《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》是廣州致遠電子股份有限公司於2014年5月30日申請的專利，該專利的公布號為CN103969484A，授權公布日為2014年8月6日，發明人是周立功。
《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》實施例公開了高刷新率波形合成器，用於實現通過縮短Tmap來提高波形刷新率WRR，提高數字示波器抓取波形細節的能力，最佳化數字示波器的性能。該發明實施例一種高刷新率波形合成器，包括：數據分發模組、存儲模組、合成模組以及數據整合模組；所述存儲模組，由n個存儲子模組組成；所述合成模組，由n個合成子模組組成；n個存儲子模組與n個合成子模組一一對應地並行連線；所述存儲子模組用於存儲波形數據；所述合成子模組用於合成採集數據和所述波形數據，並將得到的新的波形數據寫入對應的存儲子模組，所述波形數據從對應的所述存儲子模組中讀取得到。該發明實施例還提供高刷新率示波器。
2020年7月14日，《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：高刷新率波形合成器和高刷新率示波器
- 申請人：廣州致遠電子股份有限公司
- 申請日：2014年5月30日
- 申請號：2014102394667
- 公布號：CN103969484A
- 公布日：2014年8月6日
- 發明人：周立功
- 地址：廣東省廣州市天河區高普路1035號第2層204房
- Int. Cl.：G01R13/02(2006.01)I、G01R1/20(2006.01)I
- 代理機構：北京集佳智慧財產權代理有限公司
- 代理人：曹志霞
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
波形刷新率（WRR）是評判數字示波器性能優劣的重要指標之一，它直接體現了數字示波器抓取波形細節的能力，波形刷新率越高意味著捕獲異常的能力越強。
2014年前，數字示波器一般都將採集到的或疊加後的波形數據存儲到外部存儲器中，每當數字示波器內的合成器對波形數據進行合成時，需要從外部存儲器中讀取波形數據，然後合成，最後再次將合成後的波形數據寫入外部存儲器。其中波形刷新率的公式為：
。
Tacq為採集時間，即採集一幅完整波形所需的時間，它和存儲深度，採樣率等因素有關。Tdead為死區時間，主要由2部分組成：波形數據讀取時間Tr和波形數據映射時間Tmap。數字示波器的系統架構決定後，Tacq和Tr也就基本上確定了，但不同的合成器會導致Tmap不同，而且Tmap一般遠大於Tacq和Tr，所以波形刷新率可以近似等價於：
，因此Tmap的大小直接影響波形刷新率。
圖5為2014年之前的數字示波器的合成系統的結構圖，採樣電路S從外部採集信號存入外部動態存儲器M1，合成器根據採樣數據讀取外部靜態存儲器M2的波形數據，然後進行疊加操作，最後將疊加後的波形數據寫回M2。假設一幅波形有k個採樣點，則有：Tmap＝k*（trd+tmd+twr）。
trd為外部靜態存儲器M2的讀取時間，tmd為修改波形數據所需的時間，twr為將波形數據寫入外部靜態存儲器所需的時間，在同步設計中，可以有trd＝tmd＝twr，所以公式（1-3）可以簡化為：Tmap＝3k*trd――公式（1-4）
然而，從圖1中可以看出，2014年之前的數字示波器的合成器需要從外出靜態存儲器中執行“讀取-修改-寫入”的操作才能進行波形數據的合成，並且每次只能映射一個波形數據，這就限制了合成器的合成效率，也就是導致了Tmap的時間過長，難以通過縮短Tmap來提高波形刷新率WRR，這已經成為了數字示波器的波形刷新率提高的瓶頸，亟需一種提高波形刷新率的合成器來解決。
發明內容
專利目的
《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》實施例提供了高刷新率波形合成器，能夠實現通過縮短Tmap來提高波形刷新率WRR，提高數字示波器抓取波形細節的能力，最佳化數字示波器的性能。
技術方案
《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》實施例提供的一種高刷新率波形合成器，包括：
數據分發模組、存儲模組、合成模組以及數據整合模組；所述存儲模組，由n個存儲子模組組成；所述合成模組，由n個合成子模組組成；n個存儲子模組與n個合成子模組一一對應地並行連線；所述存儲子模組用於存儲波形數據；所述合成子模組用於合成採集數據和所述波形數據，並將得到的新的波形數據寫入對應的存儲子模組，所述波形數據從對應的所述存儲子模組中讀取得到；所述數據分發模組，用於將獲取到的k個所述採集數據並行分發到n個合成子模組，每次只為每個合成子模組分發1個所述採集數據，k為所需採集的波形所有採集數據的個數；所述數據整合模組，用於當所述合成模組將k個所述採集數據均合成處理後，從所述存儲模組中讀取到n個波形數據，並將n個所述波形數據整理合併成輸出波形，輸出所述輸出波形。
