数字示波器专利重点技术分支.pdf

-23-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期专利分析相关技术概述示波器是一种用途广泛、易于使用、功能强大的电子测量仪器，属于信号分析类仪器的一种，用于观测、分析和记录各种电信号的变化。使用示波器可观察信号幅度随时间变化的波形曲线，也可实现电压、电流、频率、相位、幅度等基本电气参数的测量。按信号处理方式进行分类，示波器可分为模拟示波器和数字示波器两大类。模拟示波器直接将被测信号呈现在显示器件上，被测电压通过控制从左到右扫过示波管的电子束在垂直方向的偏转直接描绘出电压波形。数字示波器通过模数转换器（ADC）把被测电压信号转换为数字信号，再以数字信号处理的方式将信号随时间的变化波形绘制在显示设备上。模拟示波器与数字示波器主要有以下区别：形态区别：在形态上，模拟示波器一般体积更大，携带不便；数字示波器一般比较小巧，携带方便。显示区别：模拟示波器显示的波形是连续的被测信号真实波形，由于示波管的荧光会随时间衰减，模拟示波器不能稳定显示不重复出现的波形。而数字示波器显示的波形是经过数字电路处理采样点得到，信号可以通过存储器长时间存储，因此能够稳定显示不重复的波形。带宽区别：模拟示波器受示波管硬件参数限制，其带宽目前只能做到 1GHz 而数字示波器可以通过电路性能的提升，得到非常高的带宽。功能区别：模拟示波器的功能选择一般通过机械开关进行切换，功能单一；数字示波器具有多种触发功能和多波形显示功能，测量精度高，其测量结果也便于进行后续处理。数字示波器的评判技术指标主要有以下几类：带宽：通常将输入信号通过示波器后衰减 3dB 时的最低频率作为示波器的带宽。带宽决定了示波器所能检测到的信号频率范围。理论上示波器的带宽越高越好。在实际应用中，由于成本控制和实际需要，一般要求示波器的带宽达到被测信号最高频率的 2.5 5 倍即可。实时采样率：实时采样率是指 ADC（模数转换器）在单位时间间隔内可以采样的样点数量。数字示波器的实时采样率越高，采样速度越快，时间分辨率越高，采样到的波形失真越少。选择更高采样频率的示波器，能更真实的复现出原始波形。存储深度：存储深度表示示波器单次采样可以获取的采样点的个数。其计算公式为：存储深度=采样频率 采样行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度数字示波器专利重点技术分支徐生芹 梁 岩徐生芹 梁 岩（等同第一作者）国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心徐生芹（1987），女，硕士研究生，助理研究员，专利审查。梁岩（1986），女，硕士研究生，助理研究员，专利审查。中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-24-专利分析时间。直观来看，存储深度表征了同屏中显示的波形长度，存储深度越高的数字示波器分析复杂波形的能力越强。其他参数：其他数字示波器参数如波形刷新率、通道数、上升时间、带内平坦度、垂直分辨率、垂直灵敏度等，也从不同维度表征数字示波器的品质。针对不同需求，应综合考虑示波器参数来选择最合适的产品。根据上述分析，本文结合数字示波器相关专利技术对其进行重点分析，将其分为三个重点的技术分支：信号获取、信号处理以及信号的显示。并对着三个重点分支进行进一步细分为二级分支。将在下文中重点介绍。数字示波器技术专利的主要分类与分析本文针对移动互联技术在中文和外文专利文献数据库中进行了全面的检索。检索工作主要以 CNABS 专利数据库以及 VEN 专利数据库中的检索结果为分析样本。根据技术分解的各个分支分别进行关键字的构建和分类号的查询，经标引去噪后获取最终结果。针对数字示波器技术专利申请的研究，可主要分为三个技术分支：信号获取、信号处理以及信号显示方面，本章将从上述三个技术分支对国内外的专利申请进行具体分析。（一）技术整体分析本文基于当前的数字示波器技术基于常规的数据处理流程进行相关的技术分解，主要分解为三个一级分支：信号获取、信号处理以及信号显示。针对上述信号获取分支，其主要分解为探头和前端等二级分支；在信号处理分支中，主要分解有触发和采样这两个二级技术分支；在信号显示分支中，主要分解有测量和显示这两个二级技术分支。表 1-1 技术分解表领域一级分支二级分支数字示波器信号获取探头前端信号处理触发采样信号显示测量显示其中在一级分支层面，信号处理的占比要小于信号获取或信号显示，其中信号获取的占比比信号显示高。而信号处理和信号显示两个分支在申请上有部分重叠，主要体现在信号显示中，需要通过将数据进行信号处理，上述处理即涉及了上述触发和采样技术。