专利名称：一种具有波形图像实时缩放功能的数字三维示波器的制作方法
技术领域：
本发明属于数字三维示波器技术领域，更为具体地讲，涉及一种具有波形图像实 时缩放功能的数字三维示波器。
背景技术：
数字示波器技术目前已从数字存储示波器发展到数字三维示波器(中国国家标 准《GB/T 15观9-2009数字存储示波器通用规范》定义)阶段，且不断朝着高采样率、高波形 捕获率和深存储等方向发展。传统的数字存储示波器，由于采用串行处理的体系结构，导致其采集死区时间长， 波形捕获率低，通常在lOOwfms/s以内，容易遗失信号细节，错过瞬态事件。此外，数字存储 示波器在显示效果上没有如模拟示波器般的辉度等级变化，只能以二维形式，即幅度、时间 捕获信号。以美国泰克公司推出的数字荧光示波器(DPO)为代表的数字三维示波器，采 用了并行处理的体系结构，新增加专用波形图像处理器与系统微处理器并行工作，可有 效地缩短采集死区时间，提高波形捕获率，高端数字三维示波器的最高波形捕获率可达 400000wfms/s以上。同时，数字三维示波器采用三维数组，即幅度、时间和幅度随时间的变 化分布形式捕获信号，显示具有类似模拟示波器的辉度等级甚至彩色荧光效果。数字三维 示波器超高的波形捕获率结合三维波形显示能力，能够捕获各种复杂动态信号中的细节和 异常情况，增加了证明数字系统中瞬态事件的可能性。图1是现有技术数字三维示波器的结构框图。在现有技术中，如图1所示，输入模拟信号在信号调理电路中进行信号调理，然后 进行ADC转换，在触发和时基电路的控制下，转换的数据存入缓存中。如图1所示，数字三维示波器增加有波形图像处理器，专职负责高速地绘制三维 波形图像，此过程也称为波形映射，从而使微处理器可以从波形图像处理过程中解放出来， 并行去完成系统控制、数据运算等其他工作。波形图像的映射过程对应的是三维数据存储阵列器中数据的不断累加更新，其实 质是将多幅二维波形图像叠加在一起，并统计幅度随时间变化的分布，即概率信息。当一个 刷屏周期到来时，波形映射终止，三维数据存储阵列器停止更新，显示窗口选择器选取三维 数据存储阵列器中的三维波形图像的对应显示窗口区域，输出到显示存储器完成显示，即 将多幅波形叠加后的三维波形图像按照概率分布，采用不同的辉度等级或彩色荧光效果在 显示屏上进行显示，使用户可直观的观察到信号的幅度、时间以及幅度随时间的变化分布 等三维信息。这是数字三维示波器技术的核心和优势。但是，现有的三维图像处理技术普遍存在着一个缺陷当用户对数字三维示波器 捕获的三维波形图像中的一些细节，例如叠加到一起的多幅波形中的某一幅或者夹杂在其 中的某个瞬态信号感兴趣时，一般会操作示波器停止采集，然后进行以下2种操作1、直接改变数字三维示波器的时基档位，对波形图像进行放大或缩小操作，进一步观察信号细节；2、操作数字三维示波器进入视窗扩展模式，在双视窗中对比观察扩展前和扩展后 (放大)的波形图像。然而，这2个操作的结果却都会导致数字三维示波器的显示突然由三维波形图像 效果，转换为如同普通数字存储示波器的二维波形图像效果，即显示只保留了最后一次采 集数据所绘制的一幅二维波形图像，丢失了原本捕获到的三维波形图像中包含的多幅波形 中的信号细节。其原因是由于上述波形映射的实质是将一幅幅的二维波形图像不断叠加到 三维数据存储阵列器中，其过程并没有对原始的采集数据进行存储，最终显示的是一张事 先叠加好的静态波形图像，系统无法从中剥离出叠加前的每一幅波形，因此无法重新绘制 进行缩放操作或视窗扩展后的三维波形图像，即不能对图像进行动态的缩放处理。此缺陷 直接导致目前绝大多数的数字三维示波器虽然具有超高波形捕获率，能够捕获到各种复杂 瞬态事件，但却对瞬态事件的图像缩放显示和数据分析运算能力很弱。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有波形图像实时缩放功能的
