一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路及方法

摘要

本发明公开了一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路及方法，包括数字积分器，数字积分器的输出连接过零比较器，过零比较器的输出连接锁存器，锁存器的输出一路连接滤波器，另一路串连数模转换器、垂直分辨率扩展映射器后反馈到数字积分器的输入端；滤波器由开关控制其工作与否；锁存器还与时钟信号发生器连接，数字积分器、过零比较器、锁存器、数模转换器及垂直分辨率扩展映射器都在FPGA中搭建；还包括存储器，存储器内预存有数字信号和模拟波形。能够完全集成于示波器内部，有针对性地、高效地产生所需的各种培训信号，从示波器自带的辅助输出端口，波形失真很小，且整个功能模块硬件电路极少，软件占用处理器资源极少，成本极低。

权利要求

1.一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路，其特征是，包括数字积分器，所述数字积分器的输出连接过零比较器，所述过零比较器的输出连接锁存器，所述锁存器的输出一路连接滤波器，另一路串连数模转换器、垂直分辨率扩展映射器后反馈到所述数字积分器的输入端；所述滤波器由开关控制其工作与否；所述锁存器还与时钟信号发生器连接，所述数字积分器、过零比较器、锁存器、数模转换器及垂直分辨率扩展映射器都在FPGA中搭建；还包括存储器，所述存储器内预存有数字信号和模拟波形。

2.如权利要求1所述一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路，其特征是，所述模拟波形包括正弦波、调幅波、调频波、SINC、欠幅脉冲信号、三角波及锯齿波。

3.如权利要求1所述一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路，其特征是，所述数字信号包括脉冲信号、方波、带偶发毛刺的时钟信号、数字猝发信号、RS232总线信号、CAN总线信号、LIN总线信号、FlexRay总线信号及1-Wire总线信号。

4.如权利要求1所述一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路，其特征是，所述数字积分器输入为数字信号时，控制开关将滤波器断开，最终输出波形直接通过锁存器输出，波形量化后只有0和1两个状态，0输出低电平，1输出高电平，无需调制。

5.如权利要求1所述一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路，其特征是，所述数字积分器输入为模拟波形时，锁存器的输出通过开关连通滤波器；波形量化后垂直分辨率选定为8Bit，具有0～255共256个模拟电压采样量化值。

6.如权利要求5所述一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路，其特征是，锁存器输出的调制信号通过逻辑上的数模转换器以及垂直分辨率扩展映射器组成的反馈通路，最终将低电平映射为数字0，将高电平映射为模拟波形量化数据的最大幅值255，将储存的模拟波形量化数据和反馈值进行作差比较，并对比较结果进行有符号数累加，如果结果大于0，则通过锁存器输出高电平1；如果结果小于或等于0，则通过锁存器输出低电平0。

7.如权利要求1所述一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路，其特征是，所述数模转换器为1Bit数模转换器。

8.如权利要求1所述一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路，其特征是，所述滤波器为一阶无源低通滤波器。

9.一种如权利要求1所述的一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路的信号产生方法，其特征是，包括：初始化8位累加器；不断地将存储器中的波形量化数据累加到8位累加器中，如果计算结果大于255，8位累加器溢出，则输出为高电平，如果8位累加器没有溢出，则输出为低电平；输入为数字信号时，控制开关将滤波器断开，最终输出波形直接通过锁存器输出，输出只有高低电平；输入为模拟波形时，锁存器的输出通过开关连通滤波器，通过滤波器滤波后，输出幅值平均值无限接近于模拟波形。

10.如权利要求9所述的信号产生方法，其特征是，对于模拟波形，调制信号脉宽取决于期望的模拟波形量化数据x的大小，最小为一个时钟周期t，最大为 个时钟周期，最大脉宽 相应地 ，调制信号的周期频率中最小频率为：以上t为时钟周期。

说明书

一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及测试测量技术领域，尤其涉及一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路及方法。

背景技术

[0002] 数字示波器已成为研发、制造和维修电子设备不可或缺的工具。随着科技和市场需求的不断发展，示波器功能日益强大和丰富，而其体积正向手持式、小型化、集成化方向快速发展。当前示波器在进行演示、培训、教学等应用时，因其自身丰富的功能，往往还需配备函数发生器、总线协议发生器等配套仪器，这就使得携带和搬运极其不便，既给用户增加了极大的成本，又背离了手持式、小型化、集成化的发展趋势。

[0003] 国内示波器发展越来越迅速，功能日益丰富和完善，为满足多样化的市场需求，各大示波器厂商往往推出价格几千甚至上万元的函数发生器选件集成于示波器内部，方便用户购买和使用。但是，函数发生器选件不仅成本高，而且用户在使用该选件时，往往还需要有针对性的自行编辑相关应用的波形数据，这就造成操作的极大不便。

