数字示波器垂直灵敏度自校正方法
【专利摘要】本发明公开了一种数字示波器垂直灵敏度自校正方法，将偏置电压作为内部校正源，分别对偏置电压进行下调和上调，求得两次偏置电压时的采集数据的平均值的相对距离，然后计算相对距离的标准值，比较相对距离和相对距离标准值，计算得到增益调节值，对增益调节器件进行调节，重新设置偏置电压并采集数据，计算相对距离，直到相对距离在标准值误差范围以内则当前通道下该垂直灵敏度的校正结束。本发明通过两次设置偏置电压时的采集数据的平均值，计算其相对距离，从而计算增益的调节量来进行增益的调节，实现数字示波器垂直灵敏度自校正，从而节约人力资源，不存在人为因素，提高校正精度，提高校正效率。
【专利说明】
数字示波器垂直灵敏度自校正方法
技术领域
[0001 ]本发明属于数字示波器校正技术领域，更为具体地讲，涉及一种数字示波器垂直 灵敏度自校正方法。
【背景技术】
[0002] 对于数字示波器，传统的垂直灵敏度校正方法是手动校正，在通道耦合方式为交 流耦合条件下，输入一个1kHz的方波信号，在每个垂直灵敏度下根据当前的垂直灵敏度 (HD)设置输入方波信号的幅度值Vpp = HD*6,即使输入信号的幅度在当前垂直灵敏度下 占波形显示区垂直方向6格(div)。通过肉眼判断输入信号幅度是否在波形显示区垂直方向 占6div，否则调整增益使输入信号的幅度达到要求。每个通道下的每个垂直灵敏度都需要 按照上述的方法依次重复校正。传统校正方法的劣势包括以下五个方面：
[0003] ①使用环境的湿度、温度改变时，影响元器件的精度，导致增益误差不达标，此时 得重新手动校正；
[0004] ②手动校正时需要输入不同幅度值的方波信号，当用户设备不齐全，无信号源时， 导致校正无法实施；
[0005] ③手动校正的依据是观测输入信号的幅度是否有6div，那么要求输入信号幅值的 精度尽可能高，即要求信号源精度高，以减小信号源精度对垂直灵敏度校正精度的影响；
[0006] ④手动校正是人为观测判断，误差大，精度低，且耗时长，复杂程度高；
[0007] ⑤即使采用自动输出不同幅值的方波信号并自动采集判断信号是否达到目标值 的半自动校正方法，其精度略高于手动校正，但是自动改变输出波形，需要额外的设备来支 撑，进一步要求了用户的设备齐全性，局限了此功能的使用条件。
[0008] 可以看出，传统校正方法要求额外设备支撑，易受人为因素影响，精度低，而且过 程复杂，费时又费力，效率低。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字示波器垂直灵敏度自校正 方法，以偏置电压为内部校正源，通过两次偏置电压的相对量来计算增益调节量来进行垂 直灵敏度调节，以实现数字示波器垂直灵敏度自校正。
[0010]为实现上述发明目的，本发明数字示波器垂直灵敏度自校正方法包括以下步骤： [0011] S1:初始化示波器，设置数字示波器需要校正的通道，设置通道的耦合方式为直流 耦合、触发耦合方式为直流耦合、采集方式为平均采样，垂直灵敏度为垂直灵敏度范围中的 最大值；
[0012] S2:设置偏置电压VoffsetF-KAYID，其中YID表示当前的垂直灵敏度，心表示预设 的正常数，心的取值范围为0<心<0/2,0表示波形显示区垂直方向的div数;计算得到当前 采集数据量化值的平均值Vadl;
[0013] S3:再次设置偏置电压表示预设的正常数，K2的取值范围为0< K2<D/2;计算得到当前采集数据量化值的平均值Vad2;
[0014] S4:计算两次设置偏置电压时采集数据的平均值的相对距离AV = Vad2-Vadl;
[0015] S5:计算相对距离标准值 A Vst= (Ki+K2)*YdotsPerDiv，其中YdotsPerDiv表示波 形显示区垂直方向中每个div所代表的量化值个数；
[0016] S6:如果AVe[ AVst-S，AVst+S]，当前垂直灵敏度的校正结束，进入步骤S8,否则 进入步骤S7;
[0017] S7:计算增益调节值Amplifier:
[0018] Amplif ier = 201g( A Vst/ A V)
