专利名称：减小被测设备的探针负载的信号采集系统的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及从被测设备采集(acquire)信号并且更具体地涉及一种使用具 有减小电容的信号采集探针(probe)来减小被测设备的负载的信号采集系统。
背景技术：
传统的无源电压探针10 —般由在探针针尖14的电阻-电容并联网络12 (在图1 中示为&和Ct)组成，该电阻-电容并联网络12经由电阻中心导体信号电缆(resistive center conductor signal cable) 16耦合到补偿盒中的补偿电路18。补偿电路18具有电 阻元件Ra和Rc2以及电容元件Cc。Rci与电缆16串联且Rc2与可变电容器Cc串联。补偿电 路18耦合到诸如示波器、频谱分析器、逻辑分析器等等之类的测量测试仪器22的输入电路 20。一般地，示波器的输入电路20包括示为Rts和Cts的输入电阻-电容网络M，其与提供 与10到20皮法(pf)的电容并联的1ΜΩ的示波器输入阻抗的开关输入衰减电路(未示 出)相关联。开关输入衰减电路的输出耦合到前置放大器26的输入。示波器被校准以提 供从示波器的输入到前置放大器的输出的标称平坦的频率响应传递函数。补偿电路18提供电缆16的电阻和电容端接(termination)以最小化反射并且给 测量测试仪器22提供具有标称平坦的频率响应的传递函数。可变补偿电容器C。是用户可 调节的以在单独示波器通道的输入电容的变化期间匹配探针的电容和电阻分压比。电阻元 件Ra提供在高频下电阻电缆16与示波器输入的端接匹配(其中电缆& 155 Ω)。与可 变电容器C。串联的R。2改进了到示波器中的电容负载中的电缆端接。针尖电阻RT、电缆端接电阻器Ra和输入电阻Rts对于DC到低频输入信号形成分压 器衰减网络。为了适应宽频率范围的输入信号，使用横跨针尖电阻元件&的分路(shunt) 针尖电容器Ct以及横跨端接电阻元件Rts的输入电容器Cts和分路端接电容器C。来补偿电 阻分压器衰减网络。为了获得正确补偿的分压器，探针针尖电阻-电容并联网络12的时间 常数必须等于包括C。able和Cc的端接电阻-电容并联网络M的时间常数。以电阻电缆16的特性阻抗正确地端接该电阻电缆16要求向补偿网络18添加 相对大的分路电容ce。这是除了电缆体电容CeABLE之外。例如，由Beaverton，Oregon的 Tektronix公司制造和销售的P2222 10X无源探针的针尖电阻&和电容Ct被选择为给出 到1ΜΩ的示波器输入阻抗的10X等分(divide)。忽略任何其他寄生电容的最小针尖电容 Ct是电缆体电容(。_、(。与Cts之和的九分之一。对于上述的参数而言，Ct的针尖电容大约 为SpF到12pf。输入电容(其是Ct与Cca_、Cc与Cts之和串联)由被监控的电路驱动并因 此表示探针对电路加了多少负载的度量。图2示出另一个无源电压探针和示波器配置，其中前置放大器28被配置为电流放大器。这种配置具有与图1的探针和示波器配置相同的限制。探针具有在探针补偿盒中的 补偿电路并且示波器在示波器输入处具有与10到20pf的电容并联的传统IMΩ电阻。现 有无源电压探针和示波器配置的主要缺点在于在电阻中心导体信号电缆的输出处的中频 带和高频带频率信号电流的相当一部分被端接电容器C。分路到地。另外，由于电阻中心导 体信号电缆被端接在示波器输入之前，所以示波器的输入电路的寄生电容充当把附加电流 分路到地的非端接传输线。探针针尖电容和电阻中心导体信号电缆影响传统无源探针的总体带宽。而且，探 针针尖输入由于低电容电抗与高输入电阻并联而在高频下向被测设备呈现出低输入阻抗。 减小探针针尖电容以提高电容电抗要求调节分压器网络的其他部件值以维持补偿的网络。 先前，这已经通过提高探针针尖中的电阻而实现。然而，这提高了网络的分压比，结果施加 到探针的信号的衰减增加。输入到示波器的减小信号可以通过提高示波器输入电路的增益 来补偿，这导致信号上噪声的增加从而降低了仪器的总体信噪比。存在向50欧姆输入示波器提供相对高的阻抗和衰减的特殊类型的无源探针。