專利名稱：減小被測設備的探針負載的信號采集系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體涉及從被測設備采集(acquire)信號并且更具體地涉及一種使用具 有減小電容的信號采集探針(probe)來減小被測設備的負載的信號采集系統(tǒng)。
背景技術：
傳統(tǒng)的無源電壓探針10 —般由在探針針尖14的電阻-電容并聯(lián)網(wǎng)絡12 (在圖1 中示為&和Ct)組成，該電阻-電容并聯(lián)網(wǎng)絡12經(jīng)由電阻中心導體信號電纜(resistive center conductor signal cable) 16耦合到補償盒中的補償電路18。補償電路18具有電 阻元件Ra和Rc2以及電容元件Cc。Rci與電纜16串聯(lián)且Rc2與可變電容器Cc串聯(lián)。補償電 路18耦合到諸如示波器、頻譜分析器、邏輯分析器等等之類的測量測試儀器22的輸入電路 20。一般地，示波器的輸入電路20包括示為Rts和Cts的輸入電阻-電容網(wǎng)絡M，其與提供 與10到20皮法(pf)的電容并聯(lián)的1ΜΩ的示波器輸入阻抗的開關輸入衰減電路(未示 出)相關聯(lián)。開關輸入衰減電路的輸出耦合到前置放大器26的輸入。示波器被校準以提 供從示波器的輸入到前置放大器的輸出的標稱平坦的頻率響應傳遞函數(shù)。補償電路18提供電纜16的電阻和電容端接(termination)以最小化反射并且給 測量測試儀器22提供具有標稱平坦的頻率響應的傳遞函數(shù)?？勺冄a償電容器C。是用戶可 調(diào)節(jié)的以在單獨示波器通道的輸入電容的變化期間匹配探針的電容和電阻分壓比。電阻元 件Ra提供在高頻下電阻電纜16與示波器輸入的端接匹配(其中電纜& 155 Ω)。與可 變電容器C。串聯(lián)的R。2改進了到示波器中的電容負載中的電纜端接。針尖電阻RT、電纜端接電阻器Ra和輸入電阻Rts對于DC到低頻輸入信號形成分壓 器衰減網(wǎng)絡。為了適應寬頻率范圍的輸入信號，使用橫跨針尖電阻元件&的分路(shunt) 針尖電容器Ct以及橫跨端接電阻元件Rts的輸入電容器Cts和分路端接電容器C。來補償電 阻分壓器衰減網(wǎng)絡。為了獲得正確補償?shù)姆謮浩?，探針針尖電?電容并聯(lián)網(wǎng)絡12的時間 常數(shù)必須等于包括C。able和Cc的端接電阻-電容并聯(lián)網(wǎng)絡M的時間常數(shù)。以電阻電纜16的特性阻抗正確地端接該電阻電纜16要求向補償網(wǎng)絡18添加 相對大的分路電容ce。這是除了電纜體電容CeABLE之外。例如，由Beaverton，Oregon的 Tektronix公司制造和銷售的P2222 10X無源探針的針尖電阻&和電容Ct被選擇為給出 到1ΜΩ的示波器輸入阻抗的10X等分(divide)。忽略任何其他寄生電容的最小針尖電容 Ct是電纜體電容(。_、(。與Cts之和的九分之一。對于上述的參數(shù)而言，Ct的針尖電容大約 為SpF到12pf。輸入電容(其是Ct與Cca_、Cc與Cts之和串聯(lián))由被監(jiān)控的電路驅動并因 此表示探針對電路加了多少負載的度量。圖2示出另一個無源電壓探針和示波器配置，其中前置放大器28被配置為電流放大器。這種配置具有與圖1的探針和示波器配置相同的限制。探針具有在探針補償盒中的 補償電路并且示波器在示波器輸入處具有與10到20pf的電容并聯(lián)的傳統(tǒng)IMΩ電阻?，F(xiàn) 有無源電壓探針和示波器配置的主要缺點在于在電阻中心導體信號電纜的輸出處的中頻 帶和高頻帶頻率信號電流的相當一部分被端接電容器C。分路到地。另外，由于電阻中心導 體信號電纜被端接在示波器輸入之前，所以示波器的輸入電路的寄生電容充當把附加電流 分路到地的非端接傳輸線。探針針尖電容和電阻中心導體信號電纜影響傳統(tǒng)無源探針的總體帶寬。而且，探 針針尖輸入由于低電容電抗與高輸入電阻并聯(lián)而在高頻下向被測設備呈現(xiàn)出低輸入阻抗。 減小探針針尖電容以提高電容電抗要求調(diào)節(jié)分壓器網(wǎng)絡的其他部件值以維持補償?shù)木W(wǎng)絡。 先前，這已經(jīng)通過提高探針針尖中的電阻而實現(xiàn)。然而，這提高了網(wǎng)絡的分壓比，結果施加 到探針的信號的衰減增加。輸入到示波器的減小信號可以通過提高示波器輸入電路的增益 來補償，這導致信號上噪聲的增加從而降低了儀器的總體信噪比。存在向50歐姆輸入示波器提供相對高的阻抗和衰減的特殊類型的無源探針。4 探針具有耦合到50歐姆無損同軸電纜的相對低的輸入電阻(5000歐姆或更小)。在探針針 尖處的電容一般小于由探針頭的寄生電容產(chǎn)生的lpf。