[0019] 根据增益调节值Amplifier计算增益调节器件的调节量，如果存在调节量，则对增 益调节器件进行调节，返回步骤S2,如果增益调节器件不存在调节量，进入步骤S8;
[0020] S8:如果所有垂直灵敏度都校正结束，该通道校正结束，否则切换至下一垂直灵敏 度，返回步骤S2。
[0021] 本发明数字示波器垂直灵敏度自校正方法，将偏置电压作为内部校正源，分别对 偏置电压进行下调和上调，求得两次偏置电压时的采集数据的平均值的相对距离，然后计 算相对距离的标准值，比较相对距离和相对距离标准值，计算得到增益调节值，对增益调节 器件进行调节，重新设置偏置电压并采集数据，计算相对距离，直到相对距离在标准值误差 范围以内则当前通道下该垂直灵敏度的校正结束。本发明通过两次设置偏置电压时的采集 数据的平均值，计算其相对距离，从而计算增益的调节量来进行增益的调节，实现数字示波 器垂直灵敏度自校正，从而节约人力资源，不存在人为因素，提高校正精度，提高校正效率。
【附图说明】
[0022] 图1是数字示波器中模拟通道垂直调理模块结构示例图；
[0023]图2是本发明数字示波器垂直灵敏度自校正方法的流程图。
【具体实施方式】
[0024]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。
[0025]为了更好地说明本发明的技术方案，首先对数字示波器垂直灵敏度自校正以举例 形式进行简单介绍。
[0026]数字示波器的垂直灵敏度就是指垂直方向上单位显示长度（一格)所代表的电压 值(V/div)，垂直灵敏度自校正实质是对通道中增益进行校正，使被测信号读出的幅度值的 精度达到技术指标要求。数字示波器在不同垂直灵敏度下的增益有所不同，而所需的增益 是由多个模块共同完成的。表1是数字示波器各个档位所需增益的示例。
[0028]表 1
[0029]模拟通道垂直调理模块是数字示波器的主要模块之一，其具体结构根据数字示波 器的设计不同而有所不同。图1是数字示波器中模拟通道垂直调理模块结构示例图。如图1 所示，数字示波器中模拟通道垂直调理模块包括粗衰减/直通网络1、阻抗变换网络2、数字 步进衰减器(DSA，Digital Step Attenuator)3、固定增益运放4、ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)驱动器5、ADC6。粗衰减/直通网络1根据硬件设计的不同，在直通档 位下不进行任何处理，在衰减档位则根据不同的阻抗条件衰减固定的倍数。数字步进衰减 器3是可控增益衰减器，可以实现信号幅度的连续调节，保证信号幅度的精确性。固定增益 运放4实现增益固定放大功能。通过数字步进衰减器3和固定增益运放4的级联，构成增益调 节网络来实现可变增益放大。为了保证所有垂直灵敏度下的增益都满足ADC对输入信号电 平的要求，数字步进衰减器3的最大衰减量、固定增益运放4的增益以及ADC6内部提供的增 益必须合理匹配。因此本实施例中增益调节器件为数字步进衰减器和ADC，增益调节量即为 数字步进衰减器的衰减量和ADC的内部增益。在实际应用中，可以根据数字示波器的具体结 构来选择增益调节器件，可以选择一个单独调节，也可以选择多个进行组合调节。
[0030] 在每个垂直灵敏度下，模拟通道垂直调理模块是直通、衰减还是放大增益，在硬件 设计完成时已经固定，且增益值也固定完成，在切换垂直灵敏度时这些工作就同时完成了。 垂直灵敏度校正只是需要微调增益使幅度测量误差达到技术指标即可。本发明在垂直灵敏 度自校正时没有采用外部输入信号，利用偏置电压作为内部校正源，通过算法实现增益自 校正，使幅度测量误差达到技术指标，且垂直灵敏度自校正不依赖于外部设备。
[0031] 图2是本发明数字示波器垂直灵敏度自校正方法的流程图。如图2所示，本发明数 字示波器垂直灵敏度自校正方法包括以下步骤：
[0032] S201:初始化数字示波器：
[0033]设置数字示波器需要校正的通道，设置通道的耦合方式为直流耦合、触发耦合方 式为直流耦合、采集方式为平均采样，垂直灵敏度为垂直灵敏度范围中的最大值。本实施例 中平均次数为16次，时基档位为示波器的最快实时采样档。
[0034] S202:下调偏置电压后采集：
