專利名稱：具有可變強度光柵掃描儀的數字示波器的非線性校正的制作方法
技術領域：
本發明涉及將采集到的、表示觀測信號行為的電壓時變數據處理成適于數字示波器顯示的格式，更具體地講，涉及這種數據的有效高速采集以及將這種數據光柵掃描為某種格式，這種格式包括用于可變強度顯示的每像素多比特的強度信息，還涉及為采集時間和幅度的非線性提供補償的能力。
數字示波器通常利用光柵掃描顯示將電子信號的行為顯示給用戶。每個光柵掃描顯示，例如每天在計算機屏幕上見到的那些顯示，由二維像素陣列組成，每個像素的位置由行號和列號唯一地確定。最簡單、最廉價的這種顯示型式是“單比特”顯示，由其中引出待顯示信息的存儲器只有1比特對應于該像素的強度信息。在這種顯示中，單比特信息確定與之相關聯的像素是否“打開”或“關閉”，“打開”表示利用預定的強度值照明像素，“關閉”表示完全不照明像素。
更加復雜、更加昂貴的單比特顯示的替代品是多比特顯示，這種顯示可以提供作為亮度指示的替換的可變強度(也稱為“灰度”)或色彩變化。與可變強度顯示的每個像素相關聯的存儲器地址包含多比特強度信息，指示用于照明的可變強度值級別。類似于單比特顯示中的像素，多比特顯示的像素也具有“關閉”或暗狀態，但它們具有多個照明值，而不是一個照明值。通常，可用的照明值數目是2N-1，其中N是光柵存儲器中每個地址上的存儲深度。因此，例如，四比特深度的光柵掃描存儲器可以支持十五級透射照明值，以及暗或“關閉”狀態。像素強度還可以變換成不同的色彩，以及強度或“亮度”。
利用這種更加豐富的數據，多比特顯示可以傳遞更多的、關于觀測電子信號波形行為的信息，特別是在信號的重復性很差，由此使其在某些部分的行為弱于其它信號的情況下。在此引用作為參考的、授予Katayama等人、題為“Digital Waveform Measuring Apparatus HavingA Shading-tone Display”的美國專利4,940,931描述了產生數字可變強度顯示的系統。
通常，數字示波器通過周期地采樣節點上出現的電壓來采集關于電路節點行為的信息。示波器的探測脈沖與節點聯系在一起，探頭和示波器的前端精確地復制信號，或者是信號的某一預定分數倍，或者是信號的某一預定整數倍，并將其輸送給模-數變換器。模-數變換器的輸出是一系列存儲在采集存儲器中的多比特字。連續采集的樣本存儲在采集存儲器中的順序相關的地址中，由此，是與時間尺度相關的。最終，這些地址將被變換回時間尺度，其中的一個表示為沿示波器的光柵掃描顯示的x-軸的水平距離。
在典型的數字示波器中，由采集存儲器地址中的數據內容得到的電壓幅度值確定照明像素的垂直位置(行號)，而由采集存儲器地址獲得的時間值確定水平位置(列號)。將采集存儲器的內容和地址展開以便為二維光柵存儲器產生內容的過程稱為“光柵掃描”。
光柵掃描過程的輸出通常與光柵存儲器的某些前在內容合并在一起，因此，最終的復合光柵內容通常會受到某種余輝過程的影響。關于數字余輝的其它信息，可以參考在此引用作為參考的、授予Alappat等人、題為“Raster Scan Waveform Display Rasterizer With PixelIntensity Gradation”的美國專利5,440,676；授予Alappat等人、題為”Rasterscan Display With Adaptive Decay”的美國專利5,387,896；和授予Long等人、題為“Digitally Synthesized Gray Scale ForRaster Scan Oscilloscope Displays”的美國專利5,254,983。
對于示波器顯示的設定和采集到的波形數據的任一特定組合，都存在某種函數將采集到的數據點映射到時間(x-軸)-電壓(y-軸)顯示光柵。映射函數包括待映射樣本數和光柵顯示的像素列數之間的某一比值。盡管該比值可以設定為1∶1，但是它通常設定為N∶1或1∶N。如果數據點多于必須映射的像素列，那么就必須采取某種形式的數據壓縮和/或抽樣。抽樣的含義是每隔N個數據點抽取一個，由此放棄部分已獲得的信息。另一方面，壓縮的含義是將來自采集存儲器中多個時間地址的數據映射到光柵掃描顯示中的一個水平位置，即，單列像素。如果數據點少于像素列，即上述的1∶N情況，將使用某種內插方法或等效時間采樣。在本發明情況下，使用等效時間采樣，這將在下面詳細討論。
多年以來，數字示波器受到在探測脈沖上有效地進行處理并顯示給用戶的行為的百分比的限制。盡管很少有老練的用戶和那些只熟悉模擬示波器的人員會認為他們在數字示波器的探測脈沖上觀察到的是行為的大部分或全部，在許多情況下，顯示只示出一小部分在此發生的實際行為。這是因為，這些示波器處理信號的時間多于采集信號的時間。如果信號的重復性很好，那么這種“現場時間(live time)”損失不成問題，因為一個波形與另一個是自然相似的。然而，如果信號正在顯示某種間歇異常行為，那么這種低比例的現場時間將難以檢測到這種異常。因此，提高波形的處理量和用戶在探測脈沖處實際觀察到的信號行為的比例將是近期數字示波器設計的目標。在此引用作為參考、授予Meadows、題為“Slow Display Method for Digital Oscilloscope WithFast Acquisition System”的美國專利5,412,579描述了一種示波器系統，其中采集合成到交替(也稱為“ping-ponging”)顯示緩沖器，這樣當一個顯示緩沖器中的內容用作顯示數據源時，另一個用來搜集和合成更多的數據。然而，該發明描述的低速顯示設計只為每個像素提供一個比特的強度數據，因此沒有類似于模擬信號的灰度變化能力，即強度變化能力。