在具體的實施例中，探針針尖電阻是 450歐姆，經(jīng)由50歐姆無損同軸電纜耦合到示波器的50歐姆輸入，這產(chǎn)生IOX無源分壓器 網(wǎng)絡。輸入到這個探針的電壓與傳統(tǒng)無源探針相比由于輸入電阻器的大小而受到限制。此 外，低輸入電阻可能給DC信號造成過多負載。圖3所示的USP 6，483，284教導了使用零極點對消的寬帶探針。與電阻器Iitab和 電容器Ctab串聯(lián)的電阻器和電容器Cwp的并聯(lián)探針針尖網(wǎng)絡檢測來自被測設備的信號 并且經(jīng)由近乎無損同軸電纜40把信號耦合到補償網(wǎng)絡。電容器Ctab表示諸如電路板上的 跡線、同軸電纜等等之類的針尖電路中的電容。電纜端接電阻器民串聯(lián)連接在電纜40和 運算放大器42的反相輸入端子之間。非反相輸入耦合到共同地。在運算放大器42的輸入 端子和輸出端子之間連接的是電阻器Rfb和電容器Cfb的并聯(lián)組合，其中電阻器Iipk與Cfb串 聯(lián)。并聯(lián)針尖電阻器Rup和電容器Cwp創(chuàng)建零點并且電阻器Rtab和電容器Ctab的組合創(chuàng)建 極點。極點由補償網(wǎng)絡中的電阻器Rfb和電容器Cfb創(chuàng)建并且零點由電阻器Rpk和電容器Cfb 創(chuàng)建。在探針針尖網(wǎng)絡中創(chuàng)建的零點和極點由補償網(wǎng)絡中的極點和零點對消。補償網(wǎng)絡的 輸出耦合到終端用戶設備，諸如示波器等等。該教導聲明兩個RC網(wǎng)絡的時間常數(shù)必須相等 以便零點和極點抵消并且探針具有恒定增益。而且，運算放大器42是寬帶探針電路的一部 分而不是終端用戶設備的一部分。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明是一種具有信號采集探針和信號處理儀器的信號采集系統(tǒng)。信號采 集探針具有耦合到電阻中心導體信號電纜的探針針尖電路。電阻中心導體信號電纜耦合到 信號處理儀器的輸入節(jié)點。輸入節(jié)點還經(jīng)由輸入電路而耦合到布置在信號處理儀器中的補 償系統(tǒng)。信號采集探針和信號處理儀器在輸入節(jié)點處具有失配的(mismatched)時間常數(shù)， 其中補償系統(tǒng)提供零極點對以在信號采集系統(tǒng)頻率帶寬上保持平坦性。補償系統(tǒng)具有輸入放大器以及耦合在輸入放大器的輸入和輸出之間的相關聯(lián)反 饋環(huán)電路。反饋環(huán)電路可以被配置有可變電阻和電容元件并且輸入放大器可以被配置為電流放大器?？勺冸娮韬碗娙菰梢詫嵤榫哂杏糜谠O定相應電阻和電容元件的電阻值和 電容值的多個寄存器。反饋環(huán)電路可以通過電阻元件、與第一串聯(lián)耦合的電阻元件和電容 元件串聯(lián)耦合的至少第一可變增益電壓源(其與第二和第三串聯(lián)耦合的電阻元件和電容 元件并聯(lián))來實施。反饋環(huán)電路也可以包括與第二串聯(lián)耦合的電阻元件和電容元件串聯(lián)耦 合的第二可變增益電壓源。信號處理儀器的輸入電路優(yōu)選地是提供電阻中心導體信號電纜的電阻和電容端 接中的至少一個的衰減電路。輸入節(jié)點耦合到信號路徑，該信號路徑的另一端耦合到鄰近 輸入放大器的輸入布置的電阻元件以形成端接的傳輸線。開關電路被布置在信號處理儀器 中用于經(jīng)由衰減電路把輸入節(jié)點選擇性地耦合到補償系統(tǒng)并且用于把附加電阻-電容衰 減網(wǎng)絡選擇性地耦合在輸入節(jié)點和衰減電路之間。探針針尖電路具有與電容元件并聯(lián)的至少第一電阻元件。探針針尖電路也可以具 有與多個電容元件并聯(lián)的多個第一電阻元件以形成高電壓信號采集探針。一個或多個電容 元件具有在2到5皮法的范圍內(nèi)的有效電容。一種用于信號采集系統(tǒng)的校準過程包括以下步驟使用信號采集探針和信號處理 儀器來采集寬頻內(nèi)容信號的數(shù)字值作為校準波形；在波形上的共同位置處確定在存儲在信 號處理儀器中的寬頻內(nèi)容信號參考校準波形和校準波形之間的至少第一測量誤差值；根據(jù) 在共同位置處的至少第一測量誤差值來確定測量誤差因子；以及把測量誤差因子應用于補 償系統(tǒng)的輸入放大器的反饋環(huán)電路中的多個寄存器中的適當反饋環(huán)寄存器的寄存器值。然 后針對校準波形和校準參考波形的每個后續(xù)共同位置確定測量誤差值和測量誤差因子。可 替換地，在由時間位置和頻率位置中的至少一個設定的波形上的共同位置處確定在存儲在 信號處理儀器中的寬頻內(nèi)容信號參考校準波形和校準波形之間的多個第一測量誤差值，并 且根據(jù)多個第一測量誤差值和波形上的共同位置來確定測量誤差因子。