DE3786356T2 - Apparatur und Methode für wiederholendes Zufallssampling. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft im allgemeinen digitale Oszilloskope und im besonderen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen von Daten durch wiederholtes Zufallsabtasten oder Zufallssampling
• Ein digitales Oszilloskop sampelt oder tastet eine analoge Wellenform zu diskreten Zeitpunkten ab, wandelt die analogen Werte in digitale Werte um und speichert diese Werte und die entsprechenden Abtastzeiten in einem Speicher. Die Oszilloskopanzeige ist ein Diagramm der digitalen Abtastwerte, wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt. Die Anzeigegenauigkeit hängt von der Dichte der Abtastpunkte relativ zur Periode und Anstiegszeit der abgetasteten Wellenform ab. Bei Einmal-Abtastoszilloskopen, wie dem Hewlett-Packard Company Modell 54200 A/D, ist die Dichte durch die maximale Abtastrate des Oszilloskops begrenzt. Wiederholend abtastende Oszilloskope, wie das Hewlett-Packard Company Modell 54100 A/D, verwenden wiederholendes Zufallssampeln oder Zufallsabtasten, um die Anzeigedichte einer abgetasteten, sich wiederholenden Wellenform über die maximale Abtastrate hinaus zu erhöhen. Beim wiederholenden Zufallsabtasten werden die während mehrere Erfassungsperioden aufgenommenen Abtastwerte relativ zu gemeinsamen Trigger- oder Auslösepunkten kombiniert, um eine angezeigte Wellenform zu bilden. Die Anzeigedichte wird erhöht, weil die Erfassungsperioden sich relativ zu gleichliegenden Triggerpunkten überlappen. Fig. 2A bis C zeigen eine Anzeige nach einer, zwei bzw. mehreren Erfassungen.
• Wenn bei einer wiederholenden Zufallsabtastung die Periode der Wellenform kürzer ist als die Abtasttaktperiode des Oszilloskops, und wenn die Suche nach einem gemeinsamen Bezugspunkt für die Erfassungsperiode zu einem mit dem Abtasttakt synchronisierten Zeitpunkt beginnt, enthält die angezeigte Information Lücken, wie in Fig. 3 gezeigt. Lücken treten auf, weil ein Trigger- oder Auslöseereignis für wiederkehrende Wellenformen immer innerhalb einer Wellenperiode liegt. Eine frühere Lösung, die beim Hewlett-Packard 54100 A/D verwendet wurde, war eine Phasenverschiebung des Abtasttaktes. Diese Lösung war jedoch großräumig, teuer und langsam und erforderte eine spezielle Software. Zusätzlich sind diskontinuierliche Anzeigelücken aufgetreten.
• In Electronics Week, Band 58, Nr. 6, Februar 1985, Seiten 61 bis 65 ist ein digitales Oszilloskop mit variabler Resistenz oder Nachleuchtdauer beschrieben, bei dem der Eingangsstromkreis eine Dämpfungs- und Offsetschaltung aufweist, um ein Signal innerhalb den Bereich eines Samplers und eines Analog-Digital-Umsetzers zu bringen.
• In Hewlett-Packard Journal, Band 37, Nr. 4, April 1986, Seiten 4 bis 11, ist dasselbe digitale Oszilloskop, HP 54100 A/D und der Einsatz der wiederholenden Zufallsabtastung bei diesem Oszilloskop beschrieben. Zufallsabtastwerte von Eingangssignalspannungen werden gespeichert, und die Zeitpunkte dieser Abtastwerte werden durch Messen der Zeitbeziehung zwischen einem Triggerereignis relativ zum Eingangssignal und dem Abtasttakt des Oszilloskops bestimmt. Die Akkumulation der Information über viele Triggerereignisse erzeugt ein genaues Bild der Wellenform des Signales.
• Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Erfassen von Daten in einem digitalen Oszilloskop vorgesehen, mit einer Abtastvorrichtung, die einen Takteingang, einen Signaleingang und einen Ausgang aufweist, wobei der Ausgang bei steigenden Flanken des Takteingangs auf den analogen Wert des Signaleingangs gesetzt wird, einer mit der Abtastvorrichtung verbundenen Umsetzervorrichtung zum Umsetzen der abgetasteten analogen Werte in digitale Werte, einer mit der Umsetzervorrichtung verbundenen ersten Speichervorrichtung zum Speichern digitaler Werte, einer mit der Abtastvorrichtung verbundenen Zeitbasis-Vorrichtung, die einen Vortrigger-Verzögerungszähler, einen Nachtrigger-Verzögerungszähler und eine Abtast-Steuereinrichtung aufweist, einer mit der ersten Speichervorrichtung verbundenen Mikroprozessor-Vorrichtung zum Steuern der Zeitbasis-Vorrichtung, der ersten Speichervorrichtung, einer zweiten Speichervorrichtung und einer Anzeigevorrichtung, einer mit der Mikroprozessor-Vorrichtung verbundenen zweiten Speichervorrichtung zum Speichern von Übersetzung von in der ersten Speichervorrichtung gespeicherten digitalen Werten, einer mit der Mikroprozessor-Vorrichtung verbundenen Anzeige-Vorrichtung zum Anzeigen von in der zweiten Speichervorrichtung gespeicherten digitalen Werten, und einer mit der Zeitbasis- Vorrichtung verbundenen Synchronisiervorrichtung zum Auffinden von benutzerbestimmten Trigger-Ereignissen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zeitbasis-Vorrichtung ferner die folgenden Merkmale aufweist: eine Vorrichtung zum zufälligen Verteilen von Trigger-Ereignis-Suchvorgängen unabhängig von den am Takteingang der Abtastvorrichtung auftretenden steigenden Flanken, wobei diese Zufallsvorrichtung einen Rauschgenerator aufweist, der Zufalls-Taktimpulse einer minimalen Dauer erzeugt, sowie einen Interpolator, der bestimmt, wann die von der Synchronisiervorrichtung aufgefundenen Trigger-Ereignis relativ zu den abgetasteten analogen Werten auftreten, und daß die Zufalls-Taktimpulse den Vortrigger-Verzögerungszähler takten, und der Vortrigger-Verzögerungszähler eine benutzerbestimmte Anzahl dieser Zufalls-Taktimpulse zählt und die Synchronisiervorrichtung freigibt, wenn diese benutzerbestimmte Anzahl gezählt worden ist.
• Gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet ein wiederholendes Zufallsabtastungs-Oszilloskop eine Pseudozufalls-Rauschquelle, um zufällig die Beziehung des Triggerereignisses zum Abtasttakt zu verändern. Das Oszilloskop füllt die Lücken mit erfaßten Daten und zeigt eine verbesserte Darstellung der Wellenform an, indem es die Triggerereignisse bei einer echten Zufallszeit bezüglich des Abtasttaktes auf findet. Das Oszilloskop nach der Erfindung ist sowohl kostengünstig als auch sehr wirksam.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 eine Anzeige eines typischen digitalen Oszilloskops nach dem Stand der Technik,
• Fig. 2 A-C Beispiele verschiedener Stufen wiederholender Zufallsabtastungen bei einem Oszilloskop nach dem stand der Technik,
• Fig. 3 ein Beispiel der typischen Wellenform mit fehlenden Lücken, die von einem Oszilloskop nach dem Stand der Technik erzeugt wurde,
• Fig. 4 ein Blockdiagramm eines digitalen Oszilloskop gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• Fig. 5 ein Blockdiagramm der in Fig. 4 gezeigten Zeitbasis,
• Fig. 6 ein Blockdiagramm der in Fig. 4 gezeigten Synchronisiervorrichtung,
• Fig. 7 A-C Zeitablaufdiagramme für drei verschiedene Erfassungen, wobei das Auftreten des Abtasttaktes und der Triggerpunkt für jede Erfassung
• dargestellt ist, und
• Fig. 8 A-D die Zeitdiagramme von Fig. 7A bis C, die zu. einem gemeinsamen Triggerpunkt ausgerichtet sind, und ein Zeitdiagramm für die kombinierte Erfassung.