4 探针具有耦合到50欧姆无损同轴电缆的相对低的输入电阻(5000欧姆或更小)。在探针针 尖处的电容一般小于由探针头的寄生电容产生的lpf。在具体的实施例中，探针针尖电阻是 450欧姆，经由50欧姆无损同轴电缆耦合到示波器的50欧姆输入，这产生IOX无源分压器 网络。输入到这个探针的电压与传统无源探针相比由于输入电阻器的大小而受到限制。此 外，低输入电阻可能给DC信号造成过多负载。图3所示的USP 6，483，284教导了使用零极点对消的宽带探针。与电阻器Iitab和 电容器Ctab串联的电阻器和电容器Cwp的并联探针针尖网络检测来自被测设备的信号 并且经由近乎无损同轴电缆40把信号耦合到补偿网络。电容器Ctab表示诸如电路板上的 迹线、同轴电缆等等之类的针尖电路中的电容。电缆端接电阻器民串联连接在电缆40和 运算放大器42的反相输入端子之间。非反相输入耦合到共同地。在运算放大器42的输入 端子和输出端子之间连接的是电阻器Rfb和电容器Cfb的并联组合，其中电阻器Iipk与Cfb串 联。并联针尖电阻器Rup和电容器Cwp创建零点并且电阻器Rtab和电容器Ctab的组合创建 极点。极点由补偿网络中的电阻器Rfb和电容器Cfb创建并且零点由电阻器Rpk和电容器Cfb 创建。在探针针尖网络中创建的零点和极点由补偿网络中的极点和零点对消。补偿网络的 输出耦合到终端用户设备，诸如示波器等等。该教导声明两个RC网络的时间常数必须相等 以便零点和极点抵消并且探针具有恒定增益。而且，运算放大器42是宽带探针电路的一部 分而不是终端用户设备的一部分。
发明内容
因而，本发明是一种具有信号采集探针和信号处理仪器的信号采集系统。信号采 集探针具有耦合到电阻中心导体信号电缆的探针针尖电路。电阻中心导体信号电缆耦合到 信号处理仪器的输入节点。输入节点还经由输入电路而耦合到布置在信号处理仪器中的补 偿系统。信号采集探针和信号处理仪器在输入节点处具有失配的(mismatched)时间常数， 其中补偿系统提供零极点对以在信号采集系统频率带宽上保持平坦性。补偿系统具有输入放大器以及耦合在输入放大器的输入和输出之间的相关联反 馈环电路。反馈环电路可以被配置有可变电阻和电容元件并且输入放大器可以被配置为电流放大器。可变电阻和电容元件可以实施为具有用于设定相应电阻和电容元件的电阻值和 电容值的多个寄存器。反馈环电路可以通过电阻元件、与第一串联耦合的电阻元件和电容 元件串联耦合的至少第一可变增益电压源(其与第二和第三串联耦合的电阻元件和电容 元件并联)来实施。反馈环电路也可以包括与第二串联耦合的电阻元件和电容元件串联耦 合的第二可变增益电压源。信号处理仪器的输入电路优选地是提供电阻中心导体信号电缆的电阻和电容端 接中的至少一个的衰减电路。输入节点耦合到信号路径，该信号路径的另一端耦合到邻近 输入放大器的输入布置的电阻元件以形成端接的传输线。开关电路被布置在信号处理仪器 中用于经由衰减电路把输入节点选择性地耦合到补偿系统并且用于把附加电阻-电容衰 减网络选择性地耦合在输入节点和衰减电路之间。探针针尖电路具有与电容元件并联的至少第一电阻元件。探针针尖电路也可以具 有与多个电容元件并联的多个第一电阻元件以形成高电压信号采集探针。一个或多个电容 元件具有在2到5皮法的范围内的有效电容。一种用于信号采集系统的校准过程包括以下步骤使用信号采集探针和信号处理 仪器来采集宽频内容信号的数字值作为校准波形；在波形上的共同位置处确定在存储在信 号处理仪器中的宽频内容信号参考校准波形和校准波形之间的至少第一测量误差值；根据 在共同位置处的至少第一测量误差值来确定测量误差因子；以及把测量误差因子应用于补 偿系统的输入放大器的反馈环电路中的多个寄存器中的适当反馈环寄存器的寄存器值。然 后针对校准波形和校准参考波形的每个后续共同位置确定测量误差值和测量误差因子。可 替换地，在由时间位置和频率位置中的至少一个设定的波形上的共同位置处确定在存储在 信号处理仪器中的宽频内容信号参考校准波形和校准波形之间的多个第一测量误差值，并 且根据多个第一测量误差值和波形上的共同位置来确定测量误差因子。