数字三维示波器。为实现上述目的，本发明具有波形图像实时缩放功能的数字三维示波器，包括信 号调理模块、采集与处理模块以及控制与显示模块；信号调理模块将输入的模拟信号调理到ADC转换所需输入范围，然后送采集与处 理模块ADC中进行模数转换，同时提供触发脉冲信号给采集与处理模块对波形数据的采集 和处理进行控制；采集与处理模块包括ADC、波形图像处理器、三维数据存储阵列器和显示窗口选择 器；控制与显示模块包括微处理器、显示存储器以及显示屏，微处理器对采集与处理 模块、显示存储器进行控制；其特征在于采集与处理模块还包括原始值存储器、样值抽取器以及大容量存储器；采集与处理模块控制ADC按照较高的实时采样率Fmax对调理后的模拟信号进行模 数转换，并输出原始波形数据到原始值存储器中；原始值存储器在触发脉冲信号的控制下 对原始波形数据按照存储深度D进行存储，D个原始波形数据存满，1幅波形数据采集结束，采集与处理模块控制样值抽取器按照Fmax/F的抽点间隔从原始值存储器的D个原 始波形数据中抽取出N个抽点数据，送入波形图像处理器绘制为1幅二维波形图像，并进行 波形映射，将此幅波形图像叠加到三维数据存储阵列器中，其中1幅二维波形图像的抽点数据个数N与存储深度D之间有以下关系N = D· F/Fmax其中，F为当前时基档对应的等效采样率；同时，在采集与处理模块控制下，大容量存储器对原始值存储器中的D个原始波 形数据进行存储；在对波形数据进行抽取、映射和在大容量存储器中存储完毕后，在触发信号的控制下，重复对下一幅波形进行采集，对原始波形数据进行抽取、映射和在大容量存储器中存 储L次，在三维数据存储阵列器中得到L幅二维波形图像叠加后的三维波形图像，在大容量 存储器中得到L行的原始数据；在正常三维波形显示时，当一个刷屏周期到来，波形映射终止，三维数据存储阵列 器停止更新，显示窗口选择器选取三维数据存储阵列器中的三维波形图像的对应显示窗口 区域，输出到显示存储器完成显示，即将多幅波形叠加后的三维波形图像按照概率分布，采 用不同的辉度等级或彩色荧光效果在显示屏上进行显示；当进行实时缩放操作时，波形图像处理器实时访问大容量存储器，读取原始波形 数据，并经过样值抽取器按照新的抽点间隔Fmax/F’进行抽取，重新进行映射、显示实时缩放 的三维波形图像，其中，F’为缩放操作下时基档位对应的等效采样率。本发明的发明目的是这样实现的随着DDR、DDR2等存储技术的快速发展和成本价格的不断降低，大容量存储器已 被广泛运用到数字示波器系统中。本发明在数字三维示波器中，将一种三维图像处理技术 与大容量数据存储技术相结合的方式，在数字三维示波器的一个刷屏周期中，将送入波形 图像处理器进行三维波形图像绘制的抽点样值所对应的抽取前的全部原始波形数据，并行 送入大容量存储器进行同步存储。这样在波形映射完成后，波形图像处理器仍可灵活地根 据用户操作和显示需要，重新从大容量存储器中读取原始波形数据，并按照不同的缩放比 例抽取样值，快速绘制新的三维波形图像，使数字三维示波器在保证高波形捕获率的同时， 实现对捕获到的任意信号的图像缩放和其他运算操作，并且始终保持三维波形图像显示方 式，不丢失捕获的信号细节。
图1是现有技术数字三维示波器的结构框图；图2是本发明具有波形图像实时缩放功能的数字三维示波器一种具体实施方式
原理框图；图3是图2所示的大容量存储器对原始波形数据进行存储的示意图；图4是波形图像实时缩放前波形定位示意图；图5是波形图像实时缩放前波形定位示意图；图6是实时缩放前的三维波形图像；图7是现有技术数字三维示波器缩放后的二维波形图像；图8是现有技术数字三维示波器视窗扩展模式下的二维波形图像；图9是本发明具有波形图像实时缩放功能的数字三维示波器缩放后的三维波形 图像；图10是本发明具有波形图像实时缩放功能的数字三维示波器视窗扩展模式下的 三维波形图像。
具体实施例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2是本发明具有波形图像实时缩放功能的数字三维示波器一种具体实施方式