在已經(jīng)針對校準波 形和校準參考波形上的最后共同位置確定了測量誤差值和測量誤差因子之后，采集寬頻內(nèi) 容信號的新的數(shù)字值集作為校準波形。將新的校準波形與校準規(guī)范進行比較以核實該校 準。如果該校準在校準規(guī)范內(nèi)，則存儲輸入放大器的反饋環(huán)電路中的多個寄存器中的寄存 器值并且顯示校準過程的成功結果。如果校準波形不在校準規(guī)范內(nèi)，則確定校準過程是否已經(jīng)超過迭代時間 (iteration time)限制值。如果校準過程沒有超過迭代時間限制值，則波形上的共同位置 被設定為初始位置。然后針對校準波形和校準參考波形的每個共同位置或多個共同位置確 定一個或多個測量誤差值和測量誤差因子。在已經(jīng)針對校準波形和校準參考波形上的最后 共同位置確定了測量誤差值和測量誤差因子之后，采集寬頻內(nèi)容信號的新的數(shù)字值集作為 校準波形。將新的校準波形與校準規(guī)范進行比較以核實該校準。如果新的校準波形仍然不 在校準規(guī)范內(nèi)并且校準過程已超時，則存儲在校準過程之前輸入放大器的反饋環(huán)電路中的 多個寄存器中的初始值，并且顯示校準過程的未成功結果。采集寬頻內(nèi)容信號的數(shù)字值作為校準波形包括把信號采集探針附連到信號處理 儀器的附加步驟。信號處理儀器檢測信號采集探針中探針存儲器的存在或不存在，并且如 果探針存儲器存在則把探針存儲器的存儲內(nèi)容加載到信號處理儀器中。信號處理儀器檢測 存儲在探針存儲器中的探針校準常數(shù)的存在，并且把探針校準常數(shù)應用于輸入放大器的反 饋環(huán)電路中的多個寄存器中的適當寄存器值。如果信號采集探針沒有探針存儲器，則標稱寄存器值被應用于輸入放大器的反饋環(huán)電路中的多個寄存器?？梢酝ㄟ^使用快速傅里葉變換把寬頻內(nèi)容信號校準波形的數(shù)字值轉換成頻域表 示以及在波形上的共同頻率位置處確定在存儲在信號處理儀器中的寬頻內(nèi)容信號參考校 準波形的頻域表示和校準波形的頻域表示之間的測量誤差值，在頻域中實施校準過程。寬 頻內(nèi)容信號參考校準波形的頻域表示被存儲為頻域波形。當結合所附權利要求書和附圖閱讀時，通過以下的詳細描述顯而易見本發(fā)明的目 標、優(yōu)點和新穎特征。


圖1是現(xiàn)有技術無源探針的代表性示意圖。圖2是另一個現(xiàn)有技術探針電路的代表性示意圖。圖3是另外的現(xiàn)有技術探針電路的代表性示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的信號采集系統(tǒng)的框圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的信號采集系統(tǒng)中的信號處理儀器的代表性框圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的信號采集系統(tǒng)的代表性示意圖。圖7示出具有和沒有反饋交叉(crossover)補償?shù)男盘柌杉到y(tǒng)的代表性頻率響應。圖8A和8B示出用于校準本發(fā)明的信號采集系統(tǒng)的校準過程流程圖。圖9是本發(fā)明的信號采集系統(tǒng)中的衰減器電路的代表性示意圖。圖10是本發(fā)明的信號采集系統(tǒng)中的高電壓信號采集探針的示意圖。圖11是本發(fā)明的信號采集系統(tǒng)的可替換實施例。
具體實施例方式參考圖4，示出根據(jù)本發(fā)明的減小被測設備的探針負載的信號采集系統(tǒng)50的高級 框圖。信號采集系統(tǒng)50具有包括電阻中心導體信號電纜M的信號采集探針52。信號電纜 耦合到信號處理儀器58的輸入節(jié)點56。輸入節(jié)點56也耦合到信號處理儀器58中的采集 電路60。采集電路60生成來自信號采集探針52的輸入信號的數(shù)字值。輸入信號的數(shù)字值 耦合到控制器62以用于進一步處理。控制器62可以把數(shù)字值耦合到處理電路64以用于 格式化數(shù)字值并且把格式化的數(shù)字值顯示在顯示設備66上。在傳統(tǒng)的探針-示波器系統(tǒng)中，為平坦的頻率及相位響應而對信號路徑的每級進 行補償。對示波器進行校準以提供標稱平坦的頻率響應。信號采集探針附連到示波器并且 使用探針中的端接和補償電路來校準探針以產(chǎn)生相對于示波器輸入的標稱平坦的頻率響 應。所得到的探針-示波器系統(tǒng)具有信號采集探針和示波器輸入的時間常數(shù)匹配以在探針 示波器系統(tǒng)帶寬上產(chǎn)生平坦的頻率響應。在本發(fā)明中，信號采集探針52在被測設備處的高 頻輸入阻抗通過減小信號采集探針52的輸入電容而被提高。