在已经针对校准波 形和校准参考波形上的最后共同位置确定了测量误差值和测量误差因子之后，采集宽频内 容信号的新的数字值集作为校准波形。将新的校准波形与校准规范进行比较以核实该校 准。如果该校准在校准规范内，则存储输入放大器的反馈环电路中的多个寄存器中的寄存 器值并且显示校准过程的成功结果。如果校准波形不在校准规范内，则确定校准过程是否已经超过迭代时间 (iteration time)限制值。如果校准过程没有超过迭代时间限制值，则波形上的共同位置 被设定为初始位置。然后针对校准波形和校准参考波形的每个共同位置或多个共同位置确 定一个或多个测量误差值和测量误差因子。在已经针对校准波形和校准参考波形上的最后 共同位置确定了测量误差值和测量误差因子之后，采集宽频内容信号的新的数字值集作为 校准波形。将新的校准波形与校准规范进行比较以核实该校准。如果新的校准波形仍然不 在校准规范内并且校准过程已超时，则存储在校准过程之前输入放大器的反馈环电路中的 多个寄存器中的初始值，并且显示校准过程的未成功结果。采集宽频内容信号的数字值作为校准波形包括把信号采集探针附连到信号处理 仪器的附加步骤。信号处理仪器检测信号采集探针中探针存储器的存在或不存在，并且如 果探针存储器存在则把探针存储器的存储内容加载到信号处理仪器中。信号处理仪器检测 存储在探针存储器中的探针校准常数的存在，并且把探针校准常数应用于输入放大器的反 馈环电路中的多个寄存器中的适当寄存器值。如果信号采集探针没有探针存储器，则标称寄存器值被应用于输入放大器的反馈环电路中的多个寄存器。可以通过使用快速傅里叶变换把宽频内容信号校准波形的数字值转换成频域表 示以及在波形上的共同频率位置处确定在存储在信号处理仪器中的宽频内容信号参考校 准波形的频域表示和校准波形的频域表示之间的测量误差值，在频域中实施校准过程。宽 频内容信号参考校准波形的频域表示被存储为频域波形。当结合所附权利要求书和附图阅读时，通过以下的详细描述显而易见本发明的目 标、优点和新颖特征。
图1是现有技术无源探针的代表性示意图。图2是另一个现有技术探针电路的代表性示意图。图3是另外的现有技术探针电路的代表性示意图。图4是根据本发明的信号采集系统的框图。图5是根据本发明的信号采集系统中的信号处理仪器的代表性框图。图6是根据本发明的信号采集系统的代表性示意图。图7示出具有和没有反馈交叉(crossover)补偿的信号采集系统的代表性频率响应。图8A和8B示出用于校准本发明的信号采集系统的校准过程流程图。图9是本发明的信号采集系统中的衰减器电路的代表性示意图。图10是本发明的信号采集系统中的高电压信号采集探针的示意图。图11是本发明的信号采集系统的可替换实施例。
具体实施例方式参考图4，示出根据本发明的减小被测设备的探针负载的信号采集系统50的高级 框图。信号采集系统50具有包括电阻中心导体信号电缆M的信号采集探针52。信号电缆 耦合到信号处理仪器58的输入节点56。输入节点56也耦合到信号处理仪器58中的采集 电路60。采集电路60生成来自信号采集探针52的输入信号的数字值。输入信号的数字值 耦合到控制器62以用于进一步处理。控制器62可以把数字值耦合到处理电路64以用于 格式化数字值并且把格式化的数字值显示在显示设备66上。在传统的探针-示波器系统中，为平坦的频率及相位响应而对信号路径的每级进 行补偿。对示波器进行校准以提供标称平坦的频率响应。信号采集探针附连到示波器并且 使用探针中的端接和补偿电路来校准探针以产生相对于示波器输入的标称平坦的频率响 应。所得到的探针-示波器系统具有信号采集探针和示波器输入的时间常数匹配以在探针 示波器系统带宽上产生平坦的频率响应。在本发明中，信号采集探针52在被测设备处的高 频输入阻抗通过减小信号采集探针52的输入电容而被提高。本发明的所得到的结构使信 号采集探针52的探针针尖电路和横跨信号处理仪器58的输入节点56的电路的时间常数 失配。采集电路60中的补偿系统68提供使得由失配的时间常数产生的信号采集系统50 的频率响应平坦化的零极点对。下面将关于数字示波器来描述本发明的信号处理仪器58，诸如示波器、逻辑分析器、数字化器等等。