电子测量设备和用于操作电子测量设备的方法与流程

本发明涉及电子测量设备和用于操作电子测量设备的方法。

在可以使用电子设备之前，需要测试该电子设备以保证该设备在预定义条件下的正常行为。因此，存在描述用于这种电子设备(后文称为被测设备，缩写为DUT)的测试场景的测试规范。优选地，在诸如汽车应用、医疗应用、航天应用或防御应用的应用中所使用的DUT需要满足那些测试规范，这是因为DUT在这类应用中的故障将导致巨大的损害。因此需要可靠的测试。这些测试保证被测试的DUT的特定认证标准。

存在有多种用于测试和/或分析DUT的方法和过程。本文中的本发明优选地涉及但不限于在正常操作DUT期间的分析方法。因此，需要将至少一个信号作为输入信号施加至DUT以及测量DUT的相应的输出信号。

本发明优选地涉及分析不同类型的DUT，诸如放大器、衰减器、有源设备、无源设备、连接元件、信号路径、液体、能量存储部件、或为低成本DUT的类似物。DUT可以包括范围从DC到几百兆赫的工作频率。由于DUT是低成本产品，因此所需的分析方法需要是简单的且经济合算的。

背景技术：

为了生成施加至DUT的信号，信号源是必需的。当今，信号源用于将信号施加至DUT。DUT的输出由电子测量设备测量。信号源在物理上与测量设备分离。由于电子测量设备与信号源分离，因此需要精密的对准技术来将施加的信号与接收的信号对准。通常，触发信号用于这类时间对准。

用于分析特定DUT的这类测试装置场景是昂贵的且提高了这类DUT在大规模生产场景中的生产成本。因此，需要降低DUT的生产成本但确保以高精度分析DUT。

在文献US 2014/0111184 A1中，描述了混合域示波器(缩写为MDO)，该混合域示波器包括用于将信号施加至DUT的输入节点的测试信号输出通道。该MDO还包括用于获得DUT的输出信号的RF输入通道。MDO内部的处理和控制逻辑包括模数转换器(缩写为ADC)、以及用于获得频域中的频率响应信号的离散傅里叶变换(缩写为DFT)模块。该频率响应信号被显示在MDO处的显示器上。

那些MDO是昂贵的且包括用于根据DFT算法获得频率响应信号的复杂的计算结构。因此，那些MDO不适用于以经济合算的方式测试上文提及的DUT。

需要提供用于分析和表征上文提及的DUT的低成本的测量设备。该测量设备应当适用于大规模生产场景以便加快这类DUT的生产。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，电子测量设备，优选地数字示波器，包括信号生成单元，该信号生成单元被配置成生成施加至DUT的输入节点的信号。该测量设备还包括控制单元，该控制单元被配置成控制信号生成单元使得所生成的信号至少在其信号频率方面是能够调节的。在该电子测量设备中使用至少一个接收单元来在时域中检索来自DUT的输出节点的信号。该电子测量设备包括信号生成单元和接收单元二者以分析DUT的行为和/或根据预定义的测试规范测试DUT。

因此，在DUT的正常操作条件期间分析DUT。由本发明的测量设备分析的重要的DUT的行为参数例如为散射参数(缩写为S参数)。这些S参数为散射矩阵的元素且描述DUT在通过施加的电信号经历各种稳态刺激时的电行为。为了得到S参数，需要执行反射测量和系统误差校正。也可以得出传输参数而非S参数。

电子测量设备优选地包括在共用的壳体内的信号生成单元和接收单元二者，因此信号生成单元的参数优选地由控制单元设置，并且那些参数优选地用于获得DUT的参数。使用一个单个的电子测量设备代替上文提及的包括外部信号源的测试装置，有利地使得更容易地且低损耗地将所施加的信号与所检索到的信号对准。