處理大量波形的能力是數字示波器中最期望得到的特性。在此引用作為參考、授予Etheridge等人、題為“Digital OscilloscopeArchitecture For Signal Monitoring With Enhanced Duty Cycle”的美國專利5,530,454描述了當每個波形記錄較短而且觸發事件的頻率足夠高時，每秒能夠采集高達400,000個波形的示波器。這種示波器多少可以與模擬示波器性能相比，其“現場時間”比例由大約6％變化到接近99％，這決定于時間基準的設定、打開的通道數和觸發事件的可用性。
Etheridge的’454專利中描述的結構的速度可以利用兩個光柵存儲器實現，一個用于采集系統，另一個用于顯示系統。這些光柵存儲器中的第一個，稱為“光柵采集存儲器”，幾乎恒定地接收采集到的波形。這些波形以幾乎和高速采集光柵掃描儀以及類似的高速圖像合并器采集這些波形的速度一樣快的速度經光柵掃描并合并到該光柵采集存儲器中。在合并多個波形之后，每像素單比特光柵采集存儲器中的內容傳遞到每像素多比特顯示光柵存儲器，在此與先前的顯示數據合并。該顯示光柵存儲器中的內容受數字余輝控制的影響，例如，前面描述的，每個像素的強度將在持續一定的時間之后消失。
對于許多用戶，特別是那些使用過模擬示波器的用戶，可變亮度可以傳遞關于觀測信號行為的信息。這些用戶中的大多數對于這些與模擬示波器類似的特性具有極大的傾向性。例如，當模擬示波器在水平掃描間隔內產生垂直擺動以便在探測脈沖上產生信號行為的實時圖像時，它們固有地傾向于隨它們產生的線的斜率的倒數的變化調節顯示的亮度。出現這種現象的原因是，CRT的負極電子槍產生依賴于“亮度”控制設定的恒定數量的電子，單位時間內覆蓋的軌跡長度幾乎不受與任一特定掃描速度相聯系的x-軸距離的影響，而是隨著任何和所有的y-軸偏移而增加。y-軸偏移可以是相應的x-軸距離的好多倍，所以當電子在更長的距離上傳播時，恒定的有效電子束能量顯著地減少。所以，模擬示波器固有地隨線條斜率的倒數的變化改變所繪線條的亮度。
模擬示波器或具有高的波形處理量的數字示波器的另一個、甚至是最期望獲得的特性是能夠檢測到出現在其它重復信號中的異常間歇信號。“現場時間”低得不可能觀測到間歇信號行為的老式數字示波器至少在沒有特定觸發模式下可以檢測特定類別的間歇信號行為。模擬示波器將顯示出指示存在這種間歇異常信號行為的模糊軌跡。當然，如果信號是極其短暫的，那么軌跡的亮度可能極其模糊，以致于完全被操作員忽略。
由于模-數變換器和等效時間采集技術將微小的非線性引入大量的采集數據中，期望的方法是能夠補償模-數變換中的非線性，當使用等效時間技術時，還要補償時間內插引入的非線性。
根據本發明，提供了一種補償模-數變換產生的非線性的方法，當使用等效時間技術時，還要補償時間內插引入的非線性。在工廠或自動校正期間測量并存儲這些誤差，用于為每個像素產生各自的每種類型的補償系數。


圖1是采集數據流的簡化框圖，數據通過采集存儲器和光柵掃描部分，進入示波器的顯示部分。
圖2是顯示光柵掃描過程如何處理采集存儲器提供的數據并為采集光柵存儲器產生數據的框圖。
圖3是顯示圖2&4示出的計數器模塊和鎖存器模塊的輸入、輸出和子部分的詳細框圖。
圖4是可變強度光柵掃描儀的特定優選實施方案的框圖。
圖5是示出根據本發明在顯示準備過程中進行強度映射和突出偶然事件的簡化框圖。
圖6A&6B是示出根據本發明可以執行非線性校正的兩種方法。
圖7是以比例和增益可控的方式縮減每像素比特的強度映射電路的簡化圖。
首先，參考圖1，可以看到采集數據流的簡化框圖，根據本發明，數據通過采集存儲器和光柵掃描部分200，進入示波器的顯示部分300。垂直比例函數和垂直偏置函數是在數字化之前施加的，因此在圖像中不是直接可見的，而是采集過程10的一部分。過程控制器180控制的觸發器電路15監測輸入信號和其它判據(未示出)，并將滿足觸發條件的事件傳遞給采集電路10和過程控制器180。
過程控制器180包含允許其控制所有采集過程和光柵掃描過程的定時器和狀態機，包括一些將在下面討論、圖1中未示出的任選過程。如圖所示，它幾乎向采集存儲器和光柵掃描部分200的所有部分以及觸發器15和采集電路10發送命令和信息，并從那里接收各種信號。當數據準備就緒時，它通知光柵合并器80。過程控制器180監視觸發器電路15，并在適當的時刻，即存在足夠多的、可供光柵掃描的采集時，或者從第一次觸發或最后一次顯示更新起已經經過了很長時間、顯示110上的數據已經失效時，啟動采集電路10和光柵掃描儀30。
當顯示110上的數據失效時，過程控制器180啟動強度映射50，隨后啟動DMA電路70。如下面詳細討論的，過程控制器180還確定何時放棄采集、何時啟動觸發位置計算器以及何時計算斷點。
作為采集過程10的輸出，電壓時變數據-地址對存儲在采集存儲器20中。采集存儲器20可以保持兩個長達512K的樣本的波形記錄，或者多達256個均包含768個樣本的較短波形記錄。每個樣本地址包含定義了256種可能電壓幅度值中的一種電壓值的8比特信息。這些電壓幅度值中的200種對應每像素21比特200×500采集光柵存儲器40的每列中的200個像素地址中的一個地址。