图5描绘了用作本发明的信号采集系统50的一部分的数字示波器100 的高级框图。一般地，示波器100包括多个信号通道，其中在每个信号通道的输入上连接 用于从被测设备(DUT)采集电信号的各种类型的信号采集探针105、110，诸如无源和有源 电压探针、电流探针等等。示波器100信号通道输入耦合到相应的信号通道采集电路115、 120。相应的采集电路115、120依据由内部采样时钟生成器122提供的采样时钟来对其相 应的输入信号进行采样。采集电路115、120均包括前置放大器、模数转换电路、触发电路、抽取器 (decimator)电路、支持采集存储器等等。采集电路115、120在操作时能够以一定采样率数 字化一个或多个被测信号从而产生一个或多个相应的适合于供控制器125或处理电路130 使用的采样流。响应于从控制器125接收的命令，采集电路115、120改变前置放大器反馈 值；触发条件，抽取器函数以及其他采集相关参数。采集电路115、120把其相应所得到的采 样流传送到控制器125。触发电路IM被示为与采集电路115、120分离，但是本领域的技术人员会意识到 其可以在采集电路115、120内部。触发电路IM响应于用户输入而从控制器125接收触发 参数，诸如触发阈值电平、推迟(hold off)、后置触发器采集等等。触发电路IM调节采集 电路115、120以从DUT捕获被测信号的数字采样。控制器125操作以处理由采集电路115、120提供的一个或多个采集的采样流从而 生成与一个或多个采样流相关联的相应采样流数据。即，给定每格(per division)期望时 间和每格伏特显示参数，控制器125操作以修改或栅格化与所采集的采样流相关联的原始 数据从而产生具有每格期望时间和每格伏特参数的对应波形数据。控制器125也可以归一 化具有每格非期望时间、每格伏特和每格电流参数的波形数据从而产生具有期望参数的波 形数据。控制器125把波形数据提供到处理电路130以用于随后呈现在显示设备135上。图5的控制器125优选地包括处理器140、支持电路145和存储器155，所述处理 器140诸如由Schaumburg，IL的Motorola公司制造和销售的PowerPC 处理器。处理器 140与常规支持电路145 (诸如电源、时钟电路、高速缓存存储器、缓冲器/扩展器等等以及 辅助执行存储在存储器155中的软件例程的电路)协作。照此，预期本文作为软件过程所 讨论的一些过程步骤可以被实施在硬件中，例如作为与处理器140协作以执行各个步骤的 电路。控制器125也与输入/输出(1/0)电路150对接。例如，1/0电路150可以包括小 键盘、指示设备、触摸屏或者其他适于向控制器125提供用户输入和输出的装置。控制器 125响应于这样的用户输入而适配采集电路115、120的操作以执行各种数据采集、触发、处 理和显示通信以及其他功能。另外，用户输入可以用来触发自动校准功能或者适配显示设 备135、逻辑分析或其他数据采集设备的其他操作参数。存储器155可以包括易失性存储器，诸如SRAM、DRAM以及其他易失性存储器。存 储器155也可以包括非易失性存储器设备(诸如磁盘驱动器或磁带介质等)或者可编程存 储器(诸如EPROM等)。信号源157生成用于探针补偿的宽频内容信号。在本发明的优选 实施例中，宽频内容信号是快速边缘方波。可替换地，信号源157可以是等高(leveled)变 频正弦波生成器。尽管图5的控制器125被描绘为被编程为执行依据本发明的各种控制功能的通用 计算机，但是本发明可以以诸如例如专用集成电路(ASIC)的硬件来实施。照此，如本文所描述的处理器125旨在被广义地解释为由硬件、软件或由其组合等效地执行。图6是根据本发明的信号采集系统200的代表性示意图。图5中的同样元件在图 6中被相同地标记。信号采集探针105具有包含探针针尖电路204的探测头202、电阻中心 导体信号电缆212和电阻器元件216。探针针尖电路204具有与电容元件208并联耦合的 电阻元件206，电容元件208与电阻元件210串联。对于典型的IOX探针，电容元件208的 电容在2-5皮法(pf)的范围内以给被测设备提供低输入电容。