• Fig. 4 zeigt das Blockdiagramm eines Überblicks eines digitalen Oszilloskop mit wiederholender Zufallsabtastung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Oszilloskop nimmt Abtastwerte um einen Wellenform-Triggerpunkt herum auf. Mehrere Erfassungen, oder Abtastwertsätze, werden aufgenommen und unter Verwendung des Triggerpunktes jeder Erfassungsperiode als einem gemeinsamen Bezugspunkt übersetzt (kompiliert). Eine analoge Abtast-Halte-Vorrichtung 10 (Sampler oder S/H 10), ein Analog-Digital-Umsetzer 20 (Konverter oder A/D 20) und ein Speicher 30 werden für eine einzelne Erfassung verwendet. Der Sampler 10 tastet eine Wellenform bei jeder Anfangsflanke, oder Anstiegsflanke, eines Abtasttaktsignales ab, das von einer Zeitbasis 40 erzeugt wird. Die analogen Abtastwerte werden vom Konverter 20 umgesetzt, und die digitalen Abtastwerte werden dann im Speicher 30 gespeichert. Eine Verzögerung 70 gleicht die Abtasttaktsignale für den Konverter 20 bezüglich dem Sampler eigenen Verzögerungen aus. Ähnlich gleicht eine Verzögerung 72 die Abtasttaktsignale für den Speicher 30 bezüglich der Eigenverzögerungen des Konverters 20 aus. Ein Mikroprozessor 60 bestimmt die Adresse für jeden im Speicher 30 gespeicherten, digitalen Wert. Einzelne im Speicher 30 gespeicherte Erfassungen werden von einem Mikroprozessor 60 in einem Speicher 78 übersetzt, um diese später auf einer Anzeige 76 (Display 76) als eine einzelne angezeigte Wellenform darzustellen. Die Zeitbasis 40 und eine Synchronisiervorrichtung 50 steuern, wann jede Erfassung aufgenommen wird und wo die Stelle der Erfassung relativ zum Triggerpunkt liegt.
• Die Zeitbasis 40 wird zum Steuern der Abtast- und Triggerpunkterkennung während einer Erfassung verwendet. Das Abtasten beginnt vor dem Anfang einer Erfassungsperiode. Der Triggerpunkt tritt auf, wenn ein benutzerdefiniertes Triggerereignis, wie eine steigende Flanke, auftritt, während die Wellenform vom Oszilloskop auf ein Triggerereignis hin untersucht wird. Der Benutzer definiert den Abschnitt der Wellenform, der bezüglich des Triggerpunktes abgetastet werden soll, indem er eine Vortrigger-Verzögerung spezifiziert, die vor der Untersuchung der Wellenform für ein Triggerereignis auftreten soll, sowie eine Nachtrigger- Verzögerung, die nach dem Erfassen eines Triggerereignisses auftritt. Das Ende der Nachtrigger-Verzögerung ist das Ende der Erfassungsperiode, und die Abtastung endet dann. Während der Vortrigger-Verzögerung aufgenommene Abtastwerte, die Triggerereignissuche und die Nachtrigger-Verzögerung umfassen eine Erfassung und werden zur Analyse vom Oszilloskop zurückbehalten. Die maximale Anzahl der Abtastwerte, die im Oszilloskop für eine Erhebung gehalten werden können, ist durch die maximale Größe des Speichers 30 begrenzt.
• Fig. 5 zeigt ein vergrößertes Blockdiagramm der Zeitbasis 40 von Fig. 4. Ein Vortrigger-Verzögerungszähler 24 und ein Nachtrigger-Verzögerungszähler 22 werden durch den Mikroprozessor 60 auf die benutzerbestimmte Vortrigger-Verzögerung und Nachtrigger-Verzögerung initialisiert. Beim Beginn einer einzelnen Erfassung gibt der Mikroprozessor 60 den Zähler 24 frei, der die Anfangsflanken oder steigenden Flanken zählt, welche auf einer Leitung 47 von einem Pseudozufalls-Rauschgenerator 26 (Generator 26) auftreten.
