在光栅扫描数字示波器中控制亮度和对比度的方法

专利名称：在光栅扫描数字示波器中控制亮度和对比度的方法
技术领域：
本发明涉及在光栅扫描数字示波器中控制亮度和对比度的方法。
示波器向用户显示电子信号的行为。在传统的模拟示波器中，波形显示是通过电子束入射到涂在阴极射线管的荧光屏的荧光粉上而产生的。电子束在荧光屏上的入射点以均匀速度沿水平方向(X方向)扫过荧光屏，并随着观测信号的幅度作垂直(Y方向)偏转。
影响波形显示的两个变量是显示的亮度(显示射出的总光强)和显示的对比度(显示的最亮照明单元发射的光强与显示的最暗照明单元发射的光强的比值)。
传统示波器的用户界面具有一个控制波形显示亮度的旋钮。该旋钮，通常称之为强度控制钮，控制供给阴极射线管电子枪的电流。对于强度控制钮的给定设定值，显示的波形段的强度决定于该波形段的斜速率和该波形段所代表的事件出现的频速率。在低设定值时，用户可能看不到偶然事件的波形特征或特别快速的边缘。因此，用户可以提高设定值，直到可以看到完整的波形为止，此时，在低速边缘和高速边缘之间、以及经常事件和偶然事件之间通常存在着非常大的对比度。进一步提高强度，直到达到最大强度为止，这时经常事件的强度受到最大电流值的限制，而偶然事件的强度将持续提高，由此降低了对比度。
传统模拟示波器是通用测量仪器。许多技术人员和工程师都熟悉根据强度控制钮的旋转而调节显示的方法。
在多通道示波器中，不同的色调代表不同的信号通道绿色代表一个通道，红色代表另一个通道。当逆时针旋转强度控制钮时，对应于强度降低，其效果是降低用以显示波形的给定色调的饱和度。
在色温显示中，不同的色调代表不同的强度范围偏红的色调表示高强度范围，偏蓝的色调表示低强度范围。当顺时针旋转强度控制钮时，其效果是将代表给定强度的色调向光谱的红端移动。
参考

图1，通常的光栅扫描数字示波器包括具有2维像素阵列的显示板10，其中每个像素的位置由行号和列号唯一地确定。示波器还包括具有2维地址空间的光栅扫描存储器14。光栅扫描存储器中的存储地址以1对1的方式对应显示板10的像素位置。每个像素的状态决定于光栅扫描存储器14中的相应存储地址的内容。
对于图1所示的示波器，光栅扫描存储器为每个像素存储n比特信息，其中n是大于1的整数，该信息使每个像素具有2n种照明状态。其中的一个状态是关闭，在其它2n-1种状态中，像素由不同的强度照明。由此，例如4比特深的光栅扫描存储器可以支持相对于最大照明的15种级别(灰度级)，以及暗或关闭状态。
根据信号的特性和示波器的设定值，给定的像素列可以包括一个或多个照明像素(此后，称之为点)。每列显示一个矢量，该矢量定义为列中的最高点和最低点之间的列段。
矢量的亮度决定于矢量中的点的强度和。如果点的强度比例于存储在光栅扫描存储器的相应地址中的数据字的值，那么矢量的亮度就比例于矢量中的点的数据字的和。显示的亮度是所有矢量亮度的和，因此，它比例于所有矢量中的点的数据字的和。
图1所示的数字示波器还包括A/D变换器18，它具有在电路的测试点采集电子信号的输入端。A/D变换器在采集间隔中对信号取样，并量化样本，产生数字化的数据字序列。A/D变换器产生的、具有值D1-DN的数据字作为线性波形记录存储在具有1维地址空间A1-AN的采集存储器22中。
当采集结束时，存储在采集存储器中的线性波形记录传递到光栅仪26，该光栅仪产生光栅波形记录，并将其存储在具有2维地址空间(X1-XN，Y1-YN)的光栅仪存储器30中。(使用相同后缀N是为了简化，并不意味着，例如，组{Xi}中的单元数目与组{Ai}中的单元数目相同。)存储在光栅仪存储器30中的光栅波形记录内的数据字地址的X分量由线性波形记录中的至少一个字的地址Ai导出，地址的Y分量由线性波形记录中的至少一个字的值Di导出。
存储在光栅扫描存储器14中的数据字的每一个地址组合(Xi，Yi)代表一个事件，该事件由时间(决定于Xi)和信号电平(决定于Yi)的唯一组合确定。