可選地，所述存儲子模組為雙連線埠存儲器。
可選地，在所述合成子模組讀取對應的所述存儲子模組的波形數據的同時，所述合成子模組將合成得到的合成後的波形數據寫入對應的存儲子模組。
可選地，n個所述合成子模組之間存在優先權關係。
可選地，當k小於n時，所述數據分發模組將獲取到的k個所述採集數據並行分發到k個優先權較高的所述合成子模組。
可選地，當k＝n*i+j時，所述數據分發模組將獲取到的n*i個所述採集數據並行分發到n個所述合成子模組，共分發i次，然後將剩下的j個所述採集數據並行分發到j個優先權較高的所述合成子模組，i為整數且大於0，j為整數。
可選地，所述存儲子模組為塊隨機存儲器。
改善效果
《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》實施例具有以下優點：該發明實施例中，一種高刷新率波形合成器，包括：數據分發模組、存儲模組、合成模組以及數據整合模組；所述存儲模組，由n個存儲子模組組成；所述合成模組，由n個合成子模組組成；n個存儲子模組與n個合成子模組一一對應地並行連線；所述存儲子模組用於存儲波形數據；所述合成子模組用於合成採集數據和所述波形數據，並將得到的合成後的波形數據寫入對應的存儲子模組，所述波形數據從對應的所述存儲子模組中讀取得到；所述數據分發模組，用於將獲取到的k個所述採集數據並行分發到n個合成子模組，每次只為每個合成子模組分發1個所述採集數據，k為所需採集的波形所有採集數據的個數；所述數據整合模組，用於當所述合成模組將k個所述採集數據均合成處理後，從所述存儲模組中讀取到n個波形數據，並將n個所述波形數據整理合併成輸出波形，輸出所述輸出波形。在該發明實施例中，n個存儲子模組與n個合成子模組並行連線，當數據分發模組將採集數據並行分發到n個合成子模組中後，n個合成子模組可以並行工作，在同一時刻映射n個波形數據，可以同時合成處理得到n個合成後的波形數據，因此該高刷新率波形合成器採集一個波形，並完成輸出一個輸出波形需要的波形數據映射時間為Tmap/n，根據公式（1-2）可以知道，波形刷新率WRR近似提高了n倍。該高刷新率波形合成器實現了通過縮短Tmap來提高波形刷新率WRR，提高了數字示波器抓取波形細節的能力，最佳化了數字示波器的性能。
附圖說明
圖1為《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》實施例中高刷新率波形合成器一個實施例結構圖；
圖2為《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》實施例中高刷新率波形合成器另一個實施例結構圖；
圖3為《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》實施例中高刷新率波形合成器另一個實施例結構圖；
圖4為《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》實施例中高刷新率示波器一個實施例示意圖；
圖5為《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》實施例中2014年之前的數字示波器的合成系統的結構圖。
技術領域
《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》涉及示波器領域，尤其涉及高刷新率波形合成器和高刷新率示波器。
權利要求
1.一種高刷新率波形合成器，其特徵在於，包括：
數據分發模組、存儲模組、合成模組以及數據整合模組；所述存儲模組，由n個存儲子模組組成；所述合成模組，由n個合成子模組組成；n個存儲子模組與n個合成子模組一一對應地並行連線；所述存儲子模組用於存儲波形數據；所述合成子模組用於合成採集數據和所述波形數據，並將得到的新的波形數據寫入對應的存儲子模組，所述波形數據從對應的所述存儲子模組中讀取得到；所述數據分發模組，用於將獲取到的k個所述採集數據並行分發到n個合成子模組，每次只為每個合成子模組分發1個所述採集數據，k為所需採集的波形所有採集數據的個數；所述數據整合模組，用於當所述合成模組將k個所述採集數據均合成處理後，從所述存儲模組中讀取到n個波形數據，並將n個所述波形數據整理合併成輸出波形，輸出所述輸出波形。
2.根據權利要求1所述的高刷新率波形合成器，其特徵在於，所述存儲子模組為雙連線埠存儲器。