原理框图。在本实施例中，如图1所示，本发明具有波形图像实时缩放功能的数字三维示波 器包括信号调理模块1、采集与处理模块2以及控制与显示模块3三个部分。信号调理模块1包括信号调理通道101和触发电路102。信号调理通道101将输 入的模拟信号调理到ADC转换所需输入范围，然后送采集与处理模块2中ADC 201中进行 模数转换，同时触发电路102选择外触发信号或内触发信号作为触发信号，并产生触发脉 冲信号给采集与处理模块2对波形数据的采集和处理进行控制。输入模拟信号的调理、模 数转换以及采集属于现有技术，在此不再赘述采集与处理模块2包括ADC 201、波形图像处理器202、三维数据存储阵列器203 和显示窗口选择器204 ；控制与显示模块3包括微处理器301、显示存储器302以及显示屏 303。微处理器301采用一 DSP，用于对采集与处理模块2、显示存储器302进行控制。如图1所示，在本发明中，采集与处理模块还包括原始值存储器205、样值抽取器 206以及大容量存储器207 ；波形图像处理器202、三维数据存储阵列器203、显示窗口选择 器204、原始值存储器205以及样值抽取器206用一块FPGA来构成。大容量存储器207为 一 DDR2存储器。采集与处理模块2控制ADC 201按照较高的实时采样率Fmax，在本实施例中，最高 实时采样率对调理后的模拟信号进行模数转换，并输出原始波形数据到原始值存储器205 中，原始值存储器205为一 FIFO存储器；原始值存储器205在触发脉冲信号的控制下对原 始波形数据按照存储深度D进行存储，D个原始波形数据存满，1幅波形数据采集结束。采集与处理模块2控制样值抽取器206按照Fmax/F的抽点间隔从原始值存储器的 D个原始波形数据中抽取出N个抽点数据，送入波形图像处理器202绘制为1幅二维波形图 像，并进行波形映射，将此幅波形图像叠加到三维数据存储阵列器203中，二维波形图像的 抽点数据个数N与存储深度D之间有以下关系N = D· F/Fmax其中，F为当前时基档对应的等效采样率。同时，在采集与处理模块2控制下，大容量存储器207对原始值存储器205中的D 个原始波形数据进行存储。在对波形数据进行抽取、映射和在大容量存储器207中存储完毕后，在触发信号 的控制下，重复对下一幅波形进行采集，对原始波形数据进行抽取、映射和在大容量存储器 中存储L次，在三维数据存储阵列器203中得到L幅二维波形图像叠加后的三维波形图像， 在大容量存储器207中得到L行的原始数据。在正常三维波形显示时，当一个刷屏周期到来，波形映射终止，三维数据存储阵列 器203停止更新，窗口选择器204选取三维数据存储阵列器203中的三维波形图像的对应 显示窗口区域，输出到显示存储器302完成显示，即将多幅波形叠加后的三维波形图像按 照概率分布，采用不同的辉度等级或彩色荧光效果在显示屏303上进行显示；当进行实时缩放操作时，波形图像处理器202实时访问大容量存储器207，读取原始波形数据，并经过样值抽取器206按照新的抽点间隔Fmax/F’进行抽取，重新进行映射、显 示实时缩放的三维波形图像，其中，F’为缩放操作下时基档位对应的等效采样率。图3是图2所示的大容量存储器对原始波形数据进行存储的示意图。如图3所示，在本实施例中将大容量数据存储器DDR2的地址空间划分为一张L行 乘以D列的表，即地址单元总数为L*D 行地址L取决于数字三维示波器的波形捕获率，即 一个刷屏周期内被捕获，且需要存储的波形幅数为L ；列地址D取决于存储一幅波形的原始 波形数据个数，即示波器的存储深度D。将来自原始值存储器205的全部原始波形数据对应 存储到大容量数据存储器207的行列空间中。即每1幅波形的原始数据对应存储1行，一 共存储L行，每1行存储原始数据D个。在本实施例中，进行实时缩放操作时，波形图像处理器202实时访问大容量存储 器207，读取原始波形数据，并经过样值抽取器206按照新的抽点间隔Fmax/F’进行抽取，重 新进行映射、显示实时缩放的三维波形图像的具体流程为1、清除旧图像首先根据执行缩放操作前显示窗口选择器204选取的屏幕显示窗口区域中的三 维波形图像在三维数据存储阵列器RAM中的地址和样值抽取器206的抽点间隔，计算出这 段三维波形图像对应的波形数据在原始值存储器205中的地址；图4是波形图像实时缩放前波形定位示意图。如图4所示，显示窗口左侧对应于 三维数据存储阵列器203的地址是u，右侧地址是u+v，ν为波形显示窗口宽度，则对应的波 形数据在原始值存储器205中的地址是u*Fmax/F (u+v)*Fmax/F。