基于示波器波形数据自动测量边沿时间的方法

罗广恒

（成都天奥技术发展有限公司，四川 成都）

引言

利用计算机控制示波器对采样波形进行指标测量大致有三种方式，一是控制光标在屏幕上按步进移动读取波形值，但反应速度较慢，步进过大测量精度也会变差；二是利用示波器自身的测量功能，可以快速测量波形的峰峰值、幅度值、边沿时间、周期和频率等指标，但测试指标有限，不能满足用户的特定需求；三是直接读取示波器的波形数据，运用计算机程序的自定义算法对数据进行分析实现指标测量[1]，其灵活性较高。本文所要讨论的示波器边沿时间测量，是指波形下降沿或上升沿指定电平范围内的时间差，很多低端示波器不能直接测量指定电平范围内的时间差，采用基于波形数据的自定义分析和测量，是最便捷的方法。

1 示波器波形数据格式

泰克示波器（TDS3032B）支持使用波形命令从示波器读取指定通道的波形值，通过一系列的数据点来表示波形曲线，每一个数据点代表一个波形幅度轴上的一个采样值[2]。示波器对波形中每个采样值使用9 位或更多位的二进制码来表示，具体的位数与采样模式相关。为了便于读取和使用，示波器可将二进制的波形数据转换成ASCII 码形式，数值的范围依赖于指定的字节宽度[3]。一个字节的数值范围是-128 到127，两个字节的数值范围从-32 768 到32 767。每一个ASCII 码字符需要2 到7个字符来表示，其中1～5 个字符表示值，1 个字符表示负号，1 个字符用于逗号分隔，其具体形式如图1 所示。

图1 示波器波形数据格式

一个完整的波形，即由以上这种波形数据组成字符串序列，使用SCPI 指令DATa:ENCdg ASC，和CURve?可得到一个ASCII 码形式的波形数据，类似于：CURVE＜SPACE＞-110，-109，-110，-110，-109，-90，-84，-80…。波形数据的长度与指定的采样精度和采样起止位置有关，在TDS3032B 中，支持500 个点和10 000 个点两种采样精度，即波形长度分别为500 和10 000（修改其中参数，也可获取部分波形数据）。

2 波形数据转换成电平值

由于波形数据中的每一个值都用于表示波形曲线幅度轴中的一个点，根据波形数据，可以在网格中重新绘制出与示波器中相同的曲线[4]。但波形数据并不能直接反应实际的电平值，在幅度轴方向上该值与波形的电平值yn，垂直偏移量YOFF，垂直比例因子YMULT和0dB 时的电平值YZERO相关联，在水平轴方向上该值与波形数据的第一个点时间XZERO，波形数据时间因子XINCR和数据点个数n 相关联。若要进行数据处理和波形显示，必须换算出波形数据中每个数据点在幅度轴上的电平值和时间轴上的时间值。利用以下公式可将波形数据的ASCII 码值换算成对应时间轴上的电平值：

xn表示：第n 个波形数据点的时间，单位为秒;

XZERO表示：波形数据中第一个点的时间，全波形中该值为0，单位为秒；

XINCR表示：波形数据水平时间因子，即相邻两个波形数据之间的时间差，单位为秒；

n 表示：数据个数。

yn表示：第n 个波形数据点的电平值，单位为V；

YZERO表示：0dB 时的电平值，一般为0，单位为V；

YMULT表示：波形数据的垂直比例因子，即相邻两个波形数据之间的电平差，单位为V；

Yn表示：第n 个波形数据的值，即ASCII 码值；

YOFF表示：波形垂直偏移量，以ASCII 码值表示；

n 表示：数据个数。

公式中的参数与具体的设置有关，在计算之前，可以通过相关的SCPI 指令从示波器中直接查询得到。

3 触发信号边沿时间测量方法

在常规测量方法中，对一个已知的触发信号，测量其上升沿或下降沿指定幅度范围的时间差，为了正常捕捉到该信号波形，首先需要明确该信号的耦合方式、触发模式、触发电平、垂直单位和水平单位，使波形上升或下降部分呈现一定的斜率，同时波形底部显示水平方向不少于两格，波形顶部显示不少于三格，方便目视测量[5]，然后再通过垂直光标读取幅度范围内的时间差，完成边沿时间测量，如图2 所示。