在信号分支下，触发占有很大的比重，在信号处理分支中触发占有非常大的比重，在信号显示分支中，显示占有很大比例。（二）信号获取专利分析示波器中探头的主要作用是把被测的电压信号从测量点引入示波器进行测量，示波器的探头按照是否需要供电可以分为无源探头和有源探头，按测量的信号类型可以分为电压探头、电流探头、光探头等。无源探头是指整个探头都有无源器件构成，包括电阻、电容、电缆等，根据输入阻抗的大小分为高阻无源探头（安捷伦科技，US5172051A 和是德科技股份有限公司，US5583447A）和低阻无源探头（泰克，US10585118B2）；而有源探头内部一般有放大器，方法其是需要供电的（可能通过示波器接口供电或外部电源、电池供电），所以叫有源探头。有源探头可以分为单端有源探头（是德科技，CN113125989A）、差分有源探头（普源精电，CN102053177B）、电流探头（泰克，CN101438172B 以及普源精电，CN105807117B）和特殊探头（中国科学技术大学，CN107356855A）。其中，差分有源探头又可以细分为高宽带差分（鼎阳科技，CN211293035U）和高压差分探头（罗德施瓦兹，CN108957059B），详见表 1-2。（三）信号处理专利技术分析数字示波器有非常丰富的触发功能，数字示波器正是凭借丰富的触发功能而成为电路调试的有力工具。触发对于示波器来说有两个最基本的意义，一个是捕获感兴趣的信号，另一个是确定波形的时间零点。触发对于波形的稳定显示非常重要，如果示波器没有触发，示波器可能采集到波形任何一段时间位置，而下一个波形又采集到另一段位置，这样在屏幕上看到的波形就是不稳定的。根据不同的应用场合，使用不同的触发条件设置期望捕获的信号特征，因此现代的数字实时示波器中都有非常多种类的触发条件设置，以适应不同的应用需求。下面介绍几种常用的触发功能。边沿触发：是示波器最经常使用的触发条件，即示波器把输入信号和事先设定好的一个触发电平进行比较，当信号从低于阈值变化到高于阈值电平时是上升沿，反之，则为下降沿，如 CN107144781B（是德科技）公开了一种具有数字边沿触发检测电路的测量系统。码型触发：示波器有多个测量通道用于进行一些并行的逻辑信号的测量。示波器设置多个信号同时满足条件时进行表 1-2 示波器探头技术重点专利公开号申请日发明名称申请人技术类型US5172051A1991-04-24宽带宽被动探头慧与有限公司高阻无源探头US5583447A1995-02-03具有反向阻抗匹配的电压探头慧与有限公司高阻无源探头CN101438172B2007-05-04电流探测系统特克特朗尼克公司电流探头CN102053177B2009-11-10一种有源差分电压探头北京普源精电科技有限公司差分有源探头CN105807117B2014-12-29用于电流测量探头的电流感测电路及其电流测量探头苏州普源精电科技有限公司电流探头CN108957059B2018-05-17用于探查动态数据信号的动态探头、动态测量系统和方法罗德施瓦兹两合股份有限公司高压差分CN107356855A2017-07-20一种单光子光电器件的测试装置和方法中国科学技术大学光探头US10585118B22017-09-29低频响应无源探头的大范围补偿泰克科技有限公司低阻无源探头CN113125989A2020-12-29DC 电源轨探头和测量方法是德科技股份有限公司单端有源探头CN211293035U2019-11-25一种差分有源探头电路深圳市鼎阳科技股份有限公司高带宽差分探头-25-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期专利分析组合触发即为码型触发，如 US7285946B2（LECROY CORP）公开了一种使用相干时基来获取信号的方法。脉冲宽度触发：通过设置相应的脉冲宽度触发可以对特定长度的正电平脉冲或负电平脉冲进行捕获，如CN103869123B（普源精电）中记载了具有脉宽测量功能的示波器。毛刺触发：是脉冲宽度触发的一个特例，脉冲宽度触发可以对特别宽的脉冲进行捕获，也可以对特别窄的脉冲进行捕获，而毛刺触发只针对特别窄的脉冲，如 US20220113335A1（ROHDE&SCHWARZ GMBH&CO.KG）公开了一种可以有效检测和存储信号异常和毛刺的示波器。建立/保持时间触发：建立时间：采样时钟有效边沿到来时被采信号已经提前建立一个新的逻辑状态，这个提前的时间即为建立时间。在采样时钟的有效边沿到来后，被采的信号还需要保持在这个逻辑状态一定时间以保证采样数据的稳定，这个时间被称为保持时间。可以设置建立、保持时间触发捕获时序满足要求的信号波形。