[0035] 调节偏置电压Voffsetii-KAHD，其中HD表示当前的垂直灵敏度，h表示预设的正 常数，也就是使信号波形位于显示区零点电平的下方的正的常数值，代表了示波器显示区 域垂直方向上的div数。然后计算得到当前采集数据的平均值V adl。
[0036]当偏置电压超出数字示波器的波形显示区域的垂直方向时，就超过了ADC的量化 范围，则为了校正的精度，偏置电压不得超出波形显示区域的垂直方向的范围。以数字示波 器的波形显示区垂直方向划分成8div为例，则h最大不能超过4,为了保证校正的精度，心的 最大值一般不能取到4。因此本发明设置心的取值范围为表示波形显示区垂直 方向的div数。一般来说，h的值稍微大一点会有利于校正精度，而且当仏取整数时会有助于 步骤S204中标准值的精确计算，即最好取与D/2最接近且小于D/2的整数，因此本实施例中 设置Ki = 3。
[0037] S203:上调偏置电压后采集：
[0038]调节偏置电压VrffsetszK^YID，也就是使信号波形位于显示区零点电平的上方。然 后计算得到当前采集数据的平均值Vad2。同样地，K2的取值范围为0<K2<D/2,同样也代表了 波形显示区域垂直方向上的div数，心和心的值可以相同，也可以不同，K 2也最好取与D/2最 接近且小于D/2的整数，本实施例中同样设置K2 = 3。
[0039] S204:计算两次偏置电压时的采集数据值的相对距离：
[0040]计算两次设置偏置电压时的采集数据平均值的相对距离AV = Vad2-Vadl，该相对距 离表示两次采集数据平均值之间的量化值个数。
[0041 ]根据A V定义可知，A V是两次设置偏置电压时采集数据间的相对量，理论上有(A +K2)div个量化值，因此本方案采用的是相对误差校正方法，摆脱了基线对偏置电压的影 响，从而可以保证垂直灵敏度的精度。
[0042] S205:计算相对距离标准值：
[0043]由于步骤S204中计算的相对距离A V是采集量化值的差值，也就是说其结果是区 间内量化值的个数，因此相对距离标准值A Vst&需要以量化值的个数为单位，表示波形显 示区垂直方向的（Ki+K2)div理论上所代表的量化值的个数，可知A Vst= (K1+K2)* YdotsPerDiv，其中YdotsPerDiv表示波形显示区垂直方向上每个div所代表的量化值个数。 例如，8bit ADC，其量化值有256个，映射到波形显示区垂直方向的量化值是200个，均分成 与波形显示区垂直方向对应的8d i v，则每d i v对应2 5个量化值。那么当h = 3、K2 = 3时，相对 距离标准值A Vst= 150。
[0044] S206:判断是否A Ve [ A Vst-S，A Vst+S]，S表示预设的容差点数，即允许的误差范 围，其值可以根据技术指标要求的设计精度进行设置。如果A Ve [ A Vst_S，A Vst+S]，说明 数字示波器的当前垂直灵敏度精度达到了要求，该垂直灵敏度校正结束，进入步骤S208，否 则进入步骤S207。
[0045] S207:增益调节：
[0046] 本发明中假设粗调和细调的调节步进都是以分贝（dB)为单位进行的，因此在计算 增益调节值Amplifier时，也以dB为单位，增益调节值Amplifier的计算公式为：
[0047] Amplif ier = 201g( A Vst/ A V)
[0048] 根据增益调节值Amplifier计算增益调节器件的调节量，如果存在调节量，则对增 益调节器件进行调节，返回步骤S202,如果增益调节器件不存在调节量，进入步骤S208。一 般来说增益调节器件都存在调节步长，因此要根据调节值和调节步长来计算调节量，当增 益调节值小于调节步长时，则无法实现调节，即不存在调节量。显然，A V> A Vst时， AmplifierCO,需要增大衰减量或者减小放大倍数；当A V< A Vst时，Amplifier>0,需要减 小衰减量或提高放大倍数。