每個采集存儲器和光柵掃描部分200可以每秒采集100,000個波形記錄，每個波形記錄包含500個數據點，每個數據點的采樣間隔為1ns，每次采集的總時間為500ns。多個采集存儲器和光柵掃描部分20，一般為兩個或四個，可以交叉在一起使每個示波器通道上可獲得的總處理量增加為兩倍或四倍。顯示部分300的光柵合并器80可以在顯示部分300中將多個采集存儲器和光柵掃描部分300的輸出多路復用在一起。
相反，可以將不止一個通道復用在一個采集存儲器和光柵掃描部分200中。光柵合并器80的另一種類型是將多個通道分離傳輸出較少的采集存儲器和光柵掃描部分200，通過使用顯示光柵存儲器90和100中的每個像素地址上的額外“標志”比特，使它們作為獨立通道顯示在光柵顯示110上。標志位允許設置通道的優先權，或“層化”，這樣當兩個或多個通道發生疊蓋時，只顯示處于頂層的通道強度。另外，如果需要，可以在發生通道疊蓋時將兩個或多個通道的強度值疊加在一起。
如果需要，在顯示光柵存儲器90和100以及光柵顯示110中作一些適當的支持性改動，光柵合并器80還可以將強度變化變換為色彩變化。
然后，參考圖2，注意，為了簡化，在該圖中沒有示出時鐘和定時信號以及過程控制器180發出的控制信號。光柵掃描過程30根據地址控制器31產生的地址訪問采集存儲器20中的適當樣本。地址控制器31接收時間分隔設定，并利用表1示出的部分信息編程。由此，它可以將那些時間分隔設定變換為地址，該地址代表包含在每個像素的強度判定中的壓縮寬度和采集深度的預期組合。
地址控制器31按照過程控制器180指示的方向傳送采集數據(見圖1)，并向數據緩沖器32提供順序的樣本偏置和緩沖器選擇信息。地址控制器31還標識每一列的端部，這樣，可以適當地復位和鎖存計數器模塊36。實際上，這些控制是沿著數據管線傳送的，這樣控制可以跟蹤數據流。當光柵更新的用時超過壓縮過程時，壓縮過程在當前壓縮操作結束時中止。
表1時間/分隔編程<
表1包含用于不同時間分隔設定的值。表1示出的最左列包含可以訪問表中包含的特定數據行和數據組的索引號。下一列“時間分隔”包含體現本發明的第一個示波器的每一個水平設定的入口。“計數”列指示在相應的“時間分隔”設定中有多少個采集記錄用作每個光柵掃描過程的輸入。在等效時間操作(下面進一步描述)中，在每個光柵掃描循環中只處理256個記錄中的一個記錄。然而，只有在可比較的非-E.T.設定中，索引號#9，每分隔50ns，存儲器中的緩沖器數目256是數字128的兩倍。“尺寸”列表示在這種設定中每一光柵掃描記錄內存儲多少個數據點，而“使用”列表示在光柵掃描中實際使用多少個數據點。
列“E.T.或抽樣”包含由采集硬件執行的、關于“等效時間”填充量或抽樣量(等效為“舍棄“)的信息。等效時間采樣是通過與實際上高于采集硬件執行速度的掃描速度或采樣率相對應的多次采集有效地采集數據的技術。在等效時間采集產生的采集記錄中，可能出現由“連續數據點”的非順序采集產生的采集記錄的假定特性和產生該記錄的采樣波形不具有精確重復性的事實而引起的異常。
倒數第二列“擴展/壓縮”包含關于光柵掃描過程中執行的擴展量或壓縮量的信息。它是擴展和壓縮因子以及前列中的、確定哪個樣本對采集存儲器20中的記錄有貢獻并最終確定哪個樣本影響傳送給采集光柵存儲器40的光柵掃描結果的等效數據填充或抽樣因子的組合。對于工作在單通道模式的單采集存儲器和光柵掃描部分，實際時間的6％用于采集，94％用于處理采集到的采集數據。
索引行#9，50ns時間分隔行，包含最高速的實時設定。行#9上方的所有行，即那些數據分隔快于50ns每分隔的行，需要使用等效時間采樣，即多個記錄的集合，并只使用每個記錄中的部分數據點建立合并數據記錄。例如，在行#0中，在250個采集中分別只選取兩個數據點可以實現200ps每分隔。示波器每納秒采集一次樣本，這樣，每個記錄中只有兩個數據點處于單個記錄的時間楨內。在水平時基為200ps每分隔、每個顯示10個分隔時，每個顯示從一邊到另一邊只有2納秒。將每250個記錄中的兩個樣本合并在一起，500個記錄每個顯示，可以合成一個等效時間圖像。
在索引號#9下面的行中，使用抽樣限制記錄長度，使用壓縮縮短記錄中包含的數據點在顯示屏上占據的距離。例如，在500ms每分隔時，10個分隔寬的屏幕表示5秒鐘。在一個樣本一納秒的采樣速率下，在5秒鐘內可以顯示50,000,000,000個樣本。按照10,000進行抽樣可以得到500,000個數據點。利用壓縮因子1000壓縮這500,000個數據點，可以在每個顯示中產生500個點，在每個分隔中產生50個點。
再次參考圖2，來自由地址控制器31指定的采集存儲器20的數據傳送給數據緩沖器32。盡管數據緩沖器32可以保存總共64×16字節的數據，但是它實際上只是每16ns接收8字節。數據緩沖器32向樣本-矢量變換器33提供一組8字節的采集數據，另外8字節由采集存儲器20的下一次傳送填充。每16ns 8字節等效于每個采集數據樣本點平均占用2ns的訪問時間。
來自采集存儲器20的8比特數據定義了256個垂直電壓值，而采集光柵存儲器具有包含200個像素的垂直列。由此，存在56個由8比特輸出定義的、不與200個垂直像素位置中的任何一個對應的額外電壓值。當然，28表示低于與顯示屏對應的200個垂直像素位置的底部的電壓值，28表示高于200個垂直像素位置和屏幕頂部的電壓。屏幕通常示出具有定義了8個顯示垂直分隔的9條水平線顯示的標線，每一分隔接收來自采集光柵存儲器40中的每一列內的200個像素中的25個像素的數據。如下面進一步描述的，在該數據到達實際屏幕之前，將進行1-2垂直擴展，所以，最終顯示的每個垂直(和水平)分隔對應于50個像素。
