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专利名称：一种可以显示数学运算结果的数字示波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字示波器领域，特别涉及一种可以显示数学运算结果的数字示波器。
背景技术：
数学运算功能是数字示波器的一种常见功能，该功能可以对被测波形进行加减乘除等数学运算，最终得到经过运算后的波形。目前市场上一些高端的示波器还具有高级运算功能，不仅可以实现加减乘除等简单的数学运算，还加入了积分、微分和对数等高级运算功能，并且还可以通过公式编辑的形式输入运算公式，增强了该功能的灵活性和实用性。为了观察运算后波形的细节和全貌，还需要具有垂直方向的档位调节功能，方便用户在垂直档位范围内观察运算后波形。现有技术中，数字示波器的数学运算功能的垂直档位范围是固定的，即对所有的运算功能设置一个通用的档位范围，但因为参与运算的通道的档位和运算公式是不确定的，也就导致经过运算后波形的可观测范围也是不确定的，所以如果采用固定的档位范围，就会产生档位浪费或者档位不够用的问题。并且对于高级运算功能，由于运算公式比较复杂，更容易产生前述问题。

发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种可以显示数学运算结果的数字示波器。本发明所述的数字示波器，包括:通道垂直档位选择旋钮，用于产生被测量通道的垂直档位信息；测量通道，用于依据所述的垂直档位信息采集被测波形，一个输入单元，用于输入一个数学运算公式；—个数学运算垂直档位选择旋钮，用于产生一个运算波形的垂直档位控制信息；一个显示单元，用于根据所述运算波形的垂直档位控制信息，设定显示窗口的垂直档位，并在所述显示窗口中显示与所述被测波形及所述运算公式对应的运算波形；所述显示单元，还根据所述的被测量通道的垂直档位信息及所述的数学运算公式设定所述显示窗口的最大垂直档位和最小垂直档位。在本发明所述的数字示波器中，也可以具有多个所述的通道垂直档位选择旋钮，每个所述垂直档位选择旋钮分别对应产生不同被测量通道的垂直档位信息；所述显示单元，也可以根据所述的多个通道垂直档位信息及所述的数学运算公式，设定所述显示窗口的最大显示档位和最小显示档位。在本发明所述的数字示波器中，也可以在在所述的显示窗口为所述的最大垂直档位时，所述的运算波形的最大测量幅值为对应所述显示窗口在所述最大垂直档位的最小分辨率的幅值。在本发明所述的数字示波器中，也可以在所述的显示窗口为所述的最小垂直档位时，所述运算波形的最小可测量幅值对应所述显示窗口在所述的最小垂直档位时的最大显示幅值。在本发明所述的数字示波器中，所述显示单元，也可以首先根据所述显示窗口的最大垂直档位和最小垂直档位限定的中间档位,初始化所述显示窗口的当前垂直档位,并在所述显示窗口中显示所述的运算波形，然后再根据所述运算波形的垂直档位控制信息，重新设定所述显示窗口的当前垂直档位，并在所述显示窗口中显示所述的运算波形。在本发明所述的数字示波器中，所述的数学运算垂直档位选择旋钮，产生的垂直档位信息也可以包括一个递增信息和一个递减信息；所述显示单元，根据所述递增信息，使所述显示窗口的数学运算垂直档位增加，根据所述递减信息，使所述数学运算垂直档位减少。在本发明所述的数字示波器中，在所述显示窗口的数学运算垂直档位等于所述最大垂直档位时，所述显示单元，也可以根据所述递增信息，限定所述显示窗口的当前数学运算垂直档位为所述最大垂直档位。在本发明所述的数字示波器中，在所述显示窗口的数学的运算垂直档位等于所述最小垂直档位时，所述显示单元，也可以根据所述通递减信息，限定所述显示窗口的当前数学运算垂直档位为所述最小垂直档位。在本发明所述的数字示波器中，也可以在所述的显示窗口的数学运算垂直档位为所述的最小垂直档位时，响应所述的数学运算垂直档位选择旋钮产生垂直档位递减信息，所述的显示单元产生对应的超档位提示信息；在所述的显示窗口的数学运算垂直档位为所述的最大垂直档位时，响应所述的数学运算垂直档位选择旋钮产生垂直档位递增信息，所述的显示单元也可以产生对应的超档位提示信息。本发明所述的示波器可以根据运算公式自动调整运算功能的档位范围，与现有技术相比，去除了大量无用的档位，而且自动确定的档位范围更加利于用户观察波形。并且，本发明所述的示波器还在前面板上具有的专用的数学运算垂直档位选择旋钮，十分方便用户调节档位，而且操作方便。当本发明所述的示波器具有档位超限提示时，还可以避免用户进行无用的操作。