本發(fā)明的所得到的結構使信 號采集探針52的探針針尖電路和橫跨信號處理儀器58的輸入節(jié)點56的電路的時間常數(shù) 失配。采集電路60中的補償系統(tǒng)68提供使得由失配的時間常數(shù)產(chǎn)生的信號采集系統(tǒng)50 的頻率響應平坦化的零極點對。下面將關于數(shù)字示波器來描述本發(fā)明的信號處理儀器58，諸如示波器、邏輯分析器、數(shù)字化器等等。圖5描繪了用作本發(fā)明的信號采集系統(tǒng)50的一部分的數(shù)字示波器100 的高級框圖。一般地，示波器100包括多個信號通道，其中在每個信號通道的輸入上連接 用于從被測設備(DUT)采集電信號的各種類型的信號采集探針105、110，諸如無源和有源 電壓探針、電流探針等等。示波器100信號通道輸入耦合到相應的信號通道采集電路115、 120。相應的采集電路115、120依據(jù)由內(nèi)部采樣時鐘生成器122提供的采樣時鐘來對其相 應的輸入信號進行采樣。采集電路115、120均包括前置放大器、模數(shù)轉換電路、觸發(fā)電路、抽取器 (decimator)電路、支持采集存儲器等等。采集電路115、120在操作時能夠以一定采樣率數(shù) 字化一個或多個被測信號從而產(chǎn)生一個或多個相應的適合于供控制器125或處理電路130 使用的采樣流。響應于從控制器125接收的命令，采集電路115、120改變前置放大器反饋 值；觸發(fā)條件，抽取器函數(shù)以及其他采集相關參數(shù)。采集電路115、120把其相應所得到的采 樣流傳送到控制器125。觸發(fā)電路IM被示為與采集電路115、120分離，但是本領域的技術人員會意識到 其可以在采集電路115、120內(nèi)部。觸發(fā)電路IM響應于用戶輸入而從控制器125接收觸發(fā) 參數(shù)，諸如觸發(fā)閾值電平、推遲(hold off)、后置觸發(fā)器采集等等。觸發(fā)電路IM調(diào)節(jié)采集 電路115、120以從DUT捕獲被測信號的數(shù)字采樣?？刂破?25操作以處理由采集電路115、120提供的一個或多個采集的采樣流從而 生成與一個或多個采樣流相關聯(lián)的相應采樣流數(shù)據(jù)。即，給定每格(per division)期望時 間和每格伏特顯示參數(shù)，控制器125操作以修改或柵格化與所采集的采樣流相關聯(lián)的原始 數(shù)據(jù)從而產(chǎn)生具有每格期望時間和每格伏特參數(shù)的對應波形數(shù)據(jù)?？刂破?25也可以歸一 化具有每格非期望時間、每格伏特和每格電流參數(shù)的波形數(shù)據(jù)從而產(chǎn)生具有期望參數(shù)的波 形數(shù)據(jù)?？刂破?25把波形數(shù)據(jù)提供到處理電路130以用于隨后呈現(xiàn)在顯示設備135上。圖5的控制器125優(yōu)選地包括處理器140、支持電路145和存儲器155，所述處理 器140諸如由Schaumburg，IL的Motorola公司制造和銷售的PowerPC 處理器。處理器 140與常規(guī)支持電路145 (諸如電源、時鐘電路、高速緩存存儲器、緩沖器/擴展器等等以及 輔助執(zhí)行存儲在存儲器155中的軟件例程的電路)協(xié)作。照此，預期本文作為軟件過程所 討論的一些過程步驟可以被實施在硬件中，例如作為與處理器140協(xié)作以執(zhí)行各個步驟的 電路?？刂破?25也與輸入/輸出(1/0)電路150對接。例如，1/0電路150可以包括小 鍵盤、指示設備、觸摸屏或者其他適于向控制器125提供用戶輸入和輸出的裝置?？刂破?125響應于這樣的用戶輸入而適配采集電路115、120的操作以執(zhí)行各種數(shù)據(jù)采集、觸發(fā)、處 理和顯示通信以及其他功能。另外，用戶輸入可以用來觸發(fā)自動校準功能或者適配顯示設 備135、邏輯分析或其他數(shù)據(jù)采集設備的其他操作參數(shù)。存儲器155可以包括易失性存儲器，諸如SRAM、DRAM以及其他易失性存儲器。存 儲器155也可以包括非易失性存儲器設備(諸如磁盤驅動器或磁帶介質等)或者可編程存 儲器(諸如EPROM等)。信號源157生成用于探針補償?shù)膶掝l內(nèi)容信號。在本發(fā)明的優(yōu)選 實施例中，寬頻內(nèi)容信號是快速邊緣方波?？商鎿Q地，信號源157可以是等高(leveled)變 頻正弦波生成器。盡管圖5的控制器125被描繪為被編程為執(zhí)行依據(jù)本發(fā)明的各種控制功能的通用 計算機，但是本發(fā)明可以以諸如例如專用集成電路(ASIC)的硬件來實施。照此，如本文所描述的處理器125旨在被廣義地解釋為由硬件、軟件或由其組合等效地執(zhí)行。圖6是根據(jù)本發(fā)明的信號采集系統(tǒng)200的代表性示意圖。