盡管28個頂值和28個底值并不直接影響每列中的200個像素，但是如下面進一步解釋的，它們通過確定那些將影響到該列中的200個像素的矢量的斜率的計算而施加間接作用。對矢量斜率計算的影響將對該矢量中的像素將接收的增量強度值產生作用。
28個頂值和底值還具有另一個作用。如果激活“限幅屏幕”功能，并且所有的當前矢量均處于頂28個或底28個垂直地址中，即當前列中的所有點均在一個方向或另一個方向上偏離屏幕，那么將在采集光柵存儲器40中的第1或第200地址上設置指示這種條件的特殊標記比特。
繼續參考圖2，樣本-矢量變換器33檢查3個樣本點，N、N-1和N-2，并產生每個矢量頂信號和底信號。如果所有的信號數據均是單值的，那么兩個數據點就足夠了。然而，在數據中存在拐點的可能性需要使用三個數據點。樣本-矢量變換器33向絕對值減法器34提供高(Hi)信號和低(Lo)信號。高信號和低信號可以具有最大為255個垂直增量的差異，因為它們是由每個8比特數據樣本能夠定義的全范圍值導出的。絕對值減法器34產生垂直(或電壓)變化值dV，并傳遞給查找表35。查找表35利用垂直變化值dV查找當前矢量的適當加權W。在此描述的實施例中，W的取值從0到31。通常，W的取值與dV/dT成反比關系。對于特定的時間-分隔設定，dT與待光柵掃描的每列像素代表的距離具有恒定的關系。關于如何計算W的其它信息，可以參考在此引用作為參考的、授予Siegel等人、題為“Graded Display of Digitally CompressedWaveforms”的美國專利5,550,963。
樣本-矢量變換器33還向200計數模塊36提供一對頂信號和低信號。這些信號作為當前樣本數據點的結果分別定義了由1到200的、確定了待繪無符號向量長度的值。定義區域中的每個計數器的計數隨著W值(查找表35的矢量加權輸出)的增加而增加。應當指出，與每個數據點相聯系的8比特電壓幅度數據在光柵掃描過程中受到巨大的擴展。因為它指定的位置對前數據點指定的位置的偏離可以達到全部垂直屏幕距離，所以作為矢量化一個采集數據點的結果，可以更新多達200個像素。因為存在19比特計數器和4標記比特，它們稍后在那些200個像素地址中的每一個上被壓縮成21比特的信息，所以對8比特的單數據點進行的所有光柵掃描過程可能影響21比特采集光柵存儲器40中的多達4,200個比特。由此，防止這種數據擴展不必要地阻礙采集存儲器和光柵掃描部分200的波形處理量，也就是整個數字示波器的波形處理量，是十分重要的(假定可以得到有限數目的這種部分)。
現參考圖3，詳細地示出了200個計數器模塊36和鎖存器37及其輸入和輸出。圖3的左邊部分是一組200個4比特通道標記寄存器36B。圖3的中間部分是一組200個19比特計數器36A。選擇計數器模塊36中的計數器長度為19比特部分是為了與另一應用中使用的同一電路兼容。因為W的最大值為31，219/31＝16912，所以由該深度得到的最大壓縮因子是16,000。
頂和底輸入信號的字長分別為8比特，表示200個19比特計數器的一個。加權W是指定值從0到31的5比特信號，頂和底定義的矢量中的每個19比特計數器將按照該加權遞增。圖3的右邊部分是一組200個23比特鎖存器37。這些200個23比特鎖存器37為輸出而保存200個4比特通道標記寄存器36B和200個19比特計數器36A陣列的內容，并(利用清除信號)清除那些寄存器和計數器，將其用于累加下一數據列。這種計數器陣列實現起來較昂貴，它通常能夠以低于可從采集存儲器訪問樣本數據的速率繪出矢量。在這些計數器中包含鎖存器37，有可能在更新當前數據的同時在計數器中繪出下一列，由此充分利用了這一資源。
利用加法器38，在一系列讀取-修改-寫入操作中，將200個23比特鎖存器37組中的19比特強度數據添加到采集光柵存儲器40的適當列中的已有內容上。在同樣的讀取-修改-寫入操作中，4比特的通道標記與來自采集光柵存儲器40的相應比特位作或運算。只夠描述復用到一個采集存儲器和光柵掃描部分200中的通道的數目的通道標記比特通過舍棄強度描述能力的MSB而打包為每像素21比特。
當使用優先權編碼確定通道疊蓋區域中的強度時，每個通道具有較低的處理量，但需要的動態范圍較小。當對于四個通道疊蓋區域均疊加在一起時會發生最壞的情況(不是由具有優先權的通道確定顯示哪個強度)。那么只有17比特可用于強度信息，并且由于疊蓋強度的累加它們將很快飽和。因為最大強度更新加權W是31，所以導致飽和的最小更新數是217/31＝4338。當每秒采集100,000個波形時，每4338次采集需要一次更新意味著所需的最小更新率為每秒23次。因為正常更新率在每秒30至60次之間，所以這一要求很容易滿足。通道標記打包到每像素21比特中，拋棄了描述強度能力的MSB。只舍棄了處理在一個采集存儲器和光柵掃描部分200中進行光柵掃描的通道的號碼所必須的比特。
采集光柵存儲器40需要268K字節的存儲器以支持200×500的像素陣列。可以同步訪問該存儲器的8個字節。因此，每一次訪問包含用于每3個像素的21比特數據(浪費1比特)。200個像素的列需要67次每次訪問3個像素的訪問。由此，8(字節/訪問)×67(訪問/列)×500(列/顯示)＝268K(字節/顯示)。