图1是实施例中数字示波器I的结构示意图。图2是实施例中数字示波器I的前面板201的结构示意图。图3是实施例中数字示波器I的数学运算档位范围设置方法的流程图。图4是实施例中运算波形在最大垂直档位时的显示效果图。图5是实施例中运算波形在最小垂直档位时的显示效果图。
具体实施例方式下面结合附图介绍本发明的一较佳实施例。参考图1，本发明所述的数字示波器I包括第一信号输入端1011，第二信号输入端1012，第一测量通道1021，第二测量通道1022，显示单元103和输入单元104。信号输入端1011、1012用于接收外部的待测模拟信号S1、S2，并分别传送给测量通道 1021、1022。测量通道1021、1022用于接收信号输入端1011、1012传送的待测模拟信号S1、S2，
并对其进行衰减、放大和阻抗匹配等处理，然后通过数模转换部件进行数字采样，生成数字信号。作为举例说明，测量通道1021、1022还可以包括带宽限制、模数转换等处理单元。作为举例说明，数字示波器I还可以包括一个信号输入端、四个信号输入端或者更多的信号输入端，以及与每个信号输入端一一对应的测量通道。在本实施例中，输入单元104用于接收用户的各种设置信息，并且将这些信息发送给显示单元103用于实现示波器的各种控制操作。显示单元103用于对接收测量通道1021、1022输出的数字信号，并根据来自输入单元104的用户设置信息，对其进行数字处理，在其显示窗口 105中，生成待测模拟信号S1、S2的显示波形。在本实施例中，显示单元103还包括有显示器，所述显示器可以提供显示窗口105，显示窗口 105用于将显示单元103生成的所述显示波形呈现给用户。所述显示器可以通过例如CRT、IXD或LED等具有显示功能的显示部件实现。作为举例说明，显示单元103还包括对测量通道的各种控制处理单元，所述控制单元可以通过DSP、FPGA或CPLD等多种器件构成。在本实施例中，结合参考图1、2，数字示波器I还具有一个前面板201，前面板201上安装有可以提供显示窗口 105的显示器，一个数学运算垂直档位调节旋钮202，和分别与测量通道1021、1022相对应的通道垂直档位调节旋钮203、204。在本实施例中，测量通道1021、1022根据调节旋钮203、204设置的垂直档位信息，设定其信号采集的垂直档位，由对应的信号输入端1011、1012采集待测模拟信号S1、S2 ；在本实施例中，输入单元104接收用户输入的数学运算公式，并将其送给显示单元 103 ；作为举例说明，输入单元104可以通过前面板201上的物理键盘实现，也可以通过由软件显示界面形成的虚拟键盘实现，或还可以由所述物理键盘和虚拟键盘结合的方法实现。在本实施例中，显示单元103可以根据所述数学运算公式对待测模拟信号S1、S2进行数学运算，得到运算波形；在本实施例中，用户可以通过输入单元104输入数学运算公式，并使数字示波器I依据所述数学运算公式，对所述待测模拟信号执行多种数学运算，这里待测模拟信号可以是来自测量通道1021、1022之一，或者两个测量通道1021、1022。作为举例说明，对于具有较多测量通道的示波器而言，所述待测模拟信号也可以来自更多的测量通道。数字示波器I依据所述的数学运算公式对所述待测模拟信号执行数学运算时，数学运算垂直档位调节旋钮202可以产生运算波形的垂直档位控制信息，显示单元103根据调节旋钮202产生的垂直档位控制信息，设定显示窗口 105的垂直档位，并根据该垂直档位控制信息，设定所述运算波形在显示窗口 105中的显示幅度。在本实施例中，显示单元103可以根据测量通道1021、1022采集待测模拟信号S1、S2时采用的垂直档位和数学运算公式，自动设定显示窗口 105在显示所述运算波形时的最大垂直档位和最小垂直档位。下面以具体实例并结合图1、图2和图3，详细介绍本发明的数字示波器I的自动确定数学运算垂直档位范围的控制过程。以通过输入单元104输入数学运算公式CH1+CH2为例，当CHl输入为正弦信号，对应测量通道1021，CH2输入为正弦信号，对应测量通道1022，显示窗口 105共分为8格(正负各4格)，ADC采集部件的分辨率为256。数字示波器I对待测模拟信号S1、S2执行数据采集和依据所述数学运算公式CH1+CH2对待测模拟信号S1、S2执行相应的数学运算时，包括如下步骤:301:设置通道的垂直档位通过通道垂直档位调节旋钮203、204分别设置CHl和CH2的垂直档位，例如均设为5V，具体地，用户设置的垂直档位的信息是通过输入单元104中的调节旋钮203、204发送到测量通道1021、1022，然后测量通道1021、1022分别根据所述垂直档位信息，采集由信号输入端1011、1012输入的待测模拟信号S1、S2。