• Der Generator 26 erzeugt eine Reihe von Impulsen mit zufälliger Dauer, wobei jeder Impuls eine minimale Dauer aufweist. Bei dieser Ausführungsform ist der Generator 26 ein National Semiconductor MM5437, der eine Impulsfolge erzeugt, wobei jeder Impuls eine minimale Dauer von 1,5 Mikrosekunden hat. Der Vortrigger-Verzögerungszähler 24 wird auf den benutzerbestimmten Wert initialisiert, indem angenommen wird, daß alle Impulse minimale Dauer aufweisen, um sicherzustellen, daß die minimale vom Mikroprozessor 60 erforderte Vortrigger-Verzögerung gegeben ist, und daß der Zeitpunkt, zu dem die Suche nach einem Triggerereignis beginnt, nicht vom Abtasttakt oder irgendeinem anderen Taktsignal abhängt.
• Wenn der Abtasttakt oder ein anderes Taktsignal zum Takten des Zählers 24 verwendet würde, würde sich daraus das in Fig. 3 gezeigte Problem ergeben. In diesem Fall beginnt der Zeitpunkt für die Triggersuche abhängig von dem Abtasttakt, und die Triggersuche wird für jede Erfassung relativ zum Abtasttakt zum selben Zeitpunkt beginnen. In diesem Beispiel wurde der Zeitpunkt so gewählt, daß er im Bereich zwischen der Zeit 102 und der Zeit 104 liegt, wie in Fig. 7A gezeigt. Das Problem tritt für jeden gewählten Zeitbereich auf. In Fig. 7A, die eine kurze Zeitperiode um den Triggerpunkt herum während einer Erfassungsperiode zeigt, treten die steigenden Flanken des Abtasttaktes zu den Zeitpunkten 101, 102 und 103 auf. Die Periode des Triggersignales ist kürzer als die des Abtasttaktes. Die Suche nach einem Triggerereignis beginnt zum Zeitpunkt 104, und sofort zu diesem Zeitpunkt 104 wird ein Triggerereignis aufgefunden. In Fig. 7B, die dieselbe Zeitperiode für eine zweite Erfassungsperiode zeigt, treten die steigenden Flanken des Abtasttaktes zu den Zeitpunkten 201, 202 und 203 auf. Die Suche nach einem Triggerereignis beginnt bezüglich des Abtasttaktes zum selben Zeitpunkt, d. h. zur Zeit 204. Das Triggerereignis wird am Ende der Triggersignalperiode aufgefunden, d. h. zum Zeitpunkt 205. Wenn das Triggerereignis später als zum Zeitpunkt 205 aufgetreten wäre, hätte das Oszilloskop das Triggerereignis eine Triggersignalperiode früher gefunden, wie in Fig. 7A beim Zeitpunkt 104. In Fig. 7C, die dieselbe Zeitperiode für eine dritte Erfassungsperiode zeigt, treten die steigenden Flanken des Abtasttaktes zu den Zeitpunkten 301, 302 und 303 auf. Die Suche nach einem Triggerereignis beginnt bezüglich des Abtasttaktes zur selben Zeit, d. h. zum Zeitpunkt 304. Das Triggerereignis wird in der Mitte der Triggersignalperiode beim Zeitpunkt 305 aufgefunden.
• Fig. 8A bis D zeigen die Erfassungen von Fig. 7A bis C, welche jeweils relativ zum Triggerpunkt zusammengestellt sind. Fig. 8A, 8B und 8C zeigen die Erfassungen von Fig. 7A, 7B bzw. 7C so eingestellt, daß ihre gemeinsamen Bezugspunkte zueinander ausgerichtet sind. Fig. 8D zeigt die Übersetzung der Erfassungen von Fig. 8A, 8B und 8C. Die Triggerpunkte für jede Erfassung, die zu den Zeitpunkten 104, 205 und 305 auftreten, werden kombiniert und sind beim Zeitpunkt 404 in Fig. 8D gezeigt. Demzufolge sind die steigenden Flanken der Abtasttakte für jede Erfassung wie in Fig. 8D gezeigt kombiniert. Die erfaßten Abtastwerte passen in Zeitfenster mit derselben Größe wie die Periode der zu testenden Wellenform, beispielsweise vom Zeitpunkt 201 zum Zeitpunkt 101, vom Zeitpunkt 202 zum Zeitpunkt 102 und vom Zeitpunkt 203 zum Zeitpunkt 103, wie in Fig. 8D gezeigt. Die Zeit vom Anfang eines Fensters zum Anfang des nächsten Fensters entspricht der Zeit zwischen den Abtastwerten, beispielsweise vom Zeitpunkt 201 zum Zeitpunkt 202, vom Zeitpunkt 202 zum Zeitpunkt 203, vom Zeitpunkt 301 zum Zeitpunkt 302, vom Zeitpunkt 101 zum Zeitpunkt 103, wie in Fig. 8D gezeigt. Wenn die Periode des zu testenden Signales kleiner ist als die Periode des Abtasttaktes treten zwischen den Zeitfenstern Lücken auf, beispielsweise vom Zeitpunkt 101 zum Zeitpunkt 202 und vom Zeitpunkt 102 zum Zeitpunkt 203, wie in Fig. 8D gezeigt. Wenn die Periode der Wellenform gleich oder größer als die Periode des Abtasttaktes ist, werden sich die Zeitfenster mit den erfaßten Abtastwerten überlappen, und es treten keine Lücken auf.