現參考圖4，在實際構造的實施方案中，發現將采集存儲器20和采集光柵存儲器40合并到一個較大的復合采集存儲器20、40中是高效的。同樣，到目前討論到的內容為止，所作的描述限于傳統的、電壓時變或“YT”顯示，從圖4可以看到，還可以將其它模式，例如“XY”和“XYZ”，集成到一個總體設計中。地址源選擇器46具有作為一個源的ET/XY/XYZ尋址源41，以及光柵地址發生器45和兩個在此表示為256×16 RAM 31A和2×8指針擴展31B的地址控制器31(圖2的)部分。指針擴展用于光柵掃描大于65536的單緩沖器。因為，光柵掃描過程要么在大量的小緩沖器上操作，要么在單個大緩沖器上操作，或者是介于兩者之間的某種緩沖器，所以必須在浪費的RAM空間和一次光柵掃描所能覆蓋的長度及數量之間作出折衷。
繼續將圖4所示內容與前面在圖2中討論的內容相聯系的過程，樣本處理器33’對應于樣本-矢量變換器33。圖4沒有示出在圖2中區分開的頂信號和底信號、高信號和低信號之間的差別，但是示出了底信號是通過多路復用器44到達尋址源ET/XY/XYZ 41的一個電壓輸入，它的另一個輸入是“選擇A/D數據”。“選擇A/D數據”在XY和XYZ模式中使用，在XY和XYX模式中沒有使用數據處理器、采集數據緩沖器、對強度映射的導數和采集隊列指針。在等效時間(ET)操作中沒有使用相對于增量強度的導數的映射34、35和計數器模塊36。
作為21比特飽和加法器的三個實例，圖4更加詳細地示出圖2所示的加法器38。飽和加法器不會溢出或產生MSB進位，而是在它們飽和時保持在最大值。對(合并)采集存儲器20、40的讀取訪問和寫入訪問分別需要16ns和64比特的字寬。因此，在每32ns內可以對三個21比特像素進行讀取-修改-寫入循環。每個像素更新的平均時間為10.67ns。因此，更新列中的所有200個像素需要的最長時間是67×32ns或2.144μs。因此，如果每列的輸入數據包括來自采集存儲器20的134×8/7＝154個數據點，那么采集光柵存儲器40的更新時間將不會限制光柵掃描的速度，而光柵掃描過程自身的速度將成為一個限制因素。因為可以訪問(合并)采集存儲器20、40使其每16ns就并行提供8字節的數據，所以讀取采集波形數據的速度8倍于數據處理速度是可能的。因為數據緩沖器32可以保存多達128個8字節的、用于并行處理的采集段，所以利用光柵掃描過程的輸出，(合并)采集存儲器帶寬的87.5％可以用于更新采集光柵存儲器。
在該設計中，如果每列的像素數目是200(M＝200像素/列)，更新像素所需的平均時間是10.67ns(P＝10.67ns/像素-更新)，光柵掃描儀的處理量速率是2.134μs/列(M×P＝2.134μs/列)。然后，如果描繪基于單個新數據點的向量所需的時間是16ns(D＝16ns/樣本對)，訪問采集數據的單個樣本對所需的平均時間是2ns(A＝2ns)，那么更新采集光柵存儲器的可用時間是D-A，或14ns。由此，用于保證光柵掃描儀完全充滿的、每列中的采集像素N和每列中的壓縮像素C的最大組合N×C(假定可以獲得足夠的觸發)是N×C＝(M×P)/(D-A)，或N×C＝(2134ns/列)/14ns，或N×C＝152.4像素。如果已知適當的壓縮因子C，那么就可以根據N＞152.4/C計算出N。這一有效功能對于圖4所示的設計是明確的，其中輸出帶寬和輸入帶寬共用單個總體存儲器帶寬，即D減去A。
結合圖2可以提出更加一般化的高效功能，其中輸入和輸出帶寬是相互獨立的。在這種情況下，當C、P和M均已確定時，理想的采集數目N是N＝(M×P)/(C×D)。按照這種方式設計和控制示波器光柵掃描儀，就有可能在所有的時間/分隔上以恒定的樣本/秒速率向屏幕提供圖像，如果存在足夠數量的觸發。為了保持均勻的采集速率，具有的采集緩沖器是單次光柵掃描中所使用的采集緩沖器的兩倍是很重要的。這樣，采集持續地提供給當前沒有用于光柵掃描的緩沖器。這些緩沖器或者可以配置成交替地進行采集和光柵掃描的兩個組，或者配置成圓形緩沖器序列，光柵掃描在顯示更新的最后期限或者當已經采集到預定數目的記錄時開始。
再次參考圖1,200×500每像素21比特采集光柵存儲器40的內容“映射到”50具有相同平面(200×500)尺度的第二、較淺深度的、每像素4比特采集光柵存儲器60中。該較短的每像素4比特采集光柵存儲器60仍包含200×500個像素地址，但是每個像素只具有與之相關的強度信息的每像素4比特，結果只能顯示16級強度。這種“映射”50是通過(單值地)定義了16種強度值邊界的15個斷點實現的。在一種實施方案中，映射器50可以在每16ns內并行地處理三個21比特的像素值的輸入。這種方法需要在三個21比特像素值的16ns讀取時間和相應地將五組，每組由三個4比特像素值組成，像素值輸出寫入8比特字寬的存儲器中所用的16ns寫入時間之間存在幾個管線延遲。因為，映射操作依賴于對存儲在采集光柵存儲器40中的數據的使用，所以輸出這種數據是對充分使用有限帶寬的另一個限制。對于每次顯示更新，用于映射的數據輸出耗費的時間大約是600μs，或者大約是0.6ms/30ms。這使得光柵掃描過程的效率降低2％。
短的每像素4比特采集光柵存儲器60的內容通過直接存儲器訪問(DMA)過程70直接傳送給顯示部分300中的光柵合并器80。顯示部分300包含兩個顯示光柵存儲器90和100。這些光柵存儲器也是每像素4比特的，或者可以包含用于通道標識和著色的附加比特。四個標識比特可以標識多達四個獨立通道或16種通道組合。