圖5中的同樣元件在圖 6中被相同地標記。信號采集探針105具有包含探針針尖電路204的探測頭202、電阻中心 導體信號電纜212和電阻器元件216。探針針尖電路204具有與電容元件208并聯(lián)耦合的 電阻元件206，電容元件208與電阻元件210串聯(lián)。對于典型的IOX探針，電容元件208的 電容在2-5皮法(pf)的范圍內(nèi)以給被測設備提供低輸入電容。探針針尖電路204耦合到電 阻中心導體信號電纜212的一端。電阻中心導體信號電纜212的另一端經(jīng)由電阻元件216 耦合到數(shù)字示波器100中的信號采集電路115、120之一的BNC輸入節(jié)點214。電阻中心導 體信號電纜優(yōu)選地是具有電阻為39Q/ft的電阻中心導體的同軸電纜。電阻中心導體信號 電纜212具有由電容器213示出的對地電容。BNC輸入節(jié)點214耦合到開關電路220，該開 關電路220進而提供信號采集探針105到輸入電路226的耦合。電阻元件216與輸入電路 226 (代表性地被示為由電阻元件227與電容元件229并聯(lián)組成的衰減電路)中的電阻元 件231結合，使電阻中心導體信號電纜212以其特性電阻阻抗端接。在本發(fā)明的優(yōu)選實施 例中，電阻中心導體信號電纜212的端接電容為大約40pf并且端接電阻為大約150 Ω。另 夕卜，1. 2米電阻中心導體信號電纜212碰巧具有大約40pf的對地電容。電阻中心導體信號 電纜212的對地電容可以通過改變電纜的長度而被容易地改變。電阻元件216具有100 Ω 的電阻值并且電阻元件231具有50 Ω的電阻值。電阻元件231物理上盡可能地靠近用作 電流放大器的輸入放大器238的輸入，以減小BNC輸入節(jié)點214和輸入放大器238之間的 信號跡線的非端接寄生電容。BNC和信號跡線在這里被假設為被設計成50 Ω的特性阻抗以 便由電阻元件231正確地端接。輸入電路226也使電阻中心導體信號電纜212以其特性電 容阻抗端接。開關電路220具有用于經(jīng)由輸入電路226把探針針尖電路204選擇性耦合到補償 系統(tǒng)224或者在探針針尖電路204和輸入電路226之間耦合由電阻元件230與電容元件 232并聯(lián)組成的附加電阻器-電容器衰減網(wǎng)絡228的開關元件222。電阻-電容衰減器網(wǎng) 絡228提供對要求1ΜΩ的示波器輸入阻抗的傳統(tǒng)信號采集探針的后向兼容性。開關元件 222優(yōu)選地是從控制器125接收開關命令的繼電器開關。信號采集探針105優(yōu)選地具有包含關于探針的信息(諸如探針類型、序列號等等) 的存儲器234，并且也可以包含探針校準數(shù)據(jù)。探針存儲器234優(yōu)選地是由Sunnyvale，CA 的Maxim Integrated Products公司在部件號DS2431下制造和銷售的一線EEPR0M。探針 存儲器234經(jīng)由一線通信/電源線236耦合到控制器125?？商鎿Q地，探針存儲器234可經(jīng) 由諸如I2C總線、Firewire總線等等之類的多線通信總線與控制器125通信。
把電阻中心導體信號電纜212的電阻和電容端接移動到信號處理儀器100中顯著 減小了在電阻中心導體信號電纜212的輸出處被分路到地的中頻帶和高頻帶頻率信號電 流量。在現(xiàn)有技術的電阻中心導體信號電纜無源電壓探針中，在探針電纜的輸出處中頻帶 和高頻帶信號電流的相當一部分(大約三分之二)根據(jù)電纜的端接電容和示波器輸入的寄 生電容而被探針補償盒中的端接電容器分路到地。此外，現(xiàn)有技術的電阻中心導體信號電 纜被端接在探針的補償盒中，這導致充當非端接抽頭(stub)的示波器輸入中的寄生電容， 從而進一步把附加電流分路到地。在本發(fā)明中，輸入電路226中的電阻和電容端接與電阻 中心導體信號電纜212和輸入放大器238的輸入串聯(lián)，導致顯著更大的電流流到放大器的輸入中。探針針尖電容可以被減小到2-5pf的范圍內(nèi)的值，這減小了在電阻中心導體信號 電纜212的輸出處的中頻帶和高頻帶頻率信號電流。信號電流的這種減小被提供到輸入電 流放大器的信號電流的整體增加所抵消，使得信噪比等效于現(xiàn)有的無源電壓探針。另外，端 接從BNC輸入節(jié)點214到輸入放大器238的信號路徑的電阻元件231結合該信號路徑的寄 生電感和電容實質上把信號路徑變換成端接的傳輸線，這進一步減少分路到地的信號電流 量。把電阻和電容電纜端接移動到示波器100中并且把信號路徑端接在儀器中的結果是在 電阻中心導體信號電纜212的輸出處大于50%的中頻帶和高頻帶頻率信號電流耦合到輸 入放大器238并且由于在BNC輸入節(jié)點214和輸入放大器238之間消除非端接抽頭使信號 采集系統(tǒng)的 帶寬增加。