然后将三维数据存储阵 列器203中旧的三维波形图像全部清除；2、读取新数据，绘制新波形波形图像处理器202访问大容量存储器207的第1行，样值抽取器206按照Fmax/ F’的抽点间隔从第1行的D个波形数据中抽取出N’ = D*F’ /Ffflax个数据处理为1幅二维 波形图像，并将此幅图像叠加到三维数据存储阵列器203中；对大容量存储器207的第2 L行重复进行如第1行的操作，最终得到L幅波形叠加后的新的三维波形图像；3、确定显示窗口范围根据缩放后新的三维波形图像与缩放前旧的三维波形图像的缩放比F，/F，计算出 缩放后图像的显示窗口范围u*F，/F (u+v)*F，/F，其中，u*F，/F为三维数据存储阵列器 中显示窗口左侧对应的地址是u，u+v为右侧对应的地址，如图5所示。实例在本实例中，数字三维示波器的ADC的最高实时采样率为2GS/s，以该采样率作为 较高的实时采样率Fmax，存储深度为D = lOOKpts，水平显示方向为50dot/div。数字三维 示波器的时基档是200nS/div，该时基档对应的等效采样率F = 50dot/div/200ns/div = 250MS/s。则抽点间隔Fmax/F = 2GS/s/250MS/s = 8，即从每8个原始采集数据中抽取1个， 一共抽取出N = D*F/Fmax = 100Kpts*250MS/s/2GS/s = 12.涨个数据绘制一幅二维波形图 像，并叠加到三维数据存储阵列器203中。然后，当一个刷屏周期到来时，三维数据存储阵 列器203中多幅二维波形图像叠加生成的三维波形图像被送往显示屏进行显示，如图6所示。此时，若将数字三维示波器的采集系统停止，改变数字三维示波器的时基档到50ns/div，则该时基档对应的等效采样率F，= 50dot/div/50ns/div = lGS/s。那么，未使用本发明的数字三维示波器将自动更改为如图7所示的二维波形图像显不。或者，将数字三维示波器的采集系统停止后，操作数字三维示波器进入视窗扩展 模式，同样，未使用本发明的数字三维示波器也将自动更改为如图8所示的二维波形图像显不。而采用了本发明的具有波形图像实时缩放功能的数字三维示波器，若系统检测到 采集停止后仍有切换时基档进行缩放或进入视窗扩展模式操作，将重新依次读取大容量存 储器DDR2的每1行，将读取的原始采集数据送入样值抽取器，按照Fmax/F’ = 2GS/s/lGS/s =2的抽点间隔，抽取出N，= D*F，/Fmax = 100Kpts*lGS/s/2GS/s = 50K个采集数据处理 为1幅二维波形图像，并将此幅图像叠加到三维数据存储阵列器RAM中，重复以上操作直到 一个刷屏周期到来，可得到多幅二维波形图像叠加后的生成的新三维波形图像。然后，根据 缩放后新图像与缩放前旧图像的缩放比F’ /F，计算出缩放后图像的显示窗口范围u*F’ / F (u+v)*F，/F，即如 4(u+v)。最后，在触发电路的控制下，可得到最终显示的三维波 形图像，如图9、图10所示。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。
权利要求
1.一种具有波形图像实时缩放功能的数字三维示波器，包括信号调理模块、采集与 处理模块以及控制与显示模块；信号调理模块将输入的模拟信号调理到ADC转换所需输入范围，然后送采集与处理模 块ADC中进行模数转换，同时提供触发脉冲信号给采集与处理模块对波形数据的采集和处 理进行控制；采集与处理模块包括ADC、波形图像处理器、三维数据存储阵列器和显示窗口选择器； 控制与显示模块包括微处理器、显示存储器以及显示屏，微处理器对采集与处理模块、 显示存储器进行控制； 其特征在于采集与处理模块还包括原始值存储器、样值抽取器以及大容量存储器； 采集与处理模块控制ADC按照较高的实时采样率Fmax对调理后的模拟信号进行模数转 换，并输出原始波形数据到原始值存储器中；原始值存储器在触发脉冲信号的控制下对原 