3.根據權利要求2所述的高刷新率波形合成器，其特徵在於，在所述合成子模組讀取對應的所述存儲子模組的波形數據的同時，所述合成子模組將合成得到的新的波形數據寫入對應的存儲子模組。
4.根據權利要求1所述的高刷新率波形合成器，其特徵在於，n個所述合成子模組之間存在優先權關係。
5.根據權利要求4所述的高刷新率波形合成器，其特徵在於，當k小於n時，所述數據分發模組將獲取到的k個所述採集數據並行分發到k個優先權較高的所述合成子模組。
6.根據權利要求4所述的高刷新率波形合成器，其特徵在於，當k＝n*i+j時，所述數據分發模組將獲取到的n*i個所述採集數據並行分發到n個所述合成子模組，共分發i次，然後將剩下的j個所述採集數據並行分發到j個優先權較高的所述合成子模組，i為整數且大於0，j為整數。
7.根據權利要求1所述的高刷新率波形合成器，其特徵在於，所述存儲子模組為塊隨機存儲器。
8.一種高刷新率示波器，其特徵在於，包括：採樣電路、外部動態存儲器、權利要求1至7中任一項所述的高刷新率波形合成器以及顯示電路；所述採樣電路用於獲得所需採集的波形的採集數據；所述外部動態存儲器用於動態存儲所述採集電路採集回來的所述採集數據；所述顯示電路用於顯示所述高刷新率波形合成器輸出的輸出波形。
9.根據權利要求8所述的高刷新率示波器，其特徵在於，所述外部動態存儲器通過串列數據傳輸的方式將所述採集數據傳送至所述高刷新率波形合成器；所述高刷新率波形合成器通過串列數據傳輸的方式將所述輸出波形傳送至所述顯示電路。
10.根據權利要求8至9中任一項所述的高刷新率示波器，其特徵在於，所述高刷新率波形合成器為FPGA電路板。
實施方式
參閱圖1，《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》實施例中一種高刷新率波形合成器一個實施例包括：
數據分發模組101、存儲模組102、合成模組103以及數據整合模組104；該存儲模組102，由n個存儲子模組1021組成；該合成模組103，由n個合成子模組1031組成；n個存儲子模組1021與n個合成子模組1031一一對應地並行連線；該存儲子模組1021用於存儲波形數據；該合成子模組1031用於合成採集數據和該波形數據，並將得到的合成後的波形數據寫入對應的存儲子模組1021，該波形數據從對應的該存儲子模組1021中讀取得到；該數據分發模組101，用於將獲取到的k個該採集數據並行分發到n個合成子模組1031，每次只為每個合成子模組1031分發1個該採集數據，k為所需採集的波形所有採集數據的個數；該數據整合模組104，用於當該合成模組103將k個該採集數據均合成處理後，從該存儲模組102中讀取到n個波形數據，並將n個該波形數據整理合併成輸出波形，輸出該輸出波形。
該實施例中，前面所說的一種高刷新率波形合成器的工作步驟為：該數據分發模組101將獲取到的k個該採集數據並行分發到n個合成子模組1031，每次只為每個合成子模組1031分發1個該採集數據；然後，該合成子模組1031合成採集數據和該波形數據，並將得到的合成後的波形數據寫入對應的存儲子模組1021，該波形數據從對應的該存儲子模組1021中讀取得到；最後，當該合成模組103將k個該採集數據均合成處理後，該數據整合模組104從該存儲模組102中讀取到n個波形數據，並將n個該波形數據整理合併成輸出波形，輸出該輸出波形。在該實施例中，n個存儲子模組1021與n個合成子模組1031並行連線，當數據分發模組101將採集數據並行分發到n個合成子模組1031中後，n個合成子模組1031可以並行工作，在同一時刻映射n個波形數據，可以同時合成處理得到n個合成後的波形數據，因此該高刷新率波形合成器採集一個波形，並完成輸出一個輸出波形需要的波形數據映射時間為Tmap/n，根據公式（12）可以知道，波形刷新率WRR近似提高了n倍。該高刷新率波形合成器實現了通過縮短Tmap來提高波形刷新率WRR，提高了數字示波器抓取波形細節的能力，最佳化了數字示波器的性能。
為便於理解，下面對《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》實施例中一種高刷新率波形合成器進行詳細描述，請參閱圖2，該發明實施例中一種高刷新率波形合成器另一個實施例包括：
數據分發模組201、存儲模組202、合成模組203以及數據整合模組204；該存儲模組202，由n個存儲子模組2021組成；該合成模組203，由n個合成子模組2031組成；n個存儲子模組2021與n個合成子模組2031一一對應地並行連線；該存儲子模組2021用於存儲波形數據；該合成子模組2031用於合成採集數據和該波形數據，並將得到的合成後的波形數據寫入對應的存儲子模組2021，該波形數據從對應的該存儲子模組2021中讀取得到；該數據分發模組201，用於將獲取到的k個該採集數據並行分發到n個合成子模組2031，每次只為每個合成子模組2031分發1個該採集數據，k為所需採集的波形所有採集數據的個數；該數據整合模組204，用於當該合成模組203將k個該採集數據均合成處理後，從該存儲模組202中讀取到n個波形數據，並將n個該波形數據整理合併成輸出波形，輸出該輸出波形。