電阻中心導體信號電纜212的端接電阻和電容對于給定的電纜類型是固定值，而 電阻中心導體信號電纜212的對地電容隨電纜的長度而變化。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中， 電阻中心導體信號電纜212的端接電容是大約40pf并且端接電阻是大約150 Ω。另外，1. 2 米電阻中心導體信號電纜212碰巧具有大約40pf的對地電容。電阻中心導體信號電纜212 的對地電容可以通過改變電纜的長度而被容易地改變。探針針尖電路204中的電阻元件 206具有9. 75ΜΩ的值并且電容元件208具有3. 4pf的值。電容值低于一般具有8到14pf 的范圍內(nèi)的電容的現(xiàn)有電阻中心導體無源電壓探針。減小探針針尖處的輸入電容就減小了 被測設備的電容負載，導致更寬的探針帶寬。使用上面值的探針針尖電路204的時間常數(shù) 是33. 15微秒。橫跨BNC輸入節(jié)點214的時間常數(shù)應當匹配探針針尖電路204的時間常數(shù)。 對輸入電路226中的電容元件229施加限制，因為其電容應當匹配電阻中心導體信號電纜 212的端接電容。因此，電容元件229的電容是40pf。電阻中心導體信號電纜212的對地 電容是40pf，其需要添加到端接電容。在BNC輸入節(jié)點214處所得到的電容是SOpf。探針 針尖電路204時間常數(shù)除以電阻中心導體信號電纜212的對地電容和端接電容的總和電容 值的80pf值，應當產(chǎn)生輸入電路226中的電阻元件227的414. 4k Ω的值。然而，對與傳統(tǒng) 探針的后向兼容性的需要和對直接驅動示波器輸入的需求要求示波器輸入電容在10-20pf 的范圍內(nèi)。在示波器的輸入處的寄生電容是大約2pf。電容元件229和232的有效電容的 最優(yōu)值優(yōu)選地在10和12pf之間。電容元件229的值被設定為40pf以匹配電阻中心導體信 號電纜212的電容。電容元件232的值需要為大約13. 3pf以產(chǎn)生大約IOpf的有效電容。 電容元件229與電容元件232的比是3 1，要求電阻元件227與電阻元件230的1 3的 比。電阻元件227和232的值需要總計達1ΜΩ以用于后向兼容性，導致電阻元件227具有 250kΩ的值并且電阻元件232具有750kΩ的值。輸入電路226和電阻-電容衰減器網(wǎng)絡 228的所得到的時間常數(shù)是10微秒。對于設定為10微秒的輸入電路226的時間常數(shù)，橫跨 BNC輸入節(jié)點214的時間常數(shù)標稱為20微秒(80pfX 250k Ω )并且探針針尖電路204的時 間常數(shù)是33. 15微秒。補償電路224具有分開的零極點對，其補償橫跨示波器100的BNC 輸入節(jié)點的失配時間常數(shù)。補償系統(tǒng)224具有用作電流放大器的輸入放大器238，其中其反相輸入經(jīng)由端接 電阻器231耦合到衰減電路226而非反相輸入耦合到地。補償系統(tǒng)224的輸入放大器238 具有反饋環(huán)電路240，該反饋環(huán)電路240包括可調(diào)節(jié)反饋電阻器242、可調(diào)節(jié)電阻和電容元 件、以及可調(diào)節(jié)增益元件。可調(diào)節(jié)電阻器、電容器和增益元件的值通過改變多個寄存器的寄 存器值來控制。電阻元件242的反饋環(huán)設定DC和低頻增益。調(diào)節(jié)由電阻元件250和電容元件252以及電阻元件254和電容元件256組成的串聯(lián)反饋環(huán)以形成分開的極點和零點對。 電容元件252和256的總電容設定中頻帶增益并且電阻元件250和254的并聯(lián)電導設定高 頻增益。由元件250和252的極點和零點對形成的時間常數(shù)可以與由元件254和256的極 點和零點對形成的時間常數(shù)無關地被調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)這些時間常數(shù)以為由電 路的其他部分中中 頻和高頻增益的失配造成的殘差的該部分提供平坦性校正。電阻元件244、電容元件246和 以具有增益“K”的可變增益放大器248為形式的可變增益電壓源的串聯(lián)反饋環(huán)影響低頻帶 和中頻帶頻率之間的窄帶中的增益，其被調(diào)節(jié)以為由電路的其他部分中低頻和中頻增益的 失配造成的殘差的該部分提供平坦性校正?？刂破?25經(jīng)由用于加載可調(diào)節(jié)電阻、電容和 增益元件的寄存器值的四線串行外圍接口總線258與反饋環(huán)電路240通信。圖7示出具有和沒有反饋交叉補償?shù)男盘柌杉到y(tǒng)200的代表性頻率響應260、 262。