始波形数据按照存储深度D进行存储，D个原始波形数据存满，1幅波形数据采集结束，采集与处理模块控制样值抽取器按照Fmax/F的抽点间隔从原始值存储器的D个原始波 形数据中抽取出N个抽点数据，送入波形图像处理器绘制为1幅二维波形图像，并进行波形 映射，将此幅波形图像叠加到三维数据存储阵列器中，其中1幅二维波形图像的抽点数据个数N与存储深度D之间有以下关系 N = D- F/Fmax其中，F为当前时基档对应的等效采样率；同时，在采集与处理模块控制下，大容量存储器对原始值存储器中的D个原始波形数 据进行存储；在对波形数据进行抽取、映射和在大容量存储器中存储完毕后，在触发信号的控制下， 重复对下一幅波形进行采集，对原始波形数据进行抽取、映射和在大容量存储器中存储L 次，在三维数据存储阵列器中得到L幅二维波形图像叠加后的三维波形图像，在大容量存 储器中得到L行的原始数据；在正常三维波形显示时，当一个刷屏周期到来，波形映射终止，三维数据存储阵列器 停止更新，显示窗口选择器选取三维数据存储阵列器中的三维波形图像的对应显示窗口区 域，输出到显示存储器完成显示，即将多幅波形叠加后的三维波形图像按照概率分布，采用 不同的辉度等级或彩色荧光效果在显示屏上进行显示；当进行实时缩放操作时，波形图像处理器实时访问大容量存储器，读取原始波形数据， 并经过样值抽取器按照新的抽点间隔Fmax/F’进行抽取，重新进行映射、显示实时缩放的三 维波形图像，其中，F’为缩放操作下时基档位对应的等效采样率。
2.根据权利要求1所述的具有波形图像实时缩放功能的数字三维示波器，其特征在 于，所述的进行实时缩放操作时，波形图像处理器实时访问大容量存储器，读取原始波形数 据，并经过样值抽取器按照新的抽点间隔Fmax/F’进行抽取，重新进行映射、显示实时缩放的 三维波形图像的具体流程为a、清除旧图像首先根据执行缩放操作前显示窗口选择器204选取的屏幕显示窗口区域中的三维波 形图像在三维数据存储阵列器RAM中的地址和样值抽取器206的抽点间隔，计算出这段三维波形图像对应的波形数据在原始值存储器205中的地址；显示窗口左侧对应于三维数据存储阵列器的地址是u，右侧地址是u+v，ν为波形显示 窗口宽度，则对应的波形数据在原始值存储器中的地址是u*Fmax/F (u+v) *Fmax/F，然后将 三维数据存储阵列器中旧的三维波形图像全部清除； b、读取新数据，绘制新波形波形图像处理器访问大容量存储器的第1行，样值抽取器按照Fmax/F’的抽点间隔从第 1行的D个波形数据中抽取出N’ = D*F’ /Ffflax个数据处理为1幅二维波形图像，并将此幅 图像叠加到三维数据存储阵列器中；对大容量存储器的第2 L行重复进行如第1行的操 作，最终得到L幅波形叠加后的新的三维波形图像； C、确定显示窗口范围根据缩放后新的三维波形图像与缩放前旧的三维波形图像的缩放比F’/F，计算出缩放 后图像的显示窗口范围u*F，/F (11+力朴，汗，其中，11朴，汗为三维数据存储阵列器中显 示窗口左侧对应的地址是u，u+v为右侧对应的地址。
3.根据权利要求1所述的具有波形图像实时缩放功能的数字三维示波器，其特征在 于，所述的较高的实时采样率Fmax为数字三维示波器的最高实时采样率。
全文摘要
本发明公开了一种具有实时缩放功能的数字三维示波器，将一种三维图像处理技术与大容量数据存储技术相结合的方式，在数字三维示波器的一个刷屏周期中，将送入波形图像处理器进行三维波形图像绘制的抽点样值所对应的抽取前的全部原始波形数据，并行送入大容量存储器进行同步存储。这样在波形映射完成后，波形图像处理器仍可灵活地根据用户操作和显示需要，重新从大容量存储器中读取原始波形数据，并按照不同的缩放比例抽取样值，快速绘制新的三维波形图像，使数字三维示波器在保证高波形捕获率的同时，实现对捕获到的任意信号的图像缩放和其他运算操作，并且始终保持三维波形图像显示方式，不丢失捕获的信号细节。
文档编号G06T3/40GK102109543SQ201010577600
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者叶芃, 孙洁, 曾浩, 蒋俊, 邱渡裕 申请人:电子科技大学