42，对波形电压直方图42进行平滑滤除小的波动得到平滑后的电压直方图43 ；
[0049](2)计算波形电压平台位置:分析平滑后的电压直方图43，电压直方图43中低电平到高电平与高电平到低电平两个跳变沿之间的区域为波形电压平台441、442，记为A、B ;计算每个波形电压平台的中点，作为波形电压平台位置，记为a、b ;
[0050](3)提取波形垂直特征点45:分析平滑后的电压直方图43得到最大点位置(图中所示C)、最小点位置(图中所示d)，每相邻两个波形电压平台的中点(图中所示e)及每个波形的波形电压平台位置(图中所示a、b)，整个波形的中点，定义为波形垂直特征点45 ;
[0051](4)计算同步触发范围:计算各相邻波形电压平台间的范围，作为同步触发范围(图中所示C);
[0052](5)计算触发特征点:计算同步触发范围中10%、50%、90%三个位置点，作为触发特征点；
[0053](6)统计波形时间直方图46:针对各波形电压平台窗口范围441和442内的波形点的值统计每个波形电压平台范围内的波形时间直方图46 ；
[0054](7)计算波形水平特征点47:搜索波形时间直方图46中各个波形电压平台的每个跳变沿位置，取每相邻两个跳变沿的中点，作为水平特征点47，如图4中47对应各短竖线的屏幕位置。
[0055]下面利用上述基本波形操纵方法描述数字波形操作模块的具体常用波形操纵方法:
[0056](I)利用波形垂直特征点45快速设置波形垂直放缩参考点51的波形操纵方法:通过输入键盘切换垂直放缩参考点51位置为各波形垂直特征点45之一，当显示的波形变化导致垂直放缩参考点51位置不包括在波形显示范围内时，自动调整波形垂直放缩参考点51位置到波形内最接近的波形垂直特征点45位置。如图5中P所示，该波形垂直放缩参考点51设置在波形最大点位置的垂直特征点45上，如图5中Q所示，该波形垂直放缩参考点51设置在最小点位置的垂直特征点45上；
[0057](2)利用波形垂直特征点45快速调节波形垂直位置的波形操纵方法:垂直移动波形时，将当前垂直放缩参考点51位置的波形移动到移动方向下一个数字波形操作模块的屏幕整数格位置。现有技术中传统的固定步距法垂直移动的单位步距小，与现有技术相比，本发明在计算出的波形特征点基础上设置波形垂直放缩参考点51，以波形垂直放缩参考点51为移动基准，可将波形快速移动到所需位置，迅速定位到波形中所需操纵关键点；
[0058](3)利用同步触发范围及触发特征点设置触发电平的波形操纵方法:操作输入键盘的自动设置键进行数字波形操作模块的自动设置时，设置触发电平在接近波形中心的触发特征点上；操作输入键盘手动调节数字波形操作模块的触发电平时，依次设置触发电平在移动方向各触发特征点上；当主控制器检测到触发电平超出同步触发范围时，由数字波形操作模块自动调整触发电平在接近波形中心的触发特征点上。
[0059](4)利用波形水平特征点47快速调节波形水平位置的波形操纵方法:设置波形水平放缩参考点52在数字波形操作模块的屏幕中心处、或距屏幕左边缘一格处、或距屏幕右边缘一格处，水平移动波形时，依次设置水平放缩参考点52位置在移动方向各水平特征点47的时间上。当水平放缩参考点52位置已经处于调整方向最后一个水平特征点47位置时，再次调整波形偏移时，按数字波形操作模块的屏幕上一格步距调整。作为一个特例，对于延迟时基波形，如图6(a)和图6(b)中，上部波形窗口为主时基波形窗口，下部波形窗口为延迟时基波形窗口，其中延迟时基波形窗口中的波形是主时基波形窗口中的矩形框内波形的水平放大显示。在图6(a)所示波形的基础上，当向右水平移动下方延迟时基窗口波形时，因延迟时基波形水平放缩参考点(图中111，对应时间为Os ;在主时基波形中对应从左边数第4串波形的最左边沿)左边(屏幕范围内)已经没有波形水平特征点了，则直接将主时基窗口中移动方向(左方)对应的下一个波形水平特征点(对应主时基波形从左边数第3串波形的最右边沿，-22.56ms时刻)放置在延迟时基波形窗口的水平放缩参考点位置(图中112，对应时间为-22.56ms)上，移动后如图6(b)中所示。
[0060]所述数字波形操作方法基于以下工作原理:所述数字波形操作模块将当前波形垂直放缩参考点、水平放缩参考点、触发电平位置和波形各垂直、水平特征点存储在直方图统计及波形特征提取模块中，用于自动进行比较以进行以下检测:垂直放缩参考点位置是否包括在波形显示范围内、触发电平是否在触发同步范围内、波形水平移动方向是否已经不存在水平特征点。检测结果通过中断方式通知数字波形操作模块的主控制器，以确定下一步操作。
[0061]本发明通过建立一种数字波形操作模块，从波形显示数据中提取包含较丰富且有效信息的波形特征点的位置，所述波形操作方法则利用该波形特征点位置，在操作带有数字波形显示的电子测试仪器时直接到达所需波形关键点位置，快速方便操作，准确高效定位。