光栅波形记录可以添加到存储在光栅扫描存储器14中的已有显示记录中，以控制显示板10的状态。参考图2A-2C，其中的数字值表示数据字的十进制值，图2A表示在添加新采集的光栅波形记录之前显示板的三个相邻列中的原始显示记录，图2B表示在相应的新采集间隔得到的光栅波形记录，图2C表示将图2B的光栅波形记录添加到图2A的显示记录而得到的更新显示记录。由此，如果在多次采集中发生同一事件，那么在光栅扫描存储器14中表示该事件的数据字的值将增大。
如图1所示，光栅扫描存储器的内容受衰减操作34控制，该操作在单位时间内按照选定值降低存储在光栅扫描存储器的每个地址上的值，这样，与经常发生的事件相比，只有偶然发生的事件以降低的强度显示出来。
示波器包括控制器38，该控制器控制图1所示的其它部件的操作，和操作员控制端42，该控制端允许用户调节示波器的设定值。
在一种已知的光栅扫描技术中，称之为点模式，光栅波形记录中的数据字的地址(Xi，Yi)由线性波形记录中的一个数据-地址对导出。因此，光栅波形记录中的数据字以1对1的方式对应于线性波形记录中的数据-地址对。
通常期望的是，显示给示波器用户的波形应当是基本连续的，在点之间没有任何显著的水平或垂直间隙。然而，当光栅仪工作在点模式时，显示中的点与点之间存在间隙。因此，根据信号和示波器的设定值，光栅扫描的点模式不是最优的。
在另一种已知的模式中，称之为全矢量模式，光栅波形记录不仅包括由线性波形记录的各个数据-地址对导出的数据字，而且包括由光栅仪合成的、以确保波形连续的附加数据字，这样，矢量的端点在垂直方向相对于相邻矢量的端点的偏差不超过一个像素，矢量的两个端点之间的所有像素，以及这两个端点都受到照明。
1998年2月19日提交的美国专利申请第09/026,185号，其全部公开内容在此引用作为参考，公开了一种光栅扫描的稀疏矢量模式，其中矢量的端点相对于相邻矢量的垂直偏差可以大于一个像素，在给定矢量的两个点之间存在一个或多个像素构成的间隙。在稀疏矢量模式中引入随机性，这样，即使连续采集的线性波形记录是相同的，在一般情况下，各个光栅波形记录也不会是完全相同的，一次采集中产生的矢量间隙将由后续采集填充。
在专利申请第09/026,185号描述的示波器的实用装置中，影响光栅仪工作的一个变量是最小轰击量，它表示光栅波形记录中非零数据字的最小值。根据线性波形记录的特性，光栅波形记录中的非零数据字的值(轰击量)可以大于最小轰击量。影响示波器工作的另一个变量是衰减速率，它表示衰减操作34使显示记录中的非零数据字在单位时间内降低的量。
衰减速率和最小轰击量分别决定于控制器38提供给衰减操作34和光栅仪26的值。
在专利申请第09/026,185号描述的示波器的实用装置中，表示给定信号通道中的事件的点具有一种选定的颜色，例如红色，未照明像素是黑的。点的亮度决定于光栅扫描存储器的相应地址上的数据字的值。对于高数据字值，点明亮的，随着数据值的下降，点按照渐深、渐暗的色调逐渐变黑。光栅扫描存储器的给定地址上的数据字的值，从而是显示中相应点的亮度，决定于由光栅扫描存储器中的相应地址表示的事件的轰击量和衰减速率。显示设备可以进行调节以改变显示的亮度和对比度。对比度可以表示事件出现频速率的差异，因为较少受到轰击的像素要比经常受到轰击的像素暗。如果对比度值很低，那么经常受到轰击的像素的亮度和较少受到轰击的像素的亮度之间的差异将减小，最终所有的事件看起来都是相同的。此外，对比度可以表示事件边缘速率上的差异低速边缘比高速边缘亮。
描述在光栅的稀疏矢量模式中显示矢量的方式的三个变量在此分别称为矢量加权VW，等于矢量中各个点的数据字的值的总和；光栅加权W，等于每次轰击的单位强度(存储在光栅扫描存储器中表示特定事件的数据值在又一次出现该事件时的增量)；矢量填充N，等于矢量中点的最大数目。