優選地，該存儲子模組2021為雙連線埠存儲器。在該合成子模組2031讀取對應的該存儲子模組2021的波形數據的同時，該合成子模組2031可以將合成得到的合成後的波形數據寫入對應的存儲子模組2021。因此，合成子模組2031在執行“讀取-修改-寫入”操作時可以做到同時工作，不會受限與存儲子模組2021的讀取和寫入連線埠，實現合成子模組2031的流水處理。因此對於包括n個合成子模組2031的合成模組203來說，可以得到：Tmap＝（k/n）*trd 。
對比公式（1-4）和公式（1-5）可以看出，與一般的合成器相比，Tmap減少為原先的1/3n，波形刷新率約提高3n倍。從公式（1-5）可以看出，Tmap和n成反比關係，從理論上分析n→∞時，Tmap→0，意味著波形刷新率可以做到很大。
優選地，n個該合成子模組2031之間存在優先權關係。當k小於n時，該數據分發模組201將獲取到的k個該採集數據並行分發到k個優先權較高的該合成子模組2031。當k＝n*i+j時，該數據分發模組201將獲取到的n*i個該採集數據並行分發到n個該合成子模組2031，共分發i次，然後將剩下的j個該採集數據並行分發到j個優先權較高的該合成子模組2031，i為整數且大於0，j為整數。
優選地，該存儲子模組2021為塊隨機存儲器，即BRAM（BlockRAM）。需要說明的是，該存儲子模組2021可以與該合成子模組2031集成在同一塊電路板上，通過最佳化存儲子模組2021與合成子模組2031之間的連線關係進一步提高合成子模組2031對存儲子模組2021的“讀取-修改-寫入”的速度。
在該實施例中，n個存儲子模組2021與n個合成子模組2031並行連線，當數據分發模組201將採集數據並行分發到n個合成子模組2031中後，n個合成子模組2031可以並行工作，在同一時刻映射n個波形數據，可以同時合成處理得到n個合成後的波形數據，因此該高刷新率波形合成器採集一個波形，並完成輸出一個輸出波形需要的波形數據映射時間為Tmap/n，根據公式（1-2）可以知道，波形刷新率WRR近似提高了n倍。該高刷新率波形合成器實現了通過縮短Tmap來提高波形刷新率WRR，提高了數字示波器抓取波形細節的能力，最佳化了數字示波器的性能。進一步地，通過選擇存儲子模組2021為雙連線埠存儲器，可以實現合成子模組2031的流水處理，使得Tmap減少為原先的1/3n，波形刷新率約提高3n倍，更進一步地提高高刷新率波形合成器的合成效率。並且，當存儲子模組2021為塊隨機存儲器時，與該合成子模組2031集成在同一塊電路板上，不僅提高了高刷新率波形合成器的“讀取-修改-寫入”速度，更提高了高刷新率波形合成器的集成度，有利於生產和後期組裝。
為便於理解，根據圖2所描述的實施例，下面以一個實際套用場景對《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》實施例中一種高刷新率波形合成器進行描述，請參閱圖2和圖3：
1、採樣電路將獲取到的k個採樣數據傳送給外部動態存儲器。
2、外部動態存儲器將這k個採樣數據轉發到高刷新率波形合成器中的數據分發模組。
3、數據分發模組可以根據預置的分發規則將這k個採樣數據並行傳送到合成子模組G1、G2……Gn中，每次只給每個合成子模組傳送1個採樣數據。假設k＝n*i+j，則數據分發模組可以在前i次給n個合成子模組分發，第i+1次只分發j個採樣數據，這j個採樣數據分發給n個合成子模組中的哪j個由合成子模組之間的優先權進行決定。
4、當數據分發模組第一次分發n個採樣數據給合成子模組時，合成子模組從存儲子模組BRAM1、BRAM2……BRAMn中提取波形數據，此時，BRAM1、BRAM2……BRAMn中的波形數據為0（也即是沒有波形數據），合成子模組執行修改操作後將合成後的波形數據寫入存儲子模組。可以理解的是，由於波形數據為0，則合成採樣數據和波形數據得出的合成後的波形數據，這個合成後的波形數據與採樣數據相同。
5、當數據分發模組第2、3、4、……、i次分發n個採樣數據給合成子模組時，合成子模組從存儲子模組BRAM1、BRAM2……BRAMn中提取波形數據，此時，BRAM1、BRAM2……BRAMn中的波形數據存在（也即是存儲有波形數據），合成子模組執行修改操作後將合成後的波形數據寫入存儲子模組。
6、當數據分發模組第i+1次分發j個採樣數據給合成子模組時，根據合成子模組之間的優先權設定，選擇將這j個採樣數據分發給其中優先權較高的j個合成子模組，然後這j個合成子模組從對應的j個存儲子模組中讀取對應的波形數據，並執行修改操作，然後將合成後的波形數據寫入對應的存儲子模組中。