如 JP4943274B2（泰克）公开了示波器在设置的固定时间内输入信号发生变化时，会触发建立/保持时间触发事件。跳变时间触发：对信号的上升/下降时间参数进行触发。如 CN211235981U（普源精电）公开了一种高可靠性的示波器矩阵扫描电路，可以实现跳变时间触发。矮脉冲触发：又叫欠幅脉冲，指数字信号的跳变超过了一定阈值条件但是又没有达到预期幅度的情况。如CN107390024A（泰克）公开了一种示波器，许多众所周知的触发类型可用于与示波器配合使用，包括毛刺触发。超时触发：设置相应的超时触发的时间范围，可以对总线上没有信号跳变的状态进行捕获。连续边沿触发：正常情况下的边沿触发时是对满足触发条件的第 1 个边沿直接触发，而有些情况下，信号可能有一段连续的脉冲串，如果希望触发到脉冲串中的第 N 个边沿，就可以使用连续边沿触发功能如CN110646655B（鼎阳科技）。窗口触发：以信号落在某个电平区间内的时间进行触发，是一个双阈值的触发条件。如 US8866468B2（泰克）公开了示波器中触发电路是窗口触发电路并且实现窗口触发。视频触发：设置对视频信号的场同步或行同步信号进行触发。如 CN2613763Y（普源精电）公开了一种用于数字示波器的视频触发装置。在捕获感兴趣的信号之后，就进入了数字示波器的下一个环节-数字化。数字化的过程是通过 ADC 完成的，数字示波器以很高的采样率对被测信号进行采样，把输入的连续变化的信号转换成一个个离散的数字化样点。经过模数转换后，所有的数字波形的处理和测量、分析等工作都是在数字域完成的。目前，采样相关专利技术大致均为对 ADC 技术进行改进，如 CN103869124B（普源精电）公开了一种具有交织采样功能的数字示波器，可以解决现有技术无法实现高速 ADC 芯片交织采样的技术问题。CN100583643C（勒克罗伊公司）公开了一种增加数字化系统带宽的方法。EP2916136B1（泰克）公开了一种异步时间交错采样中确定补偿值的方法。（四）信号显示专利技术分析数字示波器在停止采集之后，由处理器将采集的数据进行测量和显示。其中，测量是示波器的主要功能之一，示波器可以测量多种指标，如总线协议、开关损耗、通信链路等，数据经过处理器处理之后，最终要显示在示波器的屏幕上才能被人眼观察到。目前数字示波器可以显示多种波形，如三维波形、XY波形、包络波形等。具体分类及示例参见表1-3。总结本文以CNABS和VEN数据库收录的专利文献为样本，分析了其中三个重要技术分支做了进一步分析。通过上述分析，给出了数字示波器技术的专利布局情况和技术发展趋势，使得对于该领域的历史发展路程以及现有技术发展水平有了更进一步的认识。能够为相关领域从业者提供一定的信息支撑，给相关企业在技术研发和专利布局方面提供参考。表 1-3 信号显示技术重点专利公开号申请日发明名称申请人技术类型CN112821993A 2020-11-16具有用于错误检测的边带和控制信号的总线的协议感知示波器特克特朗尼克公司总线协议测量CN1314215C2002-06-14基于频谱分析的串行数据抖动测量方法特克特朗尼克公司串行数据抖动测量 US20220163586A1 2020-11-25自诊断测量系统和自诊断方法罗德施瓦兹两合股份有限公司自动测量US8542002B2 2010-08-02用于执行功率谱密度和功率电平测量的系统和方法泰克科技有限公司功率谱密度和功率电平测量US10168411B2 2014-10-13具有去嵌入的高频信号的测量装置和方法罗德施瓦兹两合股份有限公司去嵌入测量 US7389450B2 2001-12-03误码率测量安捷伦科技有限公司误码率测量US7516030B2 2006-02-24 测量抖动成分MILLER MARTIN T测量抖动分量 US6934647B2 2002-10-22高效采样数字波形以进行眼图分析是德科技有限公司眼图分析 US6525522B1 2001-06-07用于确定入射信号相对于循环参考信号的相位和幅度的系统PICKERD JOHN J.相位和幅度测量 US10120008B2 2013-08-29估计设备引入的噪声的方法和装置是德科技有限公司噪声测量 CN110174130B 2019-05-30一种基于双渐变线性的数字示波器三维波形显示方法 电子科技大学三维波形显示 US6201527B1 1998-06-25显示包络波形的技术泰克科技有限公司包络波形显示技术 CN104007920A 2014-01-22在电子测试装备上选择波形的方法安捷伦科技有限公司手势交互CN102466747B 2010-11-03一种测量数据压缩显示装置及其控制方法北京普源精电科技有限公司数据压缩显示