图2 常规方法的边沿时间测量示意图

使用波形数据进行边沿时间测量时，首先仍然要正确地设置参数来获取被测信号的波形，然后才能通过SCPI 指令回读波形数据，只不过原来由人工设置的参数，现在通过程序指令来设置。从波形图中能够看出，触发电平的位置始终位于波形的水平中间位置，为了便于寻找给定的高电平和低电平在序列中的位置，一般从触发电平的位置开始向左向右搜索。为了计算方便，我们一般选择全波形数据，这样位于序列中间的值即是触发电平所在的位置。

对于下降沿的波形数据，从触发电平开始，向左搜索高电平所在位置，向右搜索低电平所在的位置，则高电平与低电平的时间差为高电平到低电平的下降时间；反之，可以同样求出上升沿波形数据的低电平到高电平的上升时间。

ΔT 表示：上升时间或下降时间；

Δth表示：高电平与触发电平在序列中间隔的数值个数；

Δtl表示：低电平与触发电平在序列中间隔的数值个数。

4 储能加电模块转电储能指标测试应用

储能加电模块是机载系统中模块加电控制和断电储能的重要模块，其内部电路由两组独立的储能电容及其充放电回路组成。转电储能指标是衡量电容充放电性能好坏的关键指标，测试时，需要先用28V 电源给电容充满电，然后用示波器测试模块CPS 端在电容放电时，电压从28V 下降到18V 的时间，标称值为≥50ms，其测试框图及获取到的波形如图3 所示。

图3 储能加电模块转电储能测试框图及波形示意图

自动测量时，计算机通过网络接口控制示波器，通过RS232 接口控制直流电源和电子负载。计算机程序按既定流程对仪器进行参数设置和过程控制（其中，示波器的主要参数有：波形数据的数值范围为256，波形长度为500，波形位置为0，触发电平为23V，垂直单位为10V/div，水平单位为40ms/div），示波器能够正确捕获到CPS 端放电时的下降沿波形。以任意一次波形数据为例说明其计算过程，为了计算方便，将波形数据命名为波形列表：

波形列表=[68,68,69,69,68,68,68, …,67高电平下降位置,67,66, 65,6464,64,63,63,6261,61,61,60,60,59,59,58,59,58,57,57,57,57中间值,57,57,57,57,56,56, 55,54,54,54,53,52,53,51,50,52,51,50,51,49,50,49,49,49,48,48,48,47,46,46,46,45,4 518v电平位置,45,44,43,43, 42,41,41,41,40,40,38,38,37,37,36,35,34,34,33,33,32,32,31,30,30,28,28,28,25,24,24,22,21,22,21,2 0,19,18,18,17,16,16,15…,1,1,0,-1,0]，波形列表共计500 个数，波形列表中间值为57，高电平的值为69。

利用SCPI 指令从示波器中读取公式（1）和公式（2）中相关参数的值，分别如表1 所示。

表1 示波器读取波形数据相关参数

为了便于搜索，按照公式（2）将电平转换成波形数据的ASCII 码形式：

则查找电压从28V 降低到18V 的时间，就是利用计算机程序搜索波形列表中V高电平开始下降（一般以V高电平*0.98 确定下降起始位置）到V18V之间的时间差。计算机程序的Python 伪代码如下所示：

#注释6:计算下降沿高电平到18V 之间的时间差

为了验证波形数据测量下降沿时间的可靠性，分别对储能加电模块的转电储能指标用人工测量和自动测量进行了5 次对比测量，测量结果见表2。

表2 人工测量和自动测量结果对比

通过以上人工测量和自动测量对比可以看出，在测量精度要求允许范围内自动测量和人工测量均能够满足测量需求，但自动测量效率明显得到提升。

结束语

示波器的波形数据能够完整反映示波器的波形，通过计算机程序从示波器中读取波形数据并进行分析，可以快速自动测量波形的相关指标，达到同人工测量相同的目的，具有灵活性高，测试速度快的优点。本文的方法已成功应用于工程实践，提高了产品的测试效率，取得了良好的效果。