盡管兩個顯示光柵存儲器90和100中的一個90向光柵顯示110提供用于當前顯示的數據，但是其內容還可以通過光柵合并器80與短的每像素4比特采集光柵存儲器60的內容合并。該過程的輸出保存在另一個顯示光柵存儲器100中。在顯示100的垂直回掃時間內，兩個顯示光柵存儲器90和100的功能互換，然后光柵合并器80的輸出存儲在相對的顯示光柵存儲器90中，而其輸入和光柵顯示110的輸入提供給顯示光柵存儲器100。在光柵合并過程中，采集光柵存儲器中的200個垂直地址在兩個顯示光柵存儲器90和100中擴展為400個。在簡單實施方案中，這可以通過復制每條數據線實現，盡管，如果需要，可以使用更加精密的裝置，例如線上和線下進行平均。
盡管在一種儀器中，每個采集存儲器和光柵掃描部分200只處理與示波器的一個通道相聯系的數據，但是在另一種實施方案中，有可能將來自多個通道的數據存入單獨的采集存儲器和光柵掃描部分200中。如果這樣，來自不同通道的樣本將在每個“采集”存儲器記錄中交叉在一起，這樣，來自特定通道的每個樣本對應于數據記錄中的一部分恒定的、預定的地址號碼。回溯(harking)模擬示波器中的術語，其中有可能具有通過復用單個水平時基來顯示的兩個或多個信號的“斬波”視圖，這種使用采集存儲器和光柵掃描部分200的方式稱為“斬波”模式。當來自不同通道的數據在斬波模式中交叉時，光柵掃描過程40在對應于每個像素的額外比特中標記與各個通道對應的數據，這樣以后可以確定哪一個通道影響了每個像素的內容。在200個計數器模塊36中，具有四個用于通道標記的額外比特以及構成計數器一部分的19比特。
為了在上述系統中保持最大處理量，采集數據是成批地進行處理的。為了保證采集數據流恒定地以必須的速度提供給光柵掃描過程，下一次采集必須在從上次采集結束算起平均單次采集光柵掃描時間已經結束之后啟動。然而，通過取樣數據，并將其移入采集存儲器而啟動采集，卻不知道下一次觸發什么時候出現，甚至不知道是否會出現。然而，采集存儲器和光柵掃描部分200的用途是保證數據沒有任何明顯中斷地流向顯示部分300。因此，光柵掃描過程30不能無限制地等待待接收的觸發，如果它持續輸出數據的能力由于行為原因而變得不可能的話。
為了處理這種問題，過程控制器180跟蹤下一次采集應當進行卻沒有進行之后所經過的時間。當這種“遲后觸發間隔”已經結束時，過程控制器180詢問觸發電路15以確定是否已經收到觸發。如果已經收到觸發，那么放棄在任何情況下都即將完成的采集是無意義的。然而，如果沒有收到觸發，過程控制器180也沒有收到來自觸發電路15的、響應于查詢的“觸發接收”信號，那么它將“放棄”當前采集過程，并將部分結果發送給強度映射電路50(通過非線性校正電路130，如果存在的話)。通常，遲后觸發間隔是連續采集時間間隔的10倍。這允許大約在90％的時間里檢測到具有均勻分布的低速觸發。這種解決方法產生另一個問題，即存在按照大約等于正常采集延時加上遲后觸發間隔的間隔到達的周期性低速觸發。為了避免丟失幾乎所有的這些觸發，可以在某些時間內隨機地調節遲后觸發間隔，例如，由正常采集速率值的10倍的50％變化到150％。
上述設計，及其每像素21比特采集光柵存儲器40和具有數據的高處理量可變強度光柵掃描過程30的深度統計數據庫，產生在現有光柵掃描儀中觀察不到的可見贗像。具體地講，采集過程10中A/D差分的非線性(A/D DNL)使顯示110中出現水平帶狀物。同樣，當時基的選擇需要使用等效時基設定時，時間內插器的非線性(TINL)使顯示110中出現垂直帶狀物。
首先，參考圖5，隨著像素強度數據由采集光柵存儲器40移向強度映射過程50，非線性校正電路130可以補償這些因素。再參考圖6A和6B，各個像素強度可以連續地乘上校正系數，利用乘法器131校正A/D差分的非線性，利用乘法器132校正時間內插的非線性，如圖6A所示，或者首先將A/D DNL和TINL校正系數相乘133，然后利用乘法器134將復合校正系數施加到像素強度上，如圖6B所示。
返回圖5，校正系數通過校正查找表150提供給非線性校正電路130。作為校正系數，A/D NDL和TINL均可以逐像素地變化，校正查找表150可以通過圖2所示的來自光柵地址發生器45的光柵地址進行訪問(如果需要，可以具有適當的延時)。如果使用線性校正，那么強度映射電路50的輸入將來自圖6A中的乘法器132的輸出，或者來自圖6B中的乘法器134的輸出，在圖5中線性校正的一個或另一個表示為非線性校正模塊。
校正查找表150所需的校正系數可以在工廠確定，或者通過內建的設備校正軟件確定。如果DNL和TINL相對于設備的壽命及其所處的溫度是穩定的，那么一組工廠確定值將是有效的。否則，設備信號通路補償軟件將在需要提高精度時應用戶的請求進行校正。
確定A/D DNL補償系數可以通過向A/D變換器提供理想的正弦波或其它已知的理想波形、將波形數字化、并累計每一數字值的命中率的統計信息來完成。采集到的關于波形處于每個電壓值的時間比例的統計信息可以與已知的理想波形統計信息相比較，以確定使統計信息匹配的適當校正系數。
為了確定針對時間內插器的非線性校正系數，將與顯示器異步的快速觸發提供給觸發電路，并將撞擊的分布直方圖與理想的精確線性時間內插器期望得到的均勻平均值相比較。再次，適當的補償因子使實際數據產生理想的均勻性。