• In Fig. 4 ist ist Zeitbasis 40 mit einer Synchronisiervorrichtung 50 verbunden, die der Zeitbasis 40 signalisiert, wenn ein Triggerereignis in dem zu testenden Signal auftritt. Wenn der Zähler 24 von dem benutzerbestimmten Wert auf Null abwärts zählt, wird ein Freigabesignal an die Synchronisiervorrichtung 50 geschickt. Wenn die Synchronisiervorrichtung freigegeben ist, sucht sie ein Triggerereignis in der Test-Wellenform. Das Auftreten einer steigenden Flanke in der Wellenform, bei dieser Ausführungsform das Triggerereignis, bewirkt, daß ein D-Flip-Flop 34 ein Signal an ein D-Flip-Flop 36 übergibt. Das Triggerereignis auf Leitung 33 tritt auch auf einer Leitung 51 auf, nachdem es durch einen Hardware-Verzögerungsblock 32 gegangen ist. Das D-Flip-Flop signalisiert dem Zähler 22 auf Leitung 35 mit einem Freigabesignal, wann an der Leitung 49 ein Signal anliegt, und auf Leitung 51 tritt ein Signal auf. Zwei Flip-Flops werden verwendet, um Probleme mit Wettlaufbedingungen zu vermeiden.
• Das Freigabesignal auf Leitung 35 gibt den in Fig. 5 gezeigten Zähler 22 frei. Der Zähler 22 zählt die Takt-Anfangsflanken von einem Teiler 14, der zum Teilen der Taktimpulse von einem Oszillator 74 verwendet wird, um das Abtasttaktsignal zu erzeugen. Wenn der Zähler 22 von dem benutzerbestimmten Wert auf Null abwärts zählt, wird ein Steuer-Freigabesignal an ein UND-Gatter 12 (Gatter 12) gesendet.
• Der mit dem Gatter 12 verbundene Zähler 22 wird zum Freigeben und Sperren des Samplers 10 verwendet. Wenn das Gatter 12 von dem Zähler 22 freigegeben wird, werden die Abtasttaktimpulse vom Teiler 14 zum Sampler 10 übertragen. Wenn das Gatter 12 durch den Zähler 22 gesperrt ist, erreichen keine Taktimpulse den Sampler 10, und dieser ruht in einem nicht abtastenden Zustand. Der Konverter 20 und der Speicher 30 sind ebenfalls inaktiv.
• Ein Hardware-Interpolator 18 (Interpolator 18) ist über einen Bus 27 mit dem Mikroprozessor 60 und über eine Leitung 25 mit dem Oszillator 74 verbunden. Unter Verwendung der Taktimpulse vom Oszillator 74 und von Signalen von der Synchronisiervorrichtung 50, welche Triggerereignis-Stellen anzeigen, bestimmt der Interpolator 18 mit hoher Auflösung, wann das Triggerereignis relativ zu den aufgenommenen Abtastwerten auftritt. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Interpolation unter Verwendung einer 200 : 1 Dehnvorrichtung erreicht. In der Dehnvorrichtung wird ein Kondensator während einer Zeitperiode aufgeladen, die gleich der Zeit zwischen dem Triggerereignis und dem nächsten Abtasttaktimpuls ist. Der Kondensator wird dann 200 mal langsamer entladen als er aufgeladen wurde, und die zum Entladen des Kondensators benötigte Zeit wird vom Oszillatortakt gemessen, so daß eine Messung mit hoher Auflösung möglich wird. Dieses Interpolationsverfahren ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Der Triggerzeitpunkt ist der gemeinsame Bezugspunkt zum Kompilieren oder Übersetzen verschiedener Erfassungen, wenn wiederholendes Zufallsabtasten verwendet wird.