302:输入数学公式，进行数学运算用户利用设置在前面板201上的一个数学运算功能按钮进入数学运算功能，然后再借助显示窗口 105内的公式输入框输入数学运算公式CH1+CH2，点击确认后，显示单元103就根据运算公式对采集到的待测模拟信号S1、S2进行数学运算，得到运算波形。303:根据数学公式确定档位范围根据用户输入的数学运算公式CH1+CH2，显示单元103确定数学运算垂直档位范围，为了解决现有技术中数学运算档位浪费或者档位不够用的问题，本发明的数学运算档位范围的确定原则是:在最大垂直档位下，运算波形的最大测量幅值对应显示窗口 105的最小分辨率的幅值；在最小垂直档位下，运算波形的最小可测量幅值对应显示窗口 105的最大显不幅值。名词解释:I)运算波形的最大测量幅值和最小可测量幅值是指示波器可以测量到的运算波形的最大幅值和最小幅值。2)显示窗口 105的最小可分辨率的幅值是根据垂直档位的数值和ADC的分辨率确定的值，在本例中，ADC的分辨率为256，即显示窗口 105可显示256个点，又因显示窗口105共分为8格，所以每格可显示32个点，假设垂直档位为D (每格可显示的电压)，那么显示窗口 105的最小可分辨率的幅值为D/32。3)显示窗口 105的最大显示幅值为显示窗口的4格。根据输入的数学运算公式确定数学运算垂直档位范围的方法如下:I)首先根据上面确定档位范围的原则，确定公式中每个运算数的档位范围，在本例中，CHl的垂直档位为5V，所以CHl的最大测量幅值为5*4 = 20V，最小可测量幅值为5/32。在最大垂直档位下，将最大测量幅值显示为一个点，即对应显示窗口 105的最小分辨率的幅值，所以得到最大垂直档位为Hl = 5*4*32 = 5*128 ;在最小垂直档位下,将运算波形的最小可测量幅值显示为最大显示幅值4个格，所以得到最小垂直档位为LI = 5/(32*4)=5/128。同理，得到CH2最大垂直档位H2 = 5*128，最小垂直档位L2 = 5/128。
2)然后将运算数CHl和CH2的最大垂直档位(HI，H2)和最小垂直档位LI，L2)分别代入到运算公式CH1+CH2，得到运算波形的最大垂直档位为H1+H2 = 5*128+5*128 =1280V，最小垂直档位为 L1+L2 = 5/128+5/128 = 78.125mV。3)为了便于控制，得到的档位极限值还需要进行格式化，本实施例中采用的是1-2-5进制模式，也就是将计算的档位值归一化到最接近的满足1-2-5进制的较大的数值上。经过格式化后，最大垂直档位为2000V，最小垂直档位为IOOmV,参照图4和图5，分别为将数学运算的垂直档位调节到最大垂直档位和最小垂直档位时，运算波形的效果图，在图4中，显示窗口 105的左下角a显示数学运算垂直档位，中下方b显示数学运算公式，MAX代表运算波形，从图上可以看出在最大垂直档位下，运算波形MAX几乎显示为一条直线，即在垂直方向上显示为I个点；在图5中，MIN代表运算波形，可见在最小垂直档位下，运算波形MIN满屏显示。作为举例说明，本发明中所述的确定数学运算垂直档位范围的方法还适用于减法运算、乘法运算、除法运算、积分运算、微分运算、对数运算、指数运算和开方运算。除加法运算以外的其他高级运算的最大和最小垂直档位的计算方法，可以参照上面的确定档位范围的原则以及推导方法，下面以积分运算为例，说明具体的推导方法:在示波器中，采集到的波形数据为离散点，因此积分运算等效为点乘积的累计:m(n) = Σ f (n) dx应用数字示波器中为m(n) =Σ f (n)/Sa，其中Sa为采样率；对于数字示波器一个时基，其采样率固定，所以m(n) = ( Σ f(n))/Sa,其中 Sa = horidot/horiscale, horidot 为水平每格的点数，horiscale为水平时基；所以m(n) = ( Σ f (n))*horiscale/horidot ；对于一个固定的测量通道垂直档位scale,显不窗口 105内可以显不的最大值为vertdiv*scale, vertdiv为垂直半屏的格数；显示窗口 105内数据点的积分最大值为MAXintg = vertdiv 氺 scale 氺 horidiv 氺 horidot 