知道所生成的信号的参数以及还检索来自DUT的输出节点的输出信号，允许分析DUT及其特定行为。

信号生成单元生成至少在其信号频率方面可调节的信号。因此，可以针对所生成的信号的每个特定可调的信号频率获得DUT的频率响应特性。

接收单元具有宽的输入带宽。这允许使用调制的信号和/或宽带信号，利用传统的矢量网络分析仪，这是不可能的。因此，至少一个接收单元是宽带接收单元且优选地被构造成示波器输入通道。这不同于已知的网络分析设备，在已知的网络分析设备中使用具有小带宽的输入节点，该输入节点高度依赖信号频率。

利用该发明构思，优选地，那些DUT可以被分析，其包括低操作频率，优选地从DC到几百兆赫。

在优选实施方式中，控制单元以逐步的方式调节信号频率。优选地，步宽是能够调节的。因此，贯穿DUT的频率范围的扫描是可行的，其中扫描范围从预定义的且预设的开始频率到预定义的且预设的停止频率。频率响应的准确度依赖于所生成的信号的可调信号频率的预定义的且预设的步宽。

在优选实施方式中，所生成的信号为准单频信号。由于信号生成单元是电子测量设备的一部分且还利用控制单元来控制，因此特定生成的信号参数对于电子测量设备是已知的。因此，可以很容易地获得所检索到的信号和所生成的信号之间的比较，并且可以由电子测量设备提供后续计算。

DUT的许多电气性质可以使用S参数来表示，S参数诸如增益、回波损耗、电压驻波比(缩写为VSWR)、电源抑制比(缩写为PSRR)、共模抑制比(缩写为CMRR)和/或相位参数。优选地在电子测量设备中针对每个调节的信号值计算那些性质。另外，可以从获得的频率响应得出截止频率、坡率和/或非线性参数。

在优选实施方式中，信号生成单元为任意波形发生器。该任意波形发生器被构造成数字信号生成单元且使用存储在电子测量设备的存储部件中的ARB文件。那些ARB文件描述生成所施加的信号所需的幅度值、波形值、调制方案和频率值。

在优选实施方式中，电子测量设备包括至少一个第二接收单元，其中，该第二接收单元检索来自DUT的输入节点的所施加的所生成的信号。第二接收单元为宽带第二接收单元且优选地被构造成示波器输入通道。使用第二接收单元检索来自DUT的输入节点的所施加的所生成的信号，允许将施加在DUT的输入节点处的信号与所检索到的来自DUT的输出节点的信号直接比较，而没有在使用探针来施加所生成的信号且在测量设备中内部地使用而非从DUT检索获得所施加的信号的情况下所施加的电缆损耗或其它失真的影响。

在优选实施方式中，控制单元通过比较所生成的信号和所检索到的信号而分析DUT的行为。出于该目的，控制单元优选地包括计算单元，诸如专用集成电路或微处理器或信号处理器，以计算从DUT的输入信号和输出信号的比较得出的所需的DUT的参数。

在优选实施方式中，高阻抗探针被施加至接收单元的输入节点，其中，高阻抗探针的阻抗高于DUT的输出节点的阻抗。该高阻抗探针允许测量来自DUT的对应信号，而不影响DUT的信号行为，诸如DUT的不想要的加载。

在优选实施方式中，控制单元包括校正单元，该校正单元被配置成补偿接收单元和被测设备的输出节点之间的阻抗失配。在DUT包括不常见的终止阻抗(例如不同于50欧姆的值)的情况下，这可能是必需的。由于校正单元的校正因子是已知的，因此控制单元能够校正失配的值，从而获得DUT的行为。

在替选实施方式中，DUT的终止与负载匹配。

在优选实施方式中，控制单元包括校正单元，该校正单元被配置成补偿信号生成单元和被测设备的输入节点之间的阻抗失配。

优选地，控制单元被配置成通过针对每个生成的可调信号值比较所生成的信号和所检索到的信号而计算增益值和/或相位值。因此，通过扫描可调的信号频率，针对DUT的操作频率获得DUT的频率响应。因此，通过简单地从开始频率范围值到停止频率值扫描信号频率，获得经济合算的方法。

