[发明专利]一种基于频率快速测量算法的示波器自动设置方法

说明书

本发明公开了一种基于时间域软件测量幅度、频率快速测量算法的示波器自动设置方法，包括：将需要处理的数据抽取出多个时间间隔不同的特征数组；并对这多个特征数组进行峰峰值以及最小整周期数的判断，找到能代表信号峰峰值和频率特征的数组；再根据该数组对水平时基档和垂直幅度挡位进行设置。本发明具有低成本、速度快、适用范围广等特点。

技术领域

本发明属于电子测量仪器领域，特别涉及一种时间域软件测量幅度及频率的快速测量算法，以及基于此算法的数字示波器快速自动设置方法。

背景技术

示波器作为电子信息领域最常用的测量仪器，在各大高校、实验室、公司等都发挥着着巨大的作用，但在其使用时常需要手动调节水平时基及垂直幅度以使得波形的显示效果良好，而自动设置功能可以自动对水平时基及垂直幅度进行设置，以满足使用者的要求。

自动设置功能实际上是对信号的幅度和频率进行测量，以此确定应选择的水平时基和垂直幅度，大概方法都是先初始化一个幅度挡位，然后通过特定方法得到其幅度或频率，如果幅度挡位不合适就需要调整幅度挡位重新测量。

在现有的方法里，对于信号幅度的测量可以分为软件和硬件两类。其中硬件一般通过峰值检测电路实现；而软件一般是通过对采样数据进行一次遍历得到其最大最小值，两者做差即可得到信号的幅度。而对于未知信号的频率测量也大致可以分为硬件和软件两类。其中，硬件主要是通过对输入信号进行整型后通过比较电路输出为与输入信号频率相关的方波，再利用测频电路测量其频率，常用方法包括：直接测频法、多周期测频法等；软件测频又可以分为时间域测频和频率域测频两类，时间域测频一般是对采样数据进行两次遍历，通过计算每个信号周期内的采样点数进而计算信号频率，频率域测频一般采用的是对采样数据进行快速傅里叶变换将其转换成频率域后找出信号中除直流分量外频率分量最大值的频率，即可视为信号频率。

然而，上述方法在使用中都存在一定问题。例如，中国专利CN101609106A公开的“数字示波器的自动设置方法”以及中国专利CN103809002A公开的“数字荧光示波器自动设置的控制方法”都是使用硬件电路测量频率、软件方法测幅度，再通过二分法对幅度挡位进行调整后再次进行重复测量的方式。在实际使用中测频电路要求幅度挡位设置合适、输入信号幅度足够大且比较电平设置合理，而时间域软件测幅度又要求时基挡位设置合理，并对至少一周期的数据进行遍历，采样率越高，花费时间就越多，同时由于测频和测幅度的互相约束，导致自动设置常需要多次重复测量，消耗大量时间且准确率较低。

中国专利CN105510664A公开的“一种数字示波器的自动设置方法”以及中国专利CN106597048A公开的“一种基于硬件集中式的数字示波器快速自动设置方法”都是使用硬件电路测量频率，硬件峰值检测测幅度的方式。其频率测量方面仍会面临上述问题，而其采用的峰值检测模式虽然避免了时间域软件测频运算量大、花费时间多的缺点，但其允许的信号频率低，对于高频信号很难适用。

中国专利CN108037339A公开的“一种数字示波器自动设置的控制方法”使用的是软件测幅度，频率域软件测频的方式。其将软件测幅度与采样同步进行，使得避免了上述专利在幅度测量的缺点，但是其不适用于采样率高的示波器，当数据采集速度高于FPGA的处理速度，幅度测量与采样就无法保持同步，导致消耗时间的增加。其对频率的测量需要对数据进行快速傅里叶变换，而随着采样率的增大，需要计算的数据量也会变大，消耗时间也会显著增多。此外，由于其需要对采样数据并行处理及快速傅里叶变换，就要求使用FPGA这样的硬件处理器，且随着示波器采样率的提高，对资源的占用就越大，成本较高。

综上所述，目前大部分的示波器自动设置方法在速度、准确率、适用频率范围、成本等方面都各有不足。

发明内容