信號采集系統(tǒng)200的探針針尖電路204中的電容元件208的電容被減小，這提高了高 頻輸入阻抗。探針針尖電路204中的減小電容導致了橫跨輸入節(jié)點214的與結合輸入電路 226的電阻中心導體信號電纜212的對地電容電容器213的時間常數(shù)失配的時間常數(shù)。這 打破了其中為平坦的頻率和相位響應而補償信號路徑的每一級的傳統(tǒng)探針_示波器結構。 失配的時間常數(shù)產(chǎn)生在8KHz附近的峰值264。頻率響應262中在60MHz附近的低谷266與 由端接元件、電阻元件216和231以及電容元件229產(chǎn)生的、電阻中心導體信號電纜212中 的往返反射有關，僅僅是電阻中心導體信號電纜212的復阻抗的近似。反饋環(huán)電路240給 峰值264和低谷266提供反饋交叉補償。在輸入放大器238的反饋環(huán)電路240中通過改變 可調(diào)節(jié)電阻元件244、可調(diào)節(jié)電容元件246和可變增益放大器248的增益“K”中的任何兩 個的寄存器值來校正8KHz峰值264。在60MHz附近的低谷266由比傳統(tǒng)探針中相同電容 器的電容更低的電容元件208的電容造成，并且通過改變電容元件252和256與電阻元件 250和254的寄存器值以形成分開的極點和零點對來校正。電容元件252和256的總電容 設定中頻帶增益(IOKHz到IOMHz)并且電阻元件250和254的并聯(lián)電導設定在200MHz之 上的增益。輸入放大器238的反饋環(huán)中的電阻元件244和電容元件246產(chǎn)生信號采集系統(tǒng) 200中的零極點對，其生成頻率響應中在SKHz附近的峰值264可以被平坦化的足夠自由度。 在與任意增益“K”串聯(lián)的反饋環(huán)中零極點對的添加可以通過把“K”設定為正或負來消除峰 值或低谷。低頻帶(DC到中頻帶AC)的傳遞函數(shù)由下面的方程1示出Η{]ω)=-[Κ2η'^ΛΖ(方程 1)
1VΤΑΡ ‘ CPJ其中Cz表示校正零點(C246 ‘ R244 · j^+l)Az表示衰減器零點(C229 · R227 · jco+l)Tz表示針尖零點(C208 · R206 · j-ω+Ι)Cp表示校正極點
權利要求
1.一種信號采集系統(tǒng)，包括具有探針針尖電路的信號采集探針，所述探針針尖電路耦合到電阻中心導體信號電 纜；以及具有輸入節(jié)點的信號處理儀器，所述輸入節(jié)點耦合到信號采集探針的電阻中心導體信 號電纜并且經(jīng)由輸入電路耦合到布置在信號處理儀器中的補償系統(tǒng)；其中信號采集探針和信號處理儀器在輸入節(jié)點處具有失配的時間常數(shù)，其中補償系統(tǒng) 提供零極點對以在信號采集系統(tǒng)頻率帶寬上保持平坦性。
2.如權利要求1所述的信號采集系統(tǒng)，其中信號處理儀器的輸入電路提供電阻中心導 體信號電纜的電阻和電容端接中的至少一個。
3.如權利要求1所述的信號采集系統(tǒng)，其中補償系統(tǒng)還包括輸入放大器，所述輸入放 大器具有耦合在輸入放大器的輸入和輸出之間的相關聯(lián)反饋環(huán)電路。
4.如權利要求3所述的信號采集系統(tǒng)，其中信號處理儀器還包括信號路徑，其中所述 信號路徑的一端耦合到輸入節(jié)點而另一端耦合到鄰近輸入放大器的輸入布置的電阻元件 以形成端接的傳輸線。
5.如權利要求3所述的信號采集系統(tǒng)，其中輸入放大器包括電流放大器。
6.如權利要求3所述的信號采集系統(tǒng)，其中反饋環(huán)電路包括電阻元件和電容元件。
7.如權利要求6所述的信號采集系統(tǒng)，其中輸入放大器的反饋環(huán)電路還包括可變電阻 元件和可變電容元件，其中多個寄存器設定選擇的可變電阻元件和可變電容元件的相應電 阻值和電容值。
8.如權利要求7所述的信號采集系統(tǒng)，其中輸入放大器的反饋環(huán)電路還包括電阻元 件、與第一電阻元件和電容元件串聯(lián)耦合的至少第一可變增益電壓源、第二串聯(lián)耦合的電 阻元件和電容元件、以及第三串聯(lián)耦合的電阻元件和電容元件，其中電阻元件、與第一電阻 元件和電容元件串聯(lián)耦合的第一可變增益電壓源、以及第二和第三串聯(lián)耦合的電阻元件和 電容元件彼此并聯(lián)在輸入放大器的輸入和輸出之間。
9.如權利要求8所述的信號采集系統(tǒng)，其中輸入放大器的反饋環(huán)電路還包括與第二串 聯(lián)耦合的電阻和電容元件串聯(lián)耦合的第二可變增益電壓源。
10.如權利要求1所述的信號采集系統(tǒng)，其中輸入電路還包括衰減電路。