探针针尖电路204耦合到电 阻中心导体信号电缆212的一端。电阻中心导体信号电缆212的另一端经由电阻元件216 耦合到数字示波器100中的信号采集电路115、120之一的BNC输入节点214。电阻中心导 体信号电缆优选地是具有电阻为39Q/ft的电阻中心导体的同轴电缆。电阻中心导体信号 电缆212具有由电容器213示出的对地电容。BNC输入节点214耦合到开关电路220，该开 关电路220进而提供信号采集探针105到输入电路226的耦合。电阻元件216与输入电路 226 (代表性地被示为由电阻元件227与电容元件229并联组成的衰减电路)中的电阻元 件231结合，使电阻中心导体信号电缆212以其特性电阻阻抗端接。在本发明的优选实施 例中，电阻中心导体信号电缆212的端接电容为大约40pf并且端接电阻为大约150 Ω。另 夕卜，1. 2米电阻中心导体信号电缆212碰巧具有大约40pf的对地电容。电阻中心导体信号 电缆212的对地电容可以通过改变电缆的长度而被容易地改变。电阻元件216具有100 Ω 的电阻值并且电阻元件231具有50 Ω的电阻值。电阻元件231物理上尽可能地靠近用作 电流放大器的输入放大器238的输入，以减小BNC输入节点214和输入放大器238之间的 信号迹线的非端接寄生电容。BNC和信号迹线在这里被假设为被设计成50 Ω的特性阻抗以 便由电阻元件231正确地端接。输入电路226也使电阻中心导体信号电缆212以其特性电 容阻抗端接。开关电路220具有用于经由输入电路226把探针针尖电路204选择性耦合到补偿 系统224或者在探针针尖电路204和输入电路226之间耦合由电阻元件230与电容元件 232并联组成的附加电阻器-电容器衰减网络228的开关元件222。电阻-电容衰减器网 络228提供对要求1ΜΩ的示波器输入阻抗的传统信号采集探针的后向兼容性。开关元件 222优选地是从控制器125接收开关命令的继电器开关。信号采集探针105优选地具有包含关于探针的信息(诸如探针类型、序列号等等) 的存储器234，并且也可以包含探针校准数据。探针存储器234优选地是由Sunnyvale，CA 的Maxim Integrated Products公司在部件号DS2431下制造和销售的一线EEPR0M。探针 存储器234经由一线通信/电源线236耦合到控制器125。可替换地，探针存储器234可经 由诸如I2C总线、Firewire总线等等之类的多线通信总线与控制器125通信。
把电阻中心导体信号电缆212的电阻和电容端接移动到信号处理仪器100中显著 减小了在电阻中心导体信号电缆212的输出处被分路到地的中频带和高频带频率信号电 流量。在现有技术的电阻中心导体信号电缆无源电压探针中，在探针电缆的输出处中频带 和高频带信号电流的相当一部分(大约三分之二)根据电缆的端接电容和示波器输入的寄 生电容而被探针补偿盒中的端接电容器分路到地。此外，现有技术的电阻中心导体信号电 缆被端接在探针的补偿盒中，这导致充当非端接抽头(stub)的示波器输入中的寄生电容， 从而进一步把附加电流分路到地。在本发明中，输入电路226中的电阻和电容端接与电阻 中心导体信号电缆212和输入放大器238的输入串联，导致显著更大的电流流到放大器的输入中。探针针尖电容可以被减小到2-5pf的范围内的值，这减小了在电阻中心导体信号 电缆212的输出处的中频带和高频带频率信号电流。信号电流的这种减小被提供到输入电 流放大器的信号电流的整体增加所抵消，使得信噪比等效于现有的无源电压探针。另外，端 接从BNC输入节点214到输入放大器238的信号路径的电阻元件231结合该信号路径的寄 生电感和电容实质上把信号路径变换成端接的传输线，这进一步减少分路到地的信号电流 量。把电阻和电容电缆端接移动到示波器100中并且把信号路径端接在仪器中的结果是在 电阻中心导体信号电缆212的输出处大于50%的中频带和高频带频率信号电流耦合到输 入放大器238并且由于在BNC输入节点214和输入放大器238之间消除非端接抽头使信号 采集系统的 带宽增加。电阻中心导体信号电缆212的端接电阻和电容对于给定的电缆类型是固定值，而 电阻中心导体信号电缆212的对地电容随电缆的长度而变化。