氺 horiscale/horidot= vertdiv氺scale氺horidiv氺horiscale对于一个固定档位scale,显不窗口 105内可以显不的最小值为scale/vertdot,vertdot为垂直每格的点数；显示窗口 105内数据点的积分最小值为MINintg = (scale/vertdot)氺 horidiv 氺 horidot 氺(horiscale/horidot)= (scale/vertdot)氺horidiv氺horiscale对于MAXintg有效的最大垂直档位为Uintg = MAXintg*Vertdot，此时MAXintg显示为一个有效点，即在运算档位为Uintg时，垂直方向上一个点所代表的值就是MAXintg ；对于MINintg有效的最小档位为Lintg = MINintg/vertdiv,此时 MINtg 占显示窗口 105 的 vertdiv 格,在运算档位为Lintg时，vertdiv*vertdot个点所代表的值就是MINintg ；
因此得到积分运算时的最大垂直档位H和最小垂直档位L的计算公式分别为:L = scale氺horiscale氺horidiv/ (vertdot氺vertdiv) (I)H = scale氺horiscale氺horidiv氺vertdiv氺vertdot(2)假设对CHl进行积分运算，则需将CHl的最大垂直档位Hl代入上面的公式(I)中的scale，将CHl的最小垂直 档位LI代入上面的公式(2)中的scale，公式中的其他参数都是常量，即可得到该积分运算的最大垂直档位和最小垂直档位。举例如下:CHl的档位为lv，时基lus，垂直方向半屏格数4，水平方向14格，每格有效点数32。计算Intg(CHl)的档位范围CHl IV的最大垂直运算档位为1*128 = 1*4*32CHl IV的最小垂直运算档位为1/128 = 1/32/4L = lv/128*lus*14/(32*4) = 14uv/(128*128) = 0.85ηH = lv*128*lus*14*4*32 = 14uv*128*128 = 229.3m进过格式化后得到档位范围为In 500m。作为举例说明，对于复杂的运算公式，公式中的运算数可能包含多个通道或者常量，此时在确定数学运算的垂直档位范围时，显示单元103需要同时根据每个运算数的档位范围、常量的档位范围及运算公式进行计算。作为举例说明，可以根据实际应用情况，仅采用本发明所述的最大垂直档位确定原则，而最小垂直档位采用传统的方法实现，或者仅采用本发明所述的或者最小垂直档位确定原则，而最大垂直档位采用传统的方法实现，或者同时采用本发明所述的最大和最小垂直档位确定原则。304:默认档位显示波形在运算完成后，显示单元103会立即自动设定显示窗口 105的数学运算垂直档位为最大垂直档位和最小垂直档位限定的中间档位，并根据该档位显示所述运算波形,在本例中，显示单元103首先通过档位10V显示所述运算波形。作为举例说明，根据实际应用需要，显示单元103还可以在最大垂直档位和最小垂直档位之间选取其他的档位作为默认档位显示所述运算波形。305:调节档位用户通过前面板201上的数学运算垂直档位调节旋钮202调节垂直档位，数学运算垂直档位调节旋钮202可以产生一个档位递增信息或者一个档位递减信息，显示单元103根据所述的递增信息使数学运算垂直档位增加，根据递减信息使数学运算垂直档位减少。作为举例说明，数学运算垂直档位调节旋钮202可以采用固定刻度的旋钮，或者其他通过感应旋转方向和旋转角度产生档位递增信息或档位递减信息的旋钮，例如向左是递减，向右是递增，根据旋转的角度大小确定增量或者减量。306:以调节后的档位显示波形显示单元103根据调节旋钮202产生的垂直档位信息，重新设定显示窗口 105的垂直档位，并根据该档位显示所述运算波形。