7、當合成模組處理完k個採樣數據之後，數據整合模組從存儲子模組BRAM1、BRAM2……BRAMn中讀取出n個波形數據，並將這n個波形數據整合成一個輸出波形，將該輸出波形傳送給顯示電路。
8、顯示電路顯示該輸出波形。
9、由於存儲子模組為雙連線埠，因此在此過程中，合成子模組可以同時執行“讀取-修改-寫入”的操作，數據分發模組此時也是連續地給n個合成子模組分發採集數據，使得n個合成子模組可以實現流水處理，不需要停頓或者時間間隔，提高了合成的效率。
上面主要描述了一種高刷新率波形合成器，下面將對一種高刷新率示波器進行詳細的描述，請參閱圖4，《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》實施例中一種高刷新率示波器一個實施例包括：
採樣電路301、外部動態存儲器302、圖1至3對應的實施例中任一個描述的高刷新率波形合成器303，顯示電路304；該採樣電路301用於獲得所需採集的波形的採集數據；該外部動態存儲器302用於動態存儲該採集電路採集回來的該採集數據；該顯示電路304用於顯示該高刷新率波形合成器303輸出的輸出波形。
需要說明的是，該外部動態存儲器302可以通過串列數據傳輸的方式將該採集數據傳送至該高刷新率波形合成器303；該高刷新率波形合成器303可以通過串列數據傳輸的方式將該輸出波形傳送至該顯示電路304。
需要說明的是，該高刷新率波形合成器303可以為FPGA電路板。通過對FPGA電路板的設定邏輯資源，可以將FPGA電路板中的BRAM拆分為存儲子模組BRAM1、BRAM2……BRAMn，並且可以在FPGA電路板中劃分出n個合成子模組。
需要說明的是，一般2014年之前的的數字示波器的波形刷新率在200000wfms/s左右，而該高刷新率示波器理論上使得Tmap減少為一般數字示波器的1/3n，波形刷新率約提高3n倍。從理論上分析n→∞時，Tmap→0，意味著波形刷新率可以做到很大，甚至無窮大。但由於受限於2014年之前的硬體的工藝和技術，例如FPGA電路板的工藝和技術，該波形刷新率可能無法達到無窮大，但可以做出很大的提高。在實際試驗中，可以輕易使得波形刷新率達到330000wfms/s左右。
在該實施例中，一種高刷新率示波器實現了通過使用高刷新率波形合成器303來縮短其中波形合成器的Tmap，從而提高波形刷新率WRR，提高了數字示波器抓取波形細節的能力，最佳化了數字示波器的性能。
在該申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的系統，裝置和方法，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個系統，或一些特徵可以忽略，或不執行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連線可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連線，可以是電性，機械或其它的形式。
所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位於一個地方，或者也可以分布到多個網路單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現該實施例方案的目的。
另外，在《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以採用硬體的形式實現，也可以採用軟體功能單元的形式實現。
所述集成的單元如果以軟體功能單元的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基於這樣的理解，該發明的技術方案本質上或者說對2014年之前的技術做出貢獻的部分或者該技術方案的全部或部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一台計算機設備（可以是個人計算機，伺服器，或者網路設備等）執行該發明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：隨身碟、移動硬碟、唯讀存儲器（ROM，Read-OnlyMemory）、隨機存取存儲器（RAM，RandomAccessMemory）、磁碟或者光碟等各種可以存儲程式代碼的介質。
榮譽表彰
2020年7月14日，《高刷新率波形合成器和高刷新率示波器》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