根據上述的光柵掃描方法，執行采集數據的線性強度累加的含義是累加強度的一般值直接比例于累加的采集次數。每次更新屏幕時，該光柵都周期性地清除或余輝消失。如果兩次更新之間的時間不是恒定的，因為這通常不是由其它處理器行為、其它顯示行為、或與數據有關的光柵拷貝次數引起的，那么累加采集光柵存儲器內容的固定比例可以引起可觀測到的、與信號無關的強度變化。同樣，如果在兩次顯示更新之間將指數余輝施加給累計采集光柵存儲器內容，那么在映射中將存在一個總體強度的初始間歇建立，直到到達quo狀態。這些作用均是不需要的、期望消除的贗像。
盡管將采集線性累加為強度變化在過程的光柵掃描儀端是最容易實現的，但是用戶認為的最優顯示可能是更加非線性化的。例如，用戶有時可以強烈地關注最偶然事件，因此期望將所有的非零像素映射為顯示可以產生的最亮強度。另外，可能存在一定的像素命中率范圍，和相應的累加強度，用戶期望將其映射到動態強度變量的所有范圍，以便更加清楚地區分受采集數據影響的頻率間的細微差異。
上述目的組可以利用用戶可控的、允許控制傳遞曲線的增益和偏置的映射函數實現。從用戶的觀點來看，這種控制可以分別是對比度和亮度。傳遞函數可以修改的裝置，當它的實現如圖7顯示和描述的那樣時，可以控制最大像素強度參考值的幅度、控制組成映射函數的15個斷點部分的尺寸。15個斷點中的每一個由相應部分乘以最大像素強度參考值來確定。各個部分定義了用戶可以修改的歸一化傳遞函數，而最大像素強度值為采集光柵存儲器中的預期數據累加提供比例因子。
現參考圖5&amp;7，強度映射過程50由斷點值控制。圖7示出這些斷點是如何用在強度映射器電路中以便以預期的方式實現每像素比特縮減的。15個斷點值的配置確定了將由每像素4比特映射產生的16個強度值的邊界。
圖7所示的電路在降低像素比特數時是作為連續近似數字化器工作的。然而，首先每像素21比特強度值必須經過修正以去除所有的標志比特。標志比特，如果存在的話，將是最高位比特(MSB)，這種比特將至多有四個，四個MSB通過與門(AND)51與4比特標志模板作與運算。標志比特/值表59示出存在的標志比特數，示于左列，是如何利用示于右側的、表示十六進制值的比特掩蔽的，由此由17比特產生完全代表輸入像素強度值的21比特。
輸入像素強度值與斷點8進行比較52，該斷點的值對應于掩蔽輸入像素強度值中的比特數的MSB，即最大輸入像素強度值的一半。如果輸入像素強度值大于斷點8的值，那么映射出的每像素4比特強度值中的比特3(MSB)將等于1。相反，如果輸入像素強度值小于斷點8的值，那么映射出的每像素4比特強度值中的比特3(MSB)將等于零。類似地，輸入像素強度值與分別代表輸入像素強度值范圍的1/4和3/4的斷點4或斷點12進行比較。比較值是等于1/4還是3/4決定于根據前次比較52的結果選擇了多路復用器53的哪一個輸出。
類似地，頭兩次比較的結果選擇多路復用器55的某個輸出，輸入像素強度值與分別代表最大輸入強度值的1/8、3/8、5/8或7/8的斷點2、6、10或14進行比較56。比較56的結果是映射出的4比特強度值的比特1。該過程額外重復一次，多路復用器57的輸出是斷點1、3、5、7、9、11、13、或15中的一個，這決定于頭三次比較52、54、56的結果，輸出與輸入像素強度值比較58以確定比特0的狀態。該過程的輸出，也可以用二進制搜索確定映射出的值，是每像素4比特強度值。
盡管輸入像素強度值和斷點通常是21比特整數，如果存在標志比特，那么輸入像素強度值MSB強制為零，而且斷點限制在一定的范圍內。這作為降低值最大像素強度參考值的一部分按比例降低了所有斷點的值。
除上面詳述的實現之外的其它實現也可以用來執行實際映射。硬件或軟件實現的查找表、或者軟件算法實現的二進制搜索或其它分類功能也可以根據斷點及其表示的分數將輸入像素強度值變換為輸出像素強度值。本發明最重要的部分和真正價值是可以按照不同的方式改變最大像素強度參考值，還能夠可變地定義斷點，由此定義了兩種像素強度表示之間的傳遞函數。輸入比特數和輸出比特數是可調節的，只要輸出比特數小于輸入比特數。可能的輸入強度值數目N可以不是2的乘方。用于實現傳遞函數的分數和斷點的數目可以小于N-1，由此改變并部分地破壞映射函數的對稱性。
還存在許多有趣的、建立最大像素參考值的可行方法，以及簡單地確定由更多數目的輸入比特表示的最大像素強度值的方法。操作員通過使用“亮度”控制可以設定最大像素強度參考值。實際實現的另一種方法允許操作員在“自動亮度調節開啟”模式和“自動亮度調節關閉”模式之間進行選擇。在自動亮度調節開啟模式中，最大像素參考值可以是最大輸入像素強度值的實際強度值的函數，如位于數據通路中某處的硬件或軟件所測量的。相反，在自動亮度調節關閉模式中，最大像素參考值可以是強度數據累加到采集光柵存儲器40中的時間量的函數。盡管前面使用的自動亮度調節模式概念在當前是優選實施方案，但是開啟模式依賴于除最大輸入像素強度值的實際強度值之外的一些其它因素，或關閉模式依賴于除采集時間之外的一些其它因素。
最大像素強度參考值還可以是存儲在采集光柵存儲器40中的像素的平均像素強度值的函數。另外，最大像素強度參考值還可以是存儲在采集光柵存儲器40中的像素的平均非零像素強度值的函數。