在本发明的优选实施例中， 电阻中心导体信号电缆212的端接电容是大约40pf并且端接电阻是大约150 Ω。另外，1. 2 米电阻中心导体信号电缆212碰巧具有大约40pf的对地电容。电阻中心导体信号电缆212 的对地电容可以通过改变电缆的长度而被容易地改变。探针针尖电路204中的电阻元件 206具有9. 75ΜΩ的值并且电容元件208具有3. 4pf的值。电容值低于一般具有8到14pf 的范围内的电容的现有电阻中心导体无源电压探针。减小探针针尖处的输入电容就减小了 被测设备的电容负载，导致更宽的探针带宽。使用上面值的探针针尖电路204的时间常数 是33. 15微秒。横跨BNC输入节点214的时间常数应当匹配探针针尖电路204的时间常数。 对输入电路226中的电容元件229施加限制，因为其电容应当匹配电阻中心导体信号电缆 212的端接电容。因此，电容元件229的电容是40pf。电阻中心导体信号电缆212的对地 电容是40pf，其需要添加到端接电容。在BNC输入节点214处所得到的电容是SOpf。探针 针尖电路204时间常数除以电阻中心导体信号电缆212的对地电容和端接电容的总和电容 值的80pf值，应当产生输入电路226中的电阻元件227的414. 4k Ω的值。然而，对与传统 探针的后向兼容性的需要和对直接驱动示波器输入的需求要求示波器输入电容在10-20pf 的范围内。在示波器的输入处的寄生电容是大约2pf。电容元件229和232的有效电容的 最优值优选地在10和12pf之间。电容元件229的值被设定为40pf以匹配电阻中心导体信 号电缆212的电容。电容元件232的值需要为大约13. 3pf以产生大约IOpf的有效电容。 电容元件229与电容元件232的比是3 1，要求电阻元件227与电阻元件230的1 3的 比。电阻元件227和232的值需要总计达1ΜΩ以用于后向兼容性，导致电阻元件227具有 250kΩ的值并且电阻元件232具有750kΩ的值。输入电路226和电阻-电容衰减器网络 228的所得到的时间常数是10微秒。对于设定为10微秒的输入电路226的时间常数，横跨 BNC输入节点214的时间常数标称为20微秒(80pfX 250k Ω )并且探针针尖电路204的时 间常数是33. 15微秒。补偿电路224具有分开的零极点对，其补偿横跨示波器100的BNC 输入节点的失配时间常数。补偿系统224具有用作电流放大器的输入放大器238，其中其反相输入经由端接 电阻器231耦合到衰减电路226而非反相输入耦合到地。补偿系统224的输入放大器238 具有反馈环电路240，该反馈环电路240包括可调节反馈电阻器242、可调节电阻和电容元 件、以及可调节增益元件。可调节电阻器、电容器和增益元件的值通过改变多个寄存器的寄 存器值来控制。电阻元件242的反馈环设定DC和低频增益。调节由电阻元件250和电容元件252以及电阻元件254和电容元件256组成的串联反馈环以形成分开的极点和零点对。 电容元件252和256的总电容设定中频带增益并且电阻元件250和254的并联电导设定高 频增益。由元件250和252的极点和零点对形成的时间常数可以与由元件254和256的极 点和零点对形成的时间常数无关地被调节。调节这些时间常数以为由电 路的其他部分中中 频和高频增益的失配造成的残差的该部分提供平坦性校正。电阻元件244、电容元件246和 以具有增益“K”的可变增益放大器248为形式的可变增益电压源的串联反馈环影响低频带 和中频带频率之间的窄带中的增益，其被调节以为由电路的其他部分中低频和中频增益的 失配造成的残差的该部分提供平坦性校正。控制器125经由用于加载可调节电阻、电容和 增益元件的寄存器值的四线串行外围接口总线258与反馈环电路240通信。图7示出具有和没有反馈交叉补偿的信号采集系统200的代表性频率响应260、 262。信号采集系统200的探针针尖电路204中的电容元件208的电容被减小，这提高了高 频输入阻抗。探针针尖电路204中的减小电容导致了横跨输入节点214的与结合输入电路 226的电阻中心导体信号电缆212的对地电容电容器213的时间常数失配的时间常数。