发明内容

[0004] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路及方法，能够在很少硬件电路和处理器资源支持的情况下，有针对性地、高效地产生所需的各种培训信号，摆脱示波器在相关应用中还需配备函数发生器等配套仪器带来的不便，从而推动示波器进一步向手持式、小型化、集成化方向发展。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0006] 一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路，包括数字积分器，所述数字积分器的输出连接过零比较器，所述过零比较器的输出连接锁存器，所述锁存器的输出一路连接滤波器，另一路串连数模转换器、垂直分辨率扩展映射器后反馈到所述数字积分器的输入端；所述滤波器由开关控制其工作与否；所述锁存器还与时钟信号发生器连接，所述数字积分器、过零比较器、锁存器、数模转换器及垂直分辨率扩展映射器都在FPGA中搭建；还包括存储器，所述存储器内预存有数字信号和模拟波形。

[0007] 所述模拟波形包括正弦波、调幅波、调频波、SINC、欠幅脉冲信号、三角波及锯齿波。

[0008] 所述数字信号包括脉冲信号、方波、带偶发毛刺的时钟信号、数字猝发信号、RS232总线信号、CAN总线信号、LIN总线信号、FlexRay总线信号及1-Wire总线信号。

[0009] 所述数字积分器输入为数字信号时，控制开关将滤波器断开，最终输出波形直接通过锁存器输出，波形量化后只有0和1两个状态，0输出低电平，1输出高电平，无需调制。

[0010] 所述数字积分器输入为模拟波形时，锁存器的输出通过开关连通滤波器；波形量化后垂直分辨率选定为8Bit，具有0～255共256个模拟电压采样量化值。

[0011] 锁存器输出的调制信号通过逻辑上的数模转换器以及垂直分辨率扩展映射器组成的反馈通路，最终将低电平映射为数字0，将高电平映射为模拟波形量化数据的最大幅值255，将储存的模拟波形量化数据和反馈值进行作差比较，并对比较结果进行有符号数累加，如果结果大于0，则通过锁存器输出高电平1；如果结果小于或等于0，则通过锁存器输出低电平0。

[0012] 所述数模转换器为1Bit数模转换器。

[0013] 所述滤波器为一阶无源低通滤波器。

[0014] 一种所述的一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路的信号产生方法，包括：初始化8位累加器；不断地将存储器中的波形量化数据累加到8位累加器中，如果计算结果大于255，8位累加器溢出，则输出为高电平，如果8位累加器没有溢出，则输出为低电平；输入为数字信号时，控制开关将滤波器断开，最终输出波形直接通过锁存器输出，输出只有高低电平；输入为模拟波形时，锁存器的输出通过开关连通滤波器，通过滤波器滤波后，输出幅值平均值无限接近于模拟波形。

[0015] 对于模拟波形，调制信号脉宽取决于期望的模拟波形量化数据x的大小，最小为一个时钟周期t，最大为 个时钟周期，最大脉宽 相应地，调制信号的周期频率中最小频率为： 以上t为时钟周期。

[0016] 本发明的有益效果：

[0017] 1)数字调制器所需处理器资源极少，波形产生效率高；

[0018] 2)只需极少的硬件电路支持，可以利用示波器现有的输出端口(例如辅助输出端口甚至1KHz校准信号输出端口)进行波形输出；

[0019] 3)产生的培训信号波形失真度很小；

[0020] 4)产生的培训信号，包括数字信号和模拟信号，具有一定的针对性，极大方便了示波器在演示、培训、教学等方面的相关应用，用户无需为此专门编辑复杂的波形数据。

[0021] 能够完全集成于示波器内部，有针对性地、高效地产生所需的各种培训信号，从示波器自带的辅助输出端口，甚至1KHz校准信号等端口输出，软件占用处理器资源极少，成本极低。

附图说明

[0022] 图1为本发明的结构框图；

[0023] 图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0025] 如图1所示，一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路，包括数字积分器，所述数字积分器的输出连接过零比较器，所述过零比较器的输出连接锁存器，所述锁存器的输出一路连接滤波器，另一路串连数模转换器、垂直分辨率扩展映射器后反馈到所述数字积分器的输入端；所述滤波器由开关控制其工作与否；所述锁存器还与时钟信号发生器连接，所述数字积分器、过零比较器、锁存器、数模转换器及垂直分辨率扩展映射器都在FPGA中搭建，构成一阶Delta-Sigma数字调制器；还包括存储器，所述存储器内预存有数字信号和模拟波形。

[0026] 在示波器的演示、培训、教学等相关应用中，所需波形可以分为数字信号和模拟波形。针对相关应用，选定如下波形，通过采样量化后储存在存储器中，供本方法中的数字调制器使用：模拟波形包括正弦波、带毛刺的正弦波、调幅波、调频波、SINC、欠幅脉冲信号、三角波、锯齿波等，数字信号包括脉冲信号、方波、带偶发毛刺的时钟信号、数字猝发信号、RS232总线信号、CAN总线信号、LIN总线信号、FlexRay总线信号、1-Wire总线信号等。

[0027] 本发明包括数字调制器和滤波器两个部分。其整体原理框图如图1所示。

[0028] 对于数字信号，在输出路径上无需接通数字开关K控制选通的无源低通滤波器，因此其波形是直接通过处理器的数字I/O端口输出的，亦即波形量化后只有0和1两个状态，0输出低电平，1输出高电平，无需调制。