Claims (1)

1. Vorrichtung zum Erfassen von Daten in einem digitalen Oszilloskop, mit

einer Abtastvorrichtung (10), die einen Takteingang (17), einen Signaleingang (11) und einen Ausgang (13) aufweist, wobei der Ausgang (13) bei steigenden Flanken des Takteingangs (17) auf den analogen Wert des Signaleingangs (16) gesetzt wird,

einer mit der Abtastvorrichtung (10) verbundenen Umsetzervorrichtung (20) zum Umsetzen der abgetasteten analogen Werte in digitale Werte,

einer mit der Umsetzervorrichtung (20) verbundenen ersten Speichervorrichtung (30) zum Speichern digitaler Werte,

einer mit der Abtastvorrichtung (10) verbundenen Zeitbasis-Vorrichtung (40), die einen Vortrigger-Verzögerungszähler (24), einen Nachtrigger-Verzögerungszähler (22) und eine Abtast-Steuereinrichtung aufweist,

einer mit der ersten Speichervorrichtung (30) verbundenen Mikroprozessor-Vorrichtung (60) zum Steuern der Zeitbasis-Vorrichtung (40), der ersten Speichervorrichtung (30), einer zweiten Speichervorrichtung (78) und einer Anzeigevorrichtung (76),

einer mit der Mikroprozessor-Vorrichtung (60) verbundenen zweiten Speichervorrichtung (78) zum Speichern von Übersetzung von in der ersten Speichervorrichtung (30) gespeicherten digitalen Werten,

einer mit der Mikroprozessor-Vorrichtung (60) verbundenen Anzeige-Vorrichtung (76) zum Anzeigen von in der zweiten Speichervorrichtung (78) gespeicherten digitalen Werten, und

einer mit der Zeitbasis-Vorrichtung (40) verbundenen Synchronisiervorrichtung (50) zum Auffinden von benutzerbestimmten Trigger-Ereignissen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitbasis- Vorrichtung (40) ferner die folgenden Merkmale aufweist:

eine Vorrichtung zum zufälligen Verteilen von Trigger- Ereignis-Suchvorgängen unabhängig von den am Takte ingang (17) der Abtastvorrichtung (10) auftretenden steigenden Flanken, wobei diese Zufallsvorrichtung einen Rauschgenerator (26) aufweist, der Zufalls-Taktimpulse einer minimalen Dauer erzeugt, sowie

einen Interpolator (18), der bestimmt, wann die von der Synchronisiervorrichtung (50) aufgefundenen Trigger-Ereignis relativ zu den abgetasteten analogen Werten auftreten, und daß

die Zufalls-Taktimpulse den Vortrigger-Verzögerungszähler (24) takten, und

der Vortrigger-Verzögerungszähler eine benutzerbestimmte Anzahl dieser Zufalls-Taktimpulse zählt und die Synchronisiervorrichtung (50) freigibt, wenn diese benutzerbestimmte Anzahl gezählt worden ist.