307:限制档位当数学运算垂直档位等于最大垂直档位时，如果数学运算垂直档位调节旋钮202又产生递增信息，此时显示单元103会将当前的数学运算垂直档位限制在最大垂直档位，保持档位不变；同样，当数学运算垂直档位等于最小垂直档位时，如果数学运算垂直档位调节旋钮202又产生递减信息，此时显示单元103会将当前的数学运算垂直档位限制在最小垂直档位，保持档位不变。从而保证数学运算垂直档位总是在其档位范围内。308:超限提示当数学运算垂直档位等于最大垂直档位时，如果数学运算垂直档位调节旋钮202又产生递增信息，此时显示单元103会将当前的数学运算垂直档位限制在最大垂直档位，保持档位不变，并且同时产生超档位提示信息；同样，当数学运算垂直档位等于最小垂直档位时，如果数学运算垂直档位调节旋钮202又产生递减信息，此时显示单元103会将当前的数学运算垂直档位限制在最小垂直档位，保持档位不变，并且同时给出超档位提示信息。作为举例说明，超限提示信息可以采用在显示窗口 105中显示文字提示信息，或者采用声音报警提示。以上所述的仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种可以显示数学运算结果的数字示波器，包括: 通道垂直档位选择旋钮，用于产生被测量通道的垂直档位信息； 测量通道，用于依据所述的垂直档位信息采集被测波形， 一个输入单元，用于输入一个数学运算公式； 一个数学运算垂直档位选择旋钮，用于产生一个运算波形的垂直档位控制信息；一个显示单元，用于根据所述运算波形的垂直档位控制信息，设定显示窗口的垂直档位，并在所述显示窗口中显示与所述被测波形及所述运算公式对应的运算波形； 其特征在于， 所述显示单元，还根据所述的被测量通道的垂直档位信息及所述的数学运算公式设定所述显示窗口的最大垂直档位和最小垂直档位。
2.根据权利要求1所述的示波器，其特征在于， 具有多个所述的通道垂直档位选择旋钮，每个所述垂直档位选择旋钮分别对应产生不同被测量通道的垂直档位信息； 所述显示单元，根据所述的多个通道垂直档位信息及所述的数学运算公式，设定所述显示窗口的最大显示档位和最小显示档位。
3.根据权利要求1或2所述的示波器，其特征在于， 在所述的显示窗口为所述的最大垂直档位时，所述的运算波形的最大测量幅值对应为所述显示窗口在所述最大垂直档位下的最小分辨率的幅值。
4.根据权利要求3所述的示波器，其特征在于， 在所述的显示窗口为所述的最小垂直档位时，所述运算波形的最小可测量幅值对应为所述显示窗口在所述最小档位下的最大显示幅值。
5.根据权利要求4所述的示波器，其特征在于， 所述显示单元，首先根据所述显示窗口的最大垂直档位和最小垂直档位限定的中间档位，初始化所述显示窗口的当前垂直档位，并在所述显示窗口中显示所述的运算波形， 然后再根据所述运算波形的垂直档位控制信息，重新设定所述显示窗口的当前垂直档位，并在所述显示窗口中显示所述的运算波形。
6.根据权利要求5所述的示波器，其特征在于， 所述的数学运算垂直档位选择旋钮，产生的垂直档位信息包括一个递增信息和一个递减信息； 所述显示单元，根据所述递增信息，使所述显示窗口的数学运算垂直档位增加，根据所述递减信息，使所述数学运算垂直档位减少。
7.根据权利要求6所述的示波器，其特征在于， 在所述显示窗口的数学运算垂直档位等于所述最大垂直档位时， 所述显示单元，根据所述递增信息，限定所述显示窗口的当前数学运算垂直档位为所述最大垂直档位。
8.根据权利要求7所述的示波器，其特征在于， 在所述显示窗口的数学的运算垂直档位等于所述最小垂直档位时， 所述显示单元，根据所述通递减信息，限定所述显示窗口的当前数学运算垂直档位为所述最小垂直档位。
9.根据权利要求7或8所述的示波器，其特征在于， 在所述的显示窗口的数学运算垂直档位为所述的最小垂直档位时，响应所述的数学运算垂直档位选择旋钮产生垂直档位递减信息，所述的显示单元产生对应的超档位提示信息； 在所述的显示窗口的数学运算垂直档位为所述的最大垂直档位时，响应所述的数学运算垂直档位选择旋钮产生垂直档位递增信息，所述的显示单元产生对应的超档位提示信息ο
全文摘要
本发明公开了一种可以显示数学运算结果的数字示波器，包括通道垂直档位选择旋钮，用于产生被测量通道的垂直档位信息；测量通道，用于依据垂直档位信息采集被测波形，输入单元，用于输入数学运算公式；数学运算垂直档位选择旋钮，用于产生运算波形的垂直档位控制信息；显示单元，用于根据运算波形的垂直档位控制信息，设定显示窗口的垂直档位，并在显示窗口中显示与被测波形及运算公式对应的运算波形，还根据被测量通道的垂直档位信息及数学运算公式设定显示窗口的最大垂直档位和最小垂直档位。本发明所述的示波器根据运算公式自动确定高级运算功能的档位范围，与现有技术相比，去除了大量无用的档位，自动确定的档位范围更加利于用户观察波形。
文档编号G01R13/02GK103185824SQ201110449260
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者王志彦, 王悦, 王铁军, 李维森 申请人:北京普源精电科技有限公司