在光栅扫描的稀疏矢量模式中，VW的值对于所有的矢量基本保持恒定，以便保证所有矢量的亮度相同，而与矢量的长度无关。如果矢量中的点的实际数目为N，则VW＝W*N。如果给定矢量中的点的实际数目少于N，那么就提高该矢量的W值以保证VW恒定。
根据本发明，提供了一种操作光栅扫描数字信号采集和波形显示装置的方法，其中表示信号事件的点根据存储在光栅扫描存储器中的相应数据字的值利用颜色参数显示，方法包括由用户接口控制单元接收单个颜色参数控制值、根据单个颜色参数控制值产生影响存储在光栅扫描存储器中的数据字的值的多个独立控制值。
为了更好地理解本发明，将通过示例的方式参考附图以便理解本发明是如何实现的，其中图1是示出现有技术数字示波器的一些特征的框图，图2示出图1所示的示波器的操作，图3是示出本发明数字示波器的一些特征的框图。
图3所示的框图结构是为了便于描述信号流出而作出的，本发明的实际装置不必与框图结构相一致。
在数字示波器的用户接口中可以提供多个独立的控制钮，以便独立地控制影响显示状态的各个变量，例如矢量加权和衰减速率，但是这种做法在用户侧产生了困难或阻力，因为用户很熟悉传统的模拟示波器界面，习惯于单强度控制钮。为了分别控制亮度和对比度，还可以提供两个控制钮，但是许多用户还不熟悉以一定程度的独立性控制亮度和对比度的能力。
图4所示的示波器的用户控制端包括机械地连接到角度位置传感器46的旋钮44，该传感器根据旋钮的角度位置向控制器提供数字输出值。控制器根据位置传感器的数字输出值调节光栅仪的工作参数和衰减操作。
控制钮44由一个极值点(完全逆时针或最小)到相对的另一个极值(完全顺时针或最大)的旋转过程包括三个主要区域。控制器在第一和第二主要区域中调节光栅仪的工作参数和衰减操作的方式与旋转传统模拟示波器的强度控制钮的效果相仿。由此，在第一主要区域，最大亮度增加，而最小亮度基本保持恒定，因此对比度(最大亮度和最小亮度的比值)增加。在第二主要区域，最大亮度开始持续增加直到饱和，而最小亮度基本上按照与最大亮度相同的速率增加。在第二区域的这一部分中，对比度保持恒定。在第二主要区域的第二部分中，在最大亮度饱和之后，最小亮度持续增加，这样，对比度开始下降，并最终在最小亮度达到饱和之后下降到零。
控制器根据角度位置传感器的输出值而调节的工作参数是用于衰减操作的衰减速率和用于光栅仪的矢量加权和最小轰击量。给定像素的轰击量是最小轰击量和像素的当前数据值与一个分数的和中较大的一个值，该分数的分子是矢量加权，分母是矢量长度。通过将数据值乘以一个小于1的分数，然后将结果写回同一存储器地址，或者将数据值减去一个常数值，然后将结果写回同一存储器地址，衰减操作降低光栅扫描存储器中的数据值。
在第一主要区域，随着旋钮的转动，控制器均匀地提高矢量加权，同时以相对较低的速率降低衰减速率，并保持最小轰击值恒定。这样做具有提高对比度和提高显示亮度的双重功效。对比度的提高速率(随着旋钮的转动)稍低于亮度的提高速率。
在第二主要区域，控制器连续地将最小轰击值提高到饱和值的50％，同时持续提高矢量加权。衰减速率在第二主要区域是降低的。最小轰击值的增加使任何点的最小初始亮度等于最大、完全饱和亮度的50％。这些措施的作用是提高亮度、帮助用户观察偶然或暗淡的事件。当出现事件的频速率使得对比度范围的顶部达到饱和值时，对比度比值随着控制钮的进一步旋转而降低。在第二主要区域末端，最经常出现的事件完全饱和，因此在这些事件之间没有对比度。
在第一和第二主要区域，衰减速率只是缓慢地变化，其值的范围使偶然事件显示为一个开始很亮(决定于最小轰击值)、而后迅速地衰减变暗的点。
如果用户连续转动控制钮使其越过第二主要区域，那么这将表明或者是用户怀疑发生了某种事件但没有显示出来，或者是用户期望确认不存在应当被观测到的额外事件。因此，为了显示偶然事件或暗淡事件，例如偶然干扰信号，衰减速率在第三主要区域中随着旋钮的转动而迅速地降低。如果在旋钮处于第三主要区域时发生偶然事件，那么该事件的显示的衰减将比旋钮处于第一或第二主要区域时的衰减慢得多。以这种方式降低衰减速率的作用是提高用于显示的采集的数目。