[0029] 而对于模拟波形，在输出路径上需要开启数字开关K控制选通的无源低通滤波器，其波形量化后垂直分辨率选定为8Bit，具有0～255共256个模拟电压采样量化值。

[0030] 针对模拟波形的一阶Delta-Sigma数字调制器如图1中虚线框部分所示。其中，数字调制信号只有高低电平之分，当前调制信号的输出电平通过逻辑上的1Bit DAC以及垂直分辨率扩展映射组成的反馈通路，最终将低电平映射为数字0，将高电平映射为模拟波形量化数据的最大幅值255。此时，将储存的模拟波形量化数据(亦即输出波形电压的期望值)和反馈值进行作差比较，并对比较结果进行有符号数累加，如果结果大于0，则通过锁存器输出高电平1；如果结果小于等于0，则通过锁存器输出低电平0。

[0031] 用以实现以上功能的程序流程图如图2所示，一种高效的低失真数字示波器培训信号产生电路的信号产生方法，初始化8位累加器；不断地将内部存储器中的波形量化数据(亦即输出波形电压的期望值)累加到累加器ACC中，如果本次计算结果大于255，累加器溢出，则设置调制输出引脚为高电平，如果累加器没有溢出，则设置输出为低电平。具体的包括：

[0032] (1)初始化8位累加器ACC＝0，初始化波形量化数据索引i＝0；

[0033] (2)读取第i个8位，波形量化数据data[i]；

[0034] (3)ACC＝ACC+data[i]；

[0035] (4)判断ACC是否溢出，如果溢出调制端口输出高电平，i＝i+1，判断i是否达到最大？如果达到最大则结束，没有达到最大则返回(2)；

[0036] 如果不溢出，调制端口输出低电平，i＝i+1，判断i是否达到最大？如果达到最大则结束，没有达到最大则返回(2)。

[0037] 仅从调制信号最终输出结果即可看出，以上流程能够充分利用数字处理器的特性，高效地实现图1所示的数字调制器反馈逻辑，最终使得只有高低电平输出的数字调制信号，在通过低通滤波器滤波后，其输出幅值平均值无限接近于模拟波形。

[0038] 对于模拟波形，调制信号脉宽取决于期望的模拟波形量化数据x的大小，最小为一个时钟周期t，最大为 个时钟周期，最大脉宽 相应地，调制信号的周期频率中最小频率为：

[0039]

[0040] 其中，t为时钟周期。

[0041] 如果图1中的时钟信号发生器产生的时钟频率选择50MHz时，亦即时钟周期每20ns调整一次输出，则可以定量计算调制信号频谱中高频分量的最小频率，以及滤波之后获得的培训信号的最小信噪比。

[0042] 对于大小为x(x为整数，x∈[0,255])的8bit模拟波形量化数据，可以得出以下结论：

[0043] 1.若x＜128，那么累加器在做累加计算时不可能连续两次溢出，所以调制信号的高电平持续时间最大只能是一个时钟周期20ns，而低电平持续时间则必然大于等于1个时钟周期。因此此时调制信号最小脉宽为20ns，最大脉宽为 个时钟周期，其中int代表取整运算。

[0044] 2.若x≥128，那么累加器在做累加计算时不可能连续两次均不溢出，所以调制信号低电平持续时间最大只能是一个时钟周期20ns，而高电平持续时间则必然大于等于1个时钟周期。因此此时调制信号最小脉宽为20ns，最大脉宽为 个时钟周期，其中int代表取整运算。

[0045] 对于50MHz时钟，根据公式(1)计算可得调制信号频谱中高频分量的最小频率Fmin＝195KHz。所以按照奈奎斯特采样定理，原始模拟波形频谱最大频率分量不能超过97KHz，考虑信噪比的要求，如果选用一阶无源低通滤波器，频率转折点设为20KHz，亦即模拟波形频谱需要小于20KHz，因为此时低通滤波器频率特性曲线在频率转折点后为-20dB/十倍频，Fmin＝195KHz大约是频率转折点的十倍频，所以此时培训信号信噪比最小约为20dB左右。实际上，只有波形量化数据接近0或者接近255时，信噪比才是20dB。如果波形量化数据x＝128，根据公式(1)计算可得Fmin＝25MHz，此时信噪比将达到60dB以上。而在一般应用中，模拟波形的量化数据分布于0或255附近的数量相对较少，这样平均信噪比可以很容易地达到
40dB以上。另外，如果选用二阶低通滤波器，其频率特性曲线在转折频率处为-40dB/十倍频，那么信噪比可以进一步提升，最小信噪比将达到40dB，而最大信噪比理论上可以达到
120dB以上。

[0046] 本发明对数字波形和模拟波形分别进行了处理，给出了培训信号中数字/模拟波形调制以及低通滤波的原理和方法。

[0047] 该电路及方法所需处理器资源和硬件电路资源极少，并且可以利用示波器现有的输出端口(例如辅助输出端口甚至1KHz校准信号输出端口)进行波形输出。

[0048] 该电路及方法产生的培训信号具备很小的失真度。

[0049] 该电路及方法所产生的培训信号具有一定的针对性，极大方便了示波器在演示、培训、教学等方面的相关应用。

[0050] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。