[0049] 本实施例中增益调节器件选用数字步进衰减器和ADC，将增益的调节分为粗调和 细调，增益的粗调是调节模拟通道垂直调理模块中的数字步进衰减器，增益的细调是调整 ADC6内部提供的增益。对数字步进衰减器和/或ADC内部增益的调节，可以同时调节，也可以 一次只调节一个器件，其具体算法可以根据需要来设置，本实施例中采用直接计算出调节 量的方法来实现，通过粗调和细调两者结合使垂直灵敏度精度更高。其具体方法为：
[0050] 计算《=|如?/;/(77("'/.你/)_('0<：//:?'」，其中8七6。_(30&186表不粗调步进，即数字步进 衰减器的调节步进，以dB为单位，L」表示向下取整。如果a关0,说明此时可以采用粗调，那 么设置数字步进衰减器的衰减量coarse = coarse_a X step_coarse，coarse>0。当a>0，即 Amplif ier>0时，衰减量coarse变小，即减小衰减器的衰减量，粗调量为| aX step_coarse ;反之当a<0时，增大衰减器的衰减量，粗调量为| aX step_coarse |。再返回步骤S202判 断。
[0051] 如果a = 〇，则说明不能进行粗调，可能需要进行细调，那么计算 /? = |_乂/??/;/汾r/.s?吵_./丨w」，step_f ine表示细调步进，即ADC的增益调节步进，以dB为单 位。如果b矣0，说明此时可以采用细调，那么设置ADC的内部增益f ine = f ine+b X step_ fine，其中fineE [finemin，finemax]，finemin<0，finemax>0。这是因为ADC内部增益可以为 正也可以为负，当增益为负时，相当于进行了衰减。显然当为衰减（即fine<0)时，其调节与 数字步进衰减器的衰减量调节类似，即当b>0,内部增益fine的值增大，相当于减小了衰减 量，细调量为|bXstep_fine |，反之当b<0时，内部增益fine的值减小，相当于增大了衰减 量，细调量为|bXstep_fine |。当ADC为放大（即fine>0)时，当b>0,增大了内部增益fine， 放大倍数增大，细调量为|bXstep_fine|，反之当b<0时，减小了内部增益fine，放大倍数 减小，细调量为I bX step_fine |。再返回步骤S202判断。如果b = 0,那么此时数字步进衰减 器和ADC均不存在调节量，则进入步骤S208。根据ADC内部增益的调节可知，在调节过程中， 有可能会实现ADC工作方式的切换，即fine的正负切换，也就是从放大转换为衰减，或是从 衰减转换为放大。
[0052] 根据以上调节算法可以看出，该调节算法先采用粗调，粗调完成或不能粗调时再 进行细调。这是因为粗调的调节步进一般大于细调的调节步进，只有粗调达不到精度要求 时才进行细调，细调的小步进调节使垂直灵敏度精度更高，采用这种方式可以使校正更有 效率。在调节过程中，如果遇到极端情况，数字步进衰减器的衰减量和ADC内部增益已经调 整到了极限值仍然不能达到校正要求，这时候只能结束校正。但是一般来说，在数字示波器 设计时，其增益偏差不会太大，也会预留足够的校正余量，除非是数字示波器内部电路存在 故障，才有可能出现这种极端情况，而本发明针对的是正常的数字示波器的垂直灵敏度自 校正，因此未将该极端情况考虑在内。
[0053] 下面以一个具体例子为例，来说明本实施例中所提出的调节算法具体执行过程。 假设当前数字步进衰减器的衰减量coarse = 20dB，ADC内部增益fine = -0.02dB，step_ coarse = 0 ? 25dB，step_fine = 0 ? 017dB。当 A Vst/ A V = 1 ? 04，可以计算得到Amplifier ? 0.34dB，那么a = 1，此时数字步进衰减器的衰减量coarse = 20-1 X 0.25 = 19.75dB，返回再 次设置偏置电压，获取两次偏置电压调整的相对距离，重新计算Amplifier，假设此时A Vst/ 厶7 = 0.993，可以计算得到厶11^11;1^61'?-0.06(113，那么3 = 0，因此计算匕=-3，此时厶0(]的内 部增益行1^ = -0.02+3\0.017 = -0.031(^。返回再次设置偏置电压，此时计算得到的八￥在 AVe[ AVst-S，AVst+S]内，那么垂直灵敏度校正结束。