在自動亮度調節關閉模式，如開始在上面討論的，使用的最大像素值是直接比例于將采集累加到圖像中所用的時間量的理論最大像素強度值。這種自動亮度調節關閉選項是總過程復制模擬示波器的贗像，即顯示強度依賴于用戶觸發率。在某些情況下，這可以為用戶提供額外信息，具體地說是信號速率的定量指示。在其它情況下，這種行為是不能采用的，由此選擇自動亮度調節開啟模式，自動地將所有事件調節到實際滿偏強度。在與由根據接收到的實際最大像素強度的比例導出的圖像相比較時，使用只根據采集所用時間的理論最大像素強度能夠產生圖像失配。通常，當存在大量觸發時，期望系統產生同樣的圖像，而不論使用哪一種參考。實際上，它們可能是不同的，因此期望允許用戶能夠控制所使用的方式。
根據最大擺動速率，將出現最大像素強度的寬動態范圍。例如，對于具有恒定電壓值的信號，最大像素強度值是在與一個像素列相關聯的時刻將顯示的所有200個電壓值擴展開的信號的最大像素強度值的200倍。如果施加dV/dT加權因子W，那么這種總強度值的變化將更大。該加權因子W在具有最大值和無垂直變化的信號之間的強度差異中產生另一個因子31∶1，使總強度差異因子為6200∶1。一種補償與強度變化相關(與觸發相關相反)的這種信號的方法是用效率因子乘以時基理論最大像素強度。該效率因子是基于實際最大像素強度與期望理論最大像素強度之間的比值的，它等于壓縮因子乘以采集計數。總之，系統進行如下計算理論最大像素強度＝采集計數×比例因子×(實際最大像素強度/(采集時間×壓縮因子))。
然而，計算最大像素強度參考值的另一種方法是根據平均非零像素強度或包括零值像素的平均像素強度。在一種實現中，硬件包括計數所有非零像素和全部像素強度和的裝置，可以使用這些方法中的一種。
再參考圖5，強度映射50的輸出由強度變換器120進行處理，如果且只有當偶然事件突出使能信號有效時。當操作員想突出偶然事件、隱去經常事件時，操作員控制可以激活該信號。當信號有效時，強度變換器120改變像素亮度以突出偶然事件。在其最簡化實現中，這意味這補償所有的非零像素強度。這使最暗像素變得最亮，最亮像素變得最暗。中間亮度像素受到的影響很小，或完全不受影響。另外，利用一個或多個查找表可以實現更加復雜的算法。這種表的產生和選擇都受用戶的控制，并可以包括各種映射，該映射允許用戶在出現頻率之間進行選擇以確定是用強度還是用色彩來使人注目。
盡管已經描述和示出了本發明的優選實施方案，但是本領域的技術人員應當清楚的是在更廣闊的范圍內不偏離本發明的條件下可以作出一些變化和修改。因此，下述權利要求的意圖是覆蓋各個專利權授予國的專利法所允許的、所有這些變化和修改。
權利要求
1.在具有可變強度采集光柵掃描儀的數字示波器中，校正采集系統的采集系統非線性的方法，包括以下步驟校正采集系統的元件部分，以便為數字示波器的光柵顯示上的每個像素位置導出校正因子；將每個像素的校正因子存儲在光柵尋址存儲器中，其存儲地址對應于光柵顯示中的像素位置；向可變強度采集光柵掃描儀提供數字化波形數據，以便為采集光柵存儲器中的每個地址產生像素強度值；和對于每個像素強度值，導出相應的校正因子，并用校正因子乘以像素強度值，以得到校正的像素強度值。
2.根據權利要求1的校正方法，其中校正和存儲步驟由制造者在將示波器提供給消費者之前進行。
3.根據權利要求1的校正方法，其中校正步驟由示波器在其使用期限內自動執行。
4.根據權利要求1的校正方法，其中校正步驟由示波器響應操作員命令執行。
5.根據權利要求1的校正方法，其中采集系統的元件部分是具有不同非線性的模擬-數字變換器。
6.根據權利要求5的校正方法，其中校正步驟還包括以下步驟向模擬-數字變換器的輸入端提供已知的理想波形輸入；在待進行校正的位置積累像素強度值的統計信息；和比較搜集到的統計信息和已知理想波形的已知理想統計信息，并根據比較結果計算每個像素的校正系數。
7.根據權利要求1的校正方法，其中采集系統的元件部分是用于等效時間操作模式的時間內插器，時間內插器具有不同的非線性。
8.根據權利要求7的校正方法，其中校正步驟還包括以下步驟利用大量異步快速觸發信號觸發采集系統；計數在每個由時間內插器測量的時間間隔內發生多少次觸發；和利用相對于在每個時間間隔內測量到的數值的偏差產生校正系數。
9.根據權利要求1的校正方法，其中兩個校正因子相乘之后，再乘上像素強度值。
10.根據權利要求1的校正方法，其中多個校正因子相乘之后，其積再乘上像素強度值。
11.根據權利要求1的校正方法，其中兩個校正因子連續地與像素強度值相乘，第一校正因子與像素強度值相乘產生部分校正的像素強度值，第二校正因子與部分校正的像素強度值相乘產生校正的像素強度值。
12.根據權利要求1的校正方法，其中多個校正因子連續地與像素強度值相乘以及其乘積與其它校正因子相乘。
全文摘要
一種新型示波器設計通過有效的高速采集和將這種數據變換為包含每像素多比特強度信息格式的光柵掃描提高了對采集到的電壓時變數據的處理能力。每像素多比特可變強度光柵掃描儀針對最大處理量和存儲器帶寬的最高效使用進行優化。在出現不規則觸發率時,光柵掃描中止功能提供了捕獲與低速觸發相聯系的數據的高度可能性。電路用于補償采集時間和幅度的非線性。通過為操作員提供多種觀察能力的可控傳遞函數,將每像素多比特強度信息映射為每像素少比特格式。另一種操作模式利用變化的強度或色彩相對于經常發生事件突出偶然事件。
文檔編號G01R13/22GK1241723SQ9910481
公開日2000年1月19日 申請日期1999年4月5日 優先權日1999年4月5日
發明者D·G·克尼里姆, E·P·埃瑟里奇 申請人:特克特朗尼克公司