在第一和第二区域，光栅仪按照待审批的专利申请(代理卷号6672-US)中描述的稀疏矢量模式工作，该专利申请的全部内容在此引用作为参考。在第三主要区域，光栅仪工作在全矢量模式以确保用最大亮度显示事件。
当旋钮处于第三区域时，相对频繁或明亮的事件具有显著的模糊。在第一和第二区域，衰减速率的变化速率使得第二区域中的衰减速率的最小值足够大，使第二主要区域不会出现显著的模糊。
控制矢量加权和最小轰击量的功能在第二主要区域的末端变化。为了提供向第三主要区域的平滑过渡，衰减速率的变化速率应当在第二区域结束之前降低，优选地降低到零。
尽管已经描述了三个主要区域，如同区域间的边界已清晰地定义了一样，但是区域之间是可以有一定的叠盖的，以避免显示状态的突然变化。
应当理解，本发明并不仅限于已描述的具体实施方案，在不脱离附属权利要求及其等价物所定义的发明范围的条件下可以作各种变化。例如，尽管已经参考利用随着控制钮的转动而变化的颜色参数表示强度的装置描述了本发明，但是本发明还可以应用于一些装置，例如色温显示装置，其中变化的是另一种参数(在色温显示装置中是色调)。在每一种情况下，控制器将表示亮度的、角度位置传感器的数字输出转换为数字值，并将数字值映射为一种颜色。
权利要求
1.控制光栅扫描数字信号采集和波形显示装置的方法，其中表示信号事件的点根据存储在光栅扫描存储器中的相应数据字的值用颜色参数显示，该方法包括从用户接口控制单元接收单个颜色参数控制值，并产生根据单个颜色参数控制值影响存储在光栅扫描存储器中的数据字的值的多个独立控制值。
2.权利要求1的方法，其中所述装置具有在每次发生事件时按照第一功能返回的值提高与该事件对应的数据字的值的光栅仪，还具有每隔单位时间就按照第二功能返回的值降低光栅扫描存储器中的所有非零数据字的值的衰减器，所述方法包括作为输入向第一功能和第二功能提供单个颜色参数控制值。
3.权利要求1的方法，其中用户接口控制单元具有至少一个操作区域，在该区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是提高最大亮度，同时保持最小亮度基本恒定。
4.权利要求3的方法，其中所述装置具有在每次发生事件时按照第一功能返回的值提高与该事件对应的数据字的值的光栅仪，还具有每隔单位时间就按照第二功能返回的值降低光栅扫描存储器中的所有非零数据字的值的衰减器，所述方法包括作为输入向第一功能和第二功能提供单个颜色参数控制值，其中第一功能在一个区域内均匀地提高矢量加权。
5.权利要求1的方法，其中用户接口控制单元具有至少一个操作区域，在该区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是以第一速率提高最大亮度，同时以基本上低于第一速率的第二速率提高最小亮度。
6.权利要求1的方法，其中用户接口控制单元具有至少一个操作区域，在该区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是提高最大亮度和最小亮度。
7.权利要求6的方法，其中所述一个区域具有第一子区域，在该子区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是提高最大亮度和最小亮度，还具有第二子区域，在该子区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是提高最小亮度，同时保持最大亮度基本恒定。
8.权利要求6的方法，其中所述装置具有在每次发生事件时按照第一功能返回的值提高与该事件对应的数据字的值的光栅仪，还具有每隔单位时间就按照第二功能返回的值降低光栅扫描存储器中的所有非零数据字的值的衰减器，所述方法包括作为输入向第一功能和第二功能提供单个颜色参数控制值，其中第一功能在所述一个区域内均匀地提高矢量加权，第二功能在所述一个区域内降低衰减速率。