[0054] S208:判断是否所有垂直灵敏度都校正结束，如果是，该通道校正结束，否则进入 步骤S209。
[0055] S209:切换至下一垂直灵敏度，返回步骤S202。
[0056]本发明通过公式计算来得到需要调整的增益值，对数字步进衰减器的衰减量和/ 或ADC的内部增益进行调节。上述流程是一个通道下所有垂直灵敏度下的校正流程，当数字 示波器不止一个通道时，需要对每个通道分别进行校正，即分别进行步骤S201至步骤S209 的校正过程。
[0057]本发明将垂直灵敏度自校正建立在偏置电压基础之上，将偏置电压作为一个内部 校正源，是整个自校正过程的基础。采用两次偏置的相对量判断增益是否达到精度要求，再 直接计算出需要调整的变化量，减少反复的调节次数，提高垂直灵敏度自校正效率。表1是 本发明与垂直灵敏度手动校正的对比。
[0059] 表 2
[0060] 从表2可知，根据本发明可以编写软件程序来控制调节，避免了人为调整的繁琐以 及精度低等问题，节省大量的人力和时间，提高了精度，简化校正过程。不需要额外的设备 支持，极大地拓展了该功能的使用环境。
[0061] 尽管上面对本发明说明性的【具体实施方式】进行了描述，以便于本技术领域的技术 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。
【主权项】
1. 一种数字示波器垂直灵敏度自校正方法，其特征在于，包括以下步骤： Si:初始化示波器，设置数字示波器需要校正的通道，设置通道的耦合方式为直流耦 合、触发耦合方式为直流耦合、采集方式为平均采样，垂直灵敏度为垂直灵敏度范围中的最 大值； S2:设置偏置电压Vciffsetl = -KAYID,其中YID表示当前的垂直灵敏度，K1表示预设的正 常数，K1的取值范围为(XK1SD/^, D表示波形显示区垂直方向的格(div)数;计算得到当前 采集数据量化值的平均值Vadl; S3:再次设置偏置电压Vciffset2 = K^YID, K2的取值范围为0<K2<D/2;计算得到当前采集 数据量化值的平均值Vad2; S4:计算两次设置偏置电压时采集数据的平均值的相对距离AV = Vad2-Vadl; S5:计算相对距离标准值Δ Vst= (Ki+K2)*YdotsPerDiv，其中YdotsPerDiv表示波形显示 区垂直方向中每个d i V所代表的量化值个数； S6:如果Δ Ve [ Δ Vst-δ，Δ Vst+δ]，该垂直灵敏度校正结束，进入步骤S8，否则进入步骤 S7; S7:计算增益调节值Amplifier: Amplif ier = 201g( Δ Vst/ Δ V) 根据增益调节值Amplifier计算增益调节器件的调节量，如果存在调节量，则对增益调 节器件进行调节，返回步骤S2,如果增益调节器件不存在调节量，进入步骤S8; S8:如果所有垂直灵敏度都校正结束，该通道校正结束，否则切换至下一垂直灵敏度， 返回步骤S2。2. 根据权利要求1所述的垂直灵敏度自校正方法，其特征在于，所述参数KjPK2等于与 D/2最接近且小于D/2的整数。3. 根据权利要求1所述的垂直灵敏自校正方法，其特征在于，所述步骤S7中对增益调节 器件包括数字步进衰减器和ADC，其调节方法为： 计算a = I ，其中step_coarse表示数字步进衰减器的调节步 进，U表示向下取整;如果0，设置数字步进衰减器的衰减量⑶81^ = coarse_a X step_ coarse;如果a = 0，计算? = .《释/與，step_fine表示ADC的增益调节步长;如 果b 关0，设置ADC 的内部增益fine = fine+b X step_fine，其中fine e [finemin, finemax]， finemin<0，f inemax>0;如果b = 0，那么此时数字步进衰减器和ADC均不存在调节量。
【文档编号】G01R35/00GK105891760SQ201610331684
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】曾浩, 赵佳, 邱渡裕, 杨扩军, 张沁川, 赵勇
【申请人】电子科技大学