这 打破了其中为平坦的频率和相位响应而补偿信号路径的每一级的传统探针_示波器结构。 失配的时间常数产生在8KHz附近的峰值264。频率响应262中在60MHz附近的低谷266与 由端接元件、电阻元件216和231以及电容元件229产生的、电阻中心导体信号电缆212中 的往返反射有关，仅仅是电阻中心导体信号电缆212的复阻抗的近似。反馈环电路240给 峰值264和低谷266提供反馈交叉补偿。在输入放大器238的反馈环电路240中通过改变 可调节电阻元件244、可调节电容元件246和可变增益放大器248的增益“K”中的任何两 个的寄存器值来校正8KHz峰值264。在60MHz附近的低谷266由比传统探针中相同电容 器的电容更低的电容元件208的电容造成，并且通过改变电容元件252和256与电阻元件 250和254的寄存器值以形成分开的极点和零点对来校正。电容元件252和256的总电容 设定中频带增益(IOKHz到IOMHz)并且电阻元件250和254的并联电导设定在200MHz之 上的增益。输入放大器238的反馈环中的电阻元件244和电容元件246产生信号采集系统 200中的零极点对，其生成频率响应中在SKHz附近的峰值264可以被平坦化的足够自由度。 在与任意增益“K”串联的反馈环中零极点对的添加可以通过把“K”设定为正或负来消除峰 值或低谷。低频带(DC到中频带AC)的传递函数由下面的方程1示出Η{]ω)=-[Κ2η'^ΛΖ(方程 1)
1VΤΑΡ ‘ CPJ其中Cz表示校正零点(C246 ‘ R244 · j^+l)Az表示衰减器零点(C229 · R227 · jco+l)Tz表示针尖零点(C208 · R206 · j-ω+Ι)Cp表示校正极点
权利要求
1.一种信号采集系统，包括具有探针针尖电路的信号采集探针，所述探针针尖电路耦合到电阻中心导体信号电 缆；以及具有输入节点的信号处理仪器，所述输入节点耦合到信号采集探针的电阻中心导体信 号电缆并且经由输入电路耦合到布置在信号处理仪器中的补偿系统；其中信号采集探针和信号处理仪器在输入节点处具有失配的时间常数，其中补偿系统 提供零极点对以在信号采集系统频率带宽上保持平坦性。
2.如权利要求1所述的信号采集系统，其中信号处理仪器的输入电路提供电阻中心导 体信号电缆的电阻和电容端接中的至少一个。
3.如权利要求1所述的信号采集系统，其中补偿系统还包括输入放大器，所述输入放 大器具有耦合在输入放大器的输入和输出之间的相关联反馈环电路。
4.如权利要求3所述的信号采集系统，其中信号处理仪器还包括信号路径，其中所述 信号路径的一端耦合到输入节点而另一端耦合到邻近输入放大器的输入布置的电阻元件 以形成端接的传输线。
5.如权利要求3所述的信号采集系统，其中输入放大器包括电流放大器。
6.如权利要求3所述的信号采集系统，其中反馈环电路包括电阻元件和电容元件。
7.如权利要求6所述的信号采集系统，其中输入放大器的反馈环电路还包括可变电阻 元件和可变电容元件，其中多个寄存器设定选择的可变电阻元件和可变电容元件的相应电 阻值和电容值。
8.如权利要求7所述的信号采集系统，其中输入放大器的反馈环电路还包括电阻元 件、与第一电阻元件和电容元件串联耦合的至少第一可变增益电压源、第二串联耦合的电 阻元件和电容元件、以及第三串联耦合的电阻元件和电容元件，其中电阻元件、与第一电阻 元件和电容元件串联耦合的第一可变增益电压源、以及第二和第三串联耦合的电阻元件和 电容元件彼此并联在输入放大器的输入和输出之间。
9.如权利要求8所述的信号采集系统，其中输入放大器的反馈环电路还包括与第二串 联耦合的电阻和电容元件串联耦合的第二可变增益电压源。
10.如权利要求1所述的信号采集系统，其中输入电路还包括衰减电路。
11.如权利要求10所述的信号采集系统，还包括布置在信号处理仪器中的开关电路， 用于经由衰减电路把信号处理仪器的输入节点选择性地耦合到补偿系统并且用于把附加 衰减电路选择性地耦合在信号处理仪器的输入节点和衰减电路之间。