9.权利要求8的方法，其中第一功能在所述一个区域内提高最小轰击量。
10.权利要求1的方法，其中用户接口控制单元至少具有一个第一操作区域，在该区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是提高最大亮度同时保持最小亮度基本恒定，还至少具有一个第二操作区域，在该区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是提高最大亮度和最小亮度。
11.权利要求1的方法，其中用户接口控制单元至少具有一个操作区域，在该区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是提高最小亮度，同时保持最大亮度基本恒定。
12.权利要求11的方法，其中所述一个区域具有第一子区域，在该子区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是提高最小亮度同时保持最大亮度基本恒定，还具有第二子区域，在该子区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是保持最大亮度和最小亮度基本恒定同时提高余辉。
13.权利要求11的方法，其中所述装置具有在每次发生事件时按照第一功能返回的值提高与该事件对应的数据字的值的光栅仪，还具有每隔单位时间就按照第二功能返回的值降低光栅扫描存储器中的所有非零数据字的值的衰减器，所述方法包括作为输入向第一功能和第二功能提供单个颜色参数控制值，其中第一功能在所述一个区域内保持矢量加权基本恒定，第二功能在所述一个区域内降低衰减速率。
14.权利要求1的方法，其中用户接口控制单元至少具有一个操作区域，在该区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是独立于当前亮度提高偶然点的亮度或相对于显示的其它部分提高对比度。
15.权利要求1的方法，其中用户接口控制单元至少具有一个第一操作区域，在该区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是提高最大亮度同时保持最小亮度基本恒定，还至少具有一个第二操作区域，在该区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是提高最大亮度和最小亮度，还具有一个第三操作区域，在该区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是提高最小亮度同时保持最大亮度基本恒定。
16.权利要求15的方法，其中第三区域具有第一子区域，在该子区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是提高最小亮度同时保持最大亮度基本恒定，还具有第二子区域，在该子区域中，提高单个颜色参数控制值的作用是保持最大亮度和最小亮度基本恒定，同时提高余辉。
17.权利要求1的方法，其中颜色参数是强度。
18.权利要求1的方法，其中颜色参数是色调。
全文摘要
光栅扫描数字信号采集和波形显示装置根据存储在光栅扫描存储器中的相应数据字的值利用颜色参数显示代表信号事件的点。用户接口控制单元提供单个颜色参数控制值,并根据该控制值产生根据单个颜色参数控制值影响存储在光栅扫描存储器中的数据字的值的多个独立控制值。
文档编号G01R13/02GK1243253SQ9910858
公开日2000年2月2日 申请日期1999年6月25日 优先权日1998年6月25日
发明者J·W·约斯特, P·M·格尔拉奇 申请人:特克特朗尼克公司