11.如權利要求10所述的信號采集系統(tǒng)，還包括布置在信號處理儀器中的開關電路， 用于經(jīng)由衰減電路把信號處理儀器的輸入節(jié)點選擇性地耦合到補償系統(tǒng)并且用于把附加 衰減電路選擇性地耦合在信號處理儀器的輸入節(jié)點和衰減電路之間。
12.如權利要求1所述的信號采集系統(tǒng)，其中探針針尖電路還包括與電容元件并聯(lián)的 至少第一電阻元件。
13.如權利要求12所述的信號采集系統(tǒng)，其中電容元件具有在2到5皮法的范圍內(nèi)的 電容。
14.一種用于具有信號采集探針和信號處理儀器的信號采集系統(tǒng)的校準過程，包括以 下步驟a)使用信號采集探針和信號處理儀器來采集寬頻內(nèi)容信號的數(shù)字值作為校準波形；b)在由時間位置和頻率位置中的至少一個設定的波形上的共同位置處確定在存儲在 信號處理儀器中的寬頻內(nèi)容信號參考校準波形和校準波形之間的至少第一測量誤差值；c)根據(jù)至少第一測量誤差值和波形上的共同位置來確定測量誤差因子；d)把測量誤差因子應用于補償系統(tǒng)的輸入放大器的反饋環(huán)電路中的多個寄存器中的 適當寄存器的寄存器值；e)針對波形上的附加共同位置，重復步驟b)、c)和d)；f)在波形上的最后共同位置處確定測量誤差值和測量誤差因子之后，使用信號采集探 針和信號處理儀器來采集寬頻內(nèi)容信號的數(shù)字值作為校準波形；g)將校準規(guī)范與在步驟f)中采集的校準波形進行比較以核實校準波形在校準規(guī)范內(nèi)；h)對于在校準規(guī)范內(nèi)的校準波形，存儲在輸入放大器的反饋環(huán)電路中的多個寄存器中 加載的寄存器值；以及i)顯示校準過程的成功結果。
15.如權利要求14所述的用于具有信號采集探針和信號處理儀器的信號采集系統(tǒng)的 校準過程，其中確定步驟b)和c)還包括以下步驟a)在由時間位置和頻率位置中的至少一個設定的波形上的共同位置處確定在存儲在 信號處理儀器中的寬頻內(nèi)容信號參考校準波形和校準波形之間的多個第一測量誤差值；以 及b)根據(jù)多個第一測量誤差值和波形上的共同位置來確定測量誤差因子。
16.如權利要求14所述的用于具有信號采集探針和信號處理儀器的信號采集系統(tǒng)的 校準過程，其中核實步驟還包括以下步驟a)確定校準過程是否已經(jīng)超過迭代時間限制值；b)當校準過程沒有超過迭代時間限制值時，把波形上的共同位置設定為初始位置；以及c)對于波形上的共同位置，重復步驟e)。
17.如權利要求16所述的用于具有信號采集探針和信號處理儀器的信號采集系統(tǒng)的 校準過程，其中權利要求16的確定步驟還包括以下步驟a)當校準過程超過迭代時間限制值時，存儲在開始校準過程之前輸入放大器的反饋環(huán) 電路中的多個寄存器中的初始寄存器值；以及b)顯示校準過程的未成功結果。
18.如權利要求14所述的用于具有信號采集探針和信號處理儀器的信號采集系統(tǒng)的 校準過程，其中步驟a)的采集步驟還包括以下步驟a)把信號采集探針附連到信號處理儀器；b)由信號處理儀器檢測信號采集探針中探針存儲器的存在或不存在中的至少一個；c)當探針存儲器存在時，把探針存儲器的存儲內(nèi)容加載到信號處理儀器中；d)檢測存儲在探針存儲器中的探針校準常數(shù)；e)把探針校準常數(shù)應用于輸入放大器的反饋環(huán)電路中的多個寄存器中的適當寄存器 值；以及f)當探針存儲器不存在時，把信號采集探針標識為沒有探針存儲器。
19.如權利要求14所述的用于具有信號采集探針和信號處理儀器的信號采集系統(tǒng)的 校準過程，其中步驟b)的確定步驟還包括以下步驟a)使用傅里葉變換把寬頻內(nèi)容信號校準波形的數(shù)字值轉換成頻域表示；以及b)在由頻率間隔設定的波形上的共同位置處確定在存儲在信號處理儀器中的寬頻內(nèi) 容信號參考校準波形的頻域表示和校準波形的頻域表示之間的測量誤差值。
全文摘要
本發(fā)明涉及減小被測設備的探針負載的信號采集系統(tǒng)。一種信號采集系統(tǒng)具有信號采集探針，所述信號采集探針具有耦合到電阻中心導體信號電纜的探針針尖電路。信號采集探針的電阻中心導體信號電纜經(jīng)由信號處理儀器中的輸入節(jié)點和輸入電路耦合到信號處理儀器中的補償系統(tǒng)。信號采集探針和信號處理儀器在輸入節(jié)點處具有失配的時間常數(shù)，其中補償系統(tǒng)提供零極點對以在信號采集系統(tǒng)頻率帶寬上保持平坦性。
文檔編號G01R35/00GK102081108SQ201010501748
公開日2011年6月1日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權日2009年9月30日
發(fā)明者D·G·克尼里姆, I·G·波羅克, J·A·巴特勒特, K·P·多比恩斯, L·L·拉森, M·D·斯蒂芬斯, S·R·詹森 申請人:特克特朗尼克公司