12.如权利要求1所述的信号采集系统，其中探针针尖电路还包括与电容元件并联的 至少第一电阻元件。
13.如权利要求12所述的信号采集系统，其中电容元件具有在2到5皮法的范围内的 电容。
14.一种用于具有信号采集探针和信号处理仪器的信号采集系统的校准过程，包括以 下步骤a)使用信号采集探针和信号处理仪器来采集宽频内容信号的数字值作为校准波形；b)在由时间位置和频率位置中的至少一个设定的波形上的共同位置处确定在存储在 信号处理仪器中的宽频内容信号参考校准波形和校准波形之间的至少第一测量误差值；c)根据至少第一测量误差值和波形上的共同位置来确定测量误差因子；d)把测量误差因子应用于补偿系统的输入放大器的反馈环电路中的多个寄存器中的 适当寄存器的寄存器值；e)针对波形上的附加共同位置，重复步骤b)、c)和d)；f)在波形上的最后共同位置处确定测量误差值和测量误差因子之后，使用信号采集探 针和信号处理仪器来采集宽频内容信号的数字值作为校准波形；g)将校准规范与在步骤f)中采集的校准波形进行比较以核实校准波形在校准规范内；h)对于在校准规范内的校准波形，存储在输入放大器的反馈环电路中的多个寄存器中 加载的寄存器值；以及i)显示校准过程的成功结果。
15.如权利要求14所述的用于具有信号采集探针和信号处理仪器的信号采集系统的 校准过程，其中确定步骤b)和c)还包括以下步骤a)在由时间位置和频率位置中的至少一个设定的波形上的共同位置处确定在存储在 信号处理仪器中的宽频内容信号参考校准波形和校准波形之间的多个第一测量误差值；以 及b)根据多个第一测量误差值和波形上的共同位置来确定测量误差因子。
16.如权利要求14所述的用于具有信号采集探针和信号处理仪器的信号采集系统的 校准过程，其中核实步骤还包括以下步骤a)确定校准过程是否已经超过迭代时间限制值；b)当校准过程没有超过迭代时间限制值时，把波形上的共同位置设定为初始位置；以及c)对于波形上的共同位置，重复步骤e)。
17.如权利要求16所述的用于具有信号采集探针和信号处理仪器的信号采集系统的 校准过程，其中权利要求16的确定步骤还包括以下步骤a)当校准过程超过迭代时间限制值时，存储在开始校准过程之前输入放大器的反馈环 电路中的多个寄存器中的初始寄存器值；以及b)显示校准过程的未成功结果。
18.如权利要求14所述的用于具有信号采集探针和信号处理仪器的信号采集系统的 校准过程，其中步骤a)的采集步骤还包括以下步骤a)把信号采集探针附连到信号处理仪器；b)由信号处理仪器检测信号采集探针中探针存储器的存在或不存在中的至少一个；c)当探针存储器存在时，把探针存储器的存储内容加载到信号处理仪器中；d)检测存储在探针存储器中的探针校准常数；e)把探针校准常数应用于输入放大器的反馈环电路中的多个寄存器中的适当寄存器 值；以及f)当探针存储器不存在时，把信号采集探针标识为没有探针存储器。
19.如权利要求14所述的用于具有信号采集探针和信号处理仪器的信号采集系统的 校准过程，其中步骤b)的确定步骤还包括以下步骤a)使用傅里叶变换把宽频内容信号校准波形的数字值转换成频域表示；以及b)在由频率间隔设定的波形上的共同位置处确定在存储在信号处理仪器中的宽频内 容信号参考校准波形的频域表示和校准波形的频域表示之间的测量误差值。
全文摘要
本发明涉及减小被测设备的探针负载的信号采集系统。一种信号采集系统具有信号采集探针，所述信号采集探针具有耦合到电阻中心导体信号电缆的探针针尖电路。信号采集探针的电阻中心导体信号电缆经由信号处理仪器中的输入节点和输入电路耦合到信号处理仪器中的补偿系统。信号采集探针和信号处理仪器在输入节点处具有失配的时间常数，其中补偿系统提供零极点对以在信号采集系统频率带宽上保持平坦性。
文档编号G01R35/00GK102081108SQ201010501748
公开日2011年6月1日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者D·G·克尼里姆, I·G·波罗克, 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 申请人:特克特朗尼克公司