[0062]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种数字波形操纵模块，包括依次相连的信号调理模块、波形采集模块、波形位图维护模块、显示器，信号调理模块的输入端输入信号，一个输出端连接触发控制电路，触发控制电路的输出端连接一时基电路，时基电路的输出端连接波形采集模块，波形位图维护模块与波形位图存储器相互连接，其特征在于，波形位图维护模块的一输出端连接有直方图统计及波形特征提取模块，所述数字波形操纵模块还包括一主控制器，主控制器的一端连接作为所述数字波形操纵模块人机操作界面的输入键盘，主控制器的另一端与数字波形操纵模块的各部分相连接。
2.根据权利要求1所述的数字波形操纵模块，其特征在于，所述输入键盘包括通用输入旋钮、触发电平调节旋钮、垂直偏移调节旋钮、垂直灵敏度调节旋钮、水平延迟调节旋钮、水平灵敏度调节旋钮。
3.基于权利要求1所述数字波形操纵模块的波形操纵方法，包括以下步骤: 由直方图统计及波形特征提取模块分析经过波形位图维护模块处理生成的波形位图存储器中的波形显示数据，计算出数字波形操作模块中各路显示波形的波形特征点，其包括垂直特征点、同步触发范围、触发特征点、水平特征点，主控制器利用计算出的波形特征点响应输入键盘对数字波形相关参数的调节及波形操纵； 波形特征点的计算方法如下: (1)统计波形电压直方图:针对波形显示窗口范围内的每个显示波形迹线的波形点的值统计波形电压直方图，对波形电压直方图进行平滑滤除得到平滑后的电压直方图； (2)计算波形电压平台位置:分析平滑后的电压直方图，电压直方图中低电平到高电平与高电平到低电平两个跳变沿之间的区域为波形电压平台，计算每个波形电压平台的中点，作为波形电压平台位置； (3)提取波形垂直特征点:分析平滑后的电压直方图得到最大点位置、最小点位置，每相邻两个波形电压平台的中点及每个波形的波形电压平台位置，整个波形的中点，定义为波形垂直特征点； (4)计算同步触发范围:计算各相邻波形电压平台间的范围，作为同步触发范围； (5)计算触发特征点:计算同步触发范围中10%、50%、90%三个位置点，作为触发特征点； (6)统计波形时间直方图:针对各波形电压平台窗口范围内的波形点的值统计每个波形电压平台范围内的波形时间直方图； (7)计算波形水平特征点:搜索波形时间直方图中各个波形电压平台的每个跳变沿位置，取每相邻两个跳变沿的中点，作为水平特征点。
4.根据权利要求3所述的数字波形操纵方法，其特征在于，利用波形垂直特征点快速设置波形垂直放缩参考点的波形操纵方法:通过输入键盘切换垂直放缩参考点位置为各波形垂直特征点之一，当显示的波形变化导致垂直放缩参考点位置不包括在波形显示范围内时，自动调整波形垂直放缩参考点位置到波形内最接近的波形垂直特征点位置。
5.根据权利要求4所述的数字波形操纵方法，其特征在于，利用波形垂直特征点快速调节波形垂直位置的波形操纵方法:垂直移动波形时，将当前垂直放缩参考点位置的波形移动到移动方向下一个数字波形操作模块的屏幕整数格位置。
6.根据权利要求3所述的数字波形操纵方法，其特征在于，利用同步触发范围及触发特征点设置触发电平的波形操纵方法:操作输入键盘的自动设置键进行数字波形操作模块的自动设置时，设置触发电平在接近波形中心的触发特征点上；操作输入键盘手动调节数字波形操作模块的触发电平时，依次设置触发电平在移动方向各触发特征点上；当主控制器检测到触发电平超出同步触发范围时，由数字波形操作模块自动调整触发电平在接近波形中心的触发特征点上。
7.根据权利要求3所述的数字波形操纵方法，其特征在于，利用波形水平特征点快速调节波形水平位置的波形操纵方法:设置波形水平放缩参考点在数字波形操作模块的屏幕中心处、或距屏幕左边缘一格处、或距屏幕右边缘一格处，水平移动波形时，依次设置水平放缩参考点位置在移动方向各水平特征点的时间上。当水平放缩参考点位置已经处于调整方向最后一个水平特征点位置时，再次调整波形偏移时，按数字波形操作模块的屏幕上一格步距调整。
8.根据权利要求7所述的数字波形操纵方法，其特征在于，对于延迟时基波形，当窗口内延迟时基波形在水平移动方向上不存在波形水平特征点时，从窗口内主时基波形寻找移动方向的下一个波形水平特征点，以其对应时间作为窗口内延迟时基波形的水平放缩参考点位置。
【文档编号】G01R13/02GK104502657SQ201410829729
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月25日 优先权日:2014年12月25日
【发明者】戚瑞民 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所