在优选实施方式中，测量设备包括显示单元，该显示单元用于显示所生成的信号和/或所检索到的信号和/或从控制单元得到的任何信号。

在优选实施方式中，显示单元被配置成显示频域中的至少一个信号。

在优选实施方式中，被测设备为有源设备，诸如可切换的衰减设备或放大器设备。在另一优选实施方式中，DUT为无源元件，诸如电感元件、电容元件或电阻元件。因此，测量设备可以用作LCR计量器，用于测量材料性质等。

可替选地，DUT为导电元件，诸如电缆，例如同轴电缆等。优选地在传输损耗和反射损耗方面分析这样的电缆。

可替选地，在特定频率范围内，在材料性质方面分析DUT。优选地，因此在频谱特征方面分析DUT，该频谱特征诸如电化学阻抗频谱。该参数可能有用于将电池特征化为优选的DUT或者将液体特征化为优选的DUT，该液体包括油、血液和生物细胞。

因此，本发明的电子测量设备允许根据其S参数分析DUT，该S参数诸如传输系数或传输损耗以及电化学阻抗，诸如作为频率的函数的电容率和电导率。

在本发明的另一方面中，一种用于操作电子测量设备的方法包括如下步骤：将所生成的信号施加至DUT的输入节点，其中，所生成的信号由测量设备的信号生成单元生成，且其中，通过测量设备的控制单元，所生成的信号至少在其信号频率方面是能够调节的。随后，在测量设备的接收单元处检索来自DUT的输出节点的输出信号。此外，通过控制单元将所检索到的信号与所生成的信号相比较以获得DUT的参数。最后，在测量设备的显示单元处显示比较结果。

在优选实施方式中，在比较步骤之前应用标准化过程，其中，该标准化过程包括如下步骤：使连接到接收单元的合适信号探针短路，该合适信号探针用于检索来自被测设备的输出节点的信号；逐步调节所生成的信号的信号值；利用短路的探针测量所检索到的信号；以及存储针对每个调节的信号值的测量值。

在更优选的实施方式中，在比较步骤之前应用测量定义过程，其中，该测量定义过程包括如下步骤：定义测量模式，诸如频率测量模式或功率测量模式。可替选地，测量模式定义单端测量模式或差分测量模式以获得DUT的CMRR。

该测量定义过程还包括设置信号生成单元的步骤。其中，实现为开始频率或停止频率和/或步宽设置预定义的值。

该测量定义过程还包括为所生成的信号设置可调值的步骤，该可调值诸如可调信号的频率值或幅度值或相位值。

在更优选的实施方式中，该测量定义过程还包括如下步骤：定义DUT的失配校正值以及定义测量带宽和均值。

在更优选的实施方式中，该操作方法的比较步骤包括如下步骤：将DUT的失配参数并入该比较；针对每个调节的信号值，从所生成的信号和所检索到的信号计算增益值；和/或针对每个调节的信号值，计算所生成的信号和所检索到的信号之间的相位值。

附图说明

在下文中，参照附图描述本发明的示例性实施方式。那些示例性实施方式不限制本发明的范围。在不同附图中的相同附图标记指示相同的元件或至少相同的功能，除非另有说明。

图1示出根据本发明的电子测量设备的第一示例性实施方式；

图2示出根据本发明的电子测量设备的第二示例性实施方式；

图3示出根据本发明的电子测量设备的第三示例性实施方式；

图4示出根据本发明的电子测量设备的第四示例性实施方式；

图5示出根据本发明的电子测量设备的第五示例性实施方式；

图6示出说明根据本发明的操作方法的流程图的示例性实施方式；

图7示出说明根据本发明的标准化过程的流程图的示例性实施方式；以及

图8示出说明根据本发明的测量定义过程的流程图的示例性实施方式。

具体实施方式

图1示出连接到DUT 1的根据本发明的电子测量设备2的第一示例性实施方式。测量设备2包括信号生成单元3，该信号生成单元3生成信号并将该信号提供到测量设备2的输出端。测量设备2还包括接收单元4，该接收单元4包括输入节点，测量探针优选地连接在该输入节点上。测量设备2还包括控制单元6和显示单元7。测量设备2的输出节点连接到DUT 1的输入节点1a。DUT 1的输出节点1b连接到测量设备2的接收单元4，优选地借助测量探针(未示出)连接到测量设备2的接收单元4。DUT 1的输出节点1b优选地通过使用具有1兆欧姆以上的阻抗值的测量探针而连接到接收单元4，从而避免对DUT 1的输出节点1b的影响。

为了分析DUT 1，信号生成单元3生成在其信号值方面可调节的信号。在DUT 1的特定参数的频率响应应当被分析的情况下，可调节的信号值可以是信号频率值。为了调节信号值，测量设备2的控制单元6包括用于扫描信号生成单元3的部件。因此，信号被施加至DUT 1的输入节点1a，该信号的信号频率在预定义的步宽(step-width)内变化，从而在DUT 1的预定义的频率范围内分析频率响应。

在操作条件期间分析DUT 1。因此，信号生成单元3将输入信号提供到DUT1，该输入信号被DUT 1处理。DUT 1的输出节点1b提供继续的信号，该信号在接收单元4处被检索到。DUT 1可以还连接到用于供给DUT 1的电压源(未示出)。相比于测量设备2的输入/输出节点，DUT 1的输入节点1a和输出节点1b包括低得多的阻抗值。因此，使用高阻抗的信号探针来检索信号不影响或改变DUT 1的行为。

通过利用控制单元6来扫描信号生成单元3，现在可以针对每个特定调节的信号值获得DUT 1的特定参数。控制单元6从接收单元4的检索到的信号计算这些特定参数并在显示单元7中显示这些参数。

因此，以此获得本发明的测量设备2，该测量设备2包括在一个共用的壳体内的所有必需的测试装置部件，尤其是信号源3、接收单元4、控制/计算单元6和显示单元7。因此，获得可用于分析DUT 1而无需另外的部件且不影响DUT信号的测量设备2。被测设备1优选地为运算放大器或无源元件，诸如电感器或电容器或电阻器。被分析的参数优选地为在频域中显示的增益、相位、CMRR和/或PSRR。

在图2中示出了本发明的测量设备2的第二示例性实施方式。为了避免不必要的重复，下文中仅更详细地描述图1和图2之间的区别。对比于图1，图2的测量设备2包括第二接收单元5。第二接收单元5优选地借助信号探针11连接到DUT 1的输入节点1a。第一接收单元4和/或第二接收单元5具有宽带宽，诸如从0Hz(DC)到例如1GHz或10GHz或甚至100GHz。另外，DUT 1在DUT 1的输出节点1b处以终止元件13终止。而且，画出了用于将接收单元4与DUT 1的输出节点1b连接的信号探针11。

相比于图1，在图2中，测量设备2也直接从DUT 1的输入节点1a获得施加至DUT 1的输入节点1a的生成的信号。因此，从用于将来自信号生成单元3的可调信号施加至DUT 1的输入节点1a的连接电缆获得的不想要的传输损耗未被进一步分析且不影响测量设备2的控制单元6中的计算结果。因此，根据图2的实施方式比图1的实施方式更准确。如图2所示，DUT 1的输出节点1b以终止元件13终止。终止元件13优选地为50欧姆的电阻器。因此，可以在正常操作条件期间评估DUT 1。

在图3中示出了本发明的测量设备2的第三示例性实施方式。相比于图2，在图3中更详细地示出了控制单元6。根据图3的控制单元6包括扫描单元9，该扫描单元9被配置成将操作命令提供给信号生成单元3，用于调节施加至DUT1的输入节点1a的可调信号值。此外，控制单元6包括计算单元10，该计算单元10从扫描单元9获得输入值，以及从接收单元4和第二接收单元5获得检索到的信号。计算单元10将检索到的来自DUT 1的信号与施加至DUT 1的信号相比较，并且优选地计算特定参数。计算单元10将计算结果提供给显示单元7。因此，在显示单元7处显示计算结果。

例如，DUT 1是运算放大器。被分析的参数可以是在DUT 1的频率范围上的增益值和相位值。因此，分析增益和相位的频率响应。因此，扫描单元9获得预定义的开始频率值、预定义的停止频率值、以及用于调节施加至DUT 1的输入节点1a的可调信号的信号频率的预定义的步宽值。

第二接收单元5从DUT 1的输入节点1a获得信号。接收单元4从DUT 1的输出节点1b检索信号。计算单元10将来自接收单元5的检索到的信号与来自接收单元4的检索到的信号相比较，从而针对每个特定调节的信号频率值获得增益值。该值然后被存储在测量设备2的存储部件中和/或被显示在显示单元7上。

在图3中还示出了DUT 1的输入节点1a和测量设备2的输出节点之间的阻抗失配。在终止元件13的终止阻抗值不同于期望终止值的情况下，阻抗失配出现。因此，需要校正的阻抗值以获得可用于分析DUT 1的评估结果。校正值通过在信号生成单元3和DUT 1的输入节点1a之间插入阻抗校正元件12来获得。由于来自校正元件12的该校正失配阻抗值是已知的，因此可以将该校正失配阻抗值用在控制单元6的校正单元8中以在计算单元10处获得失配校正值。

在图4中示出了本发明的第四示例性实施方式。DUT包括第一输入节点1a和第二输入节点1a’，其中，由信号生成单元3和信号生成单元3’生成的信号被施加至第一输入节点1a和第二输入节点1a’。控制单元6包括将命令提供给信号生成单元3的扫描单元9。测量设备2能够输出两个独立信号生成的信号，这两个信号的相位差为180度。因此，在DUT 1的输入节点1a和输入节点1a’处，施加差分信号。在测量设备2处，在接收单元5处使用差分信号探针11a可以检索到该差分信号。DUT 1的输出节点1b也提供在接收单元4处借助单端信号探针11检索到的输出信号。使用图4的布置，可以测量在测试规范内分类运算放大器所需的共模抑制比。

在图5中示出了本发明的第五示例性实施方式。在下文中，仅阐述根据图4的实施方式与根据图5的实施方式之间的结构差别以避免不必要的重复。DUT 1也包括第一输出节点1b和第二输出节点1b’，可以在第一输出节点1b和第二输出节点1b’上得到DUT 1的差分输出信号。输出节点1b、输出节点1b’由终止元件13终止。在测量设备2处，在接收单元4处使用第二差分信号探针11a可以检索到DUT 1的该差分输出信号。使用图5的布置，可以测量在测试规范内分类运算放大器所需的共模抑制比。

现在参照图6，在示意图中示出了操作方法的示例性实施方式。其中，根据第一步骤S1，需要逐步调节信号值。该信号值尤其是频率值，但替选地，可以是幅度值或相位值。根据步骤S2，将该调节的信号值施加至DUT 1的输入节点1a。在步骤S3中，在接收单元4处检索来自DUT 1的输出节点1b的合适输出信号。根据步骤S4，在控制单元6中处理施加的信号与检索到的信号的比较。根据步骤S5，测试调节的信号值是否等于预定义的端值。例如，如果预定义100兆赫的停止频率且逐步调节的信号值等于100兆赫，则根据步骤S5，端值等于信号值，并且在显示单元7处显示结果，参见步骤S6。在端值不等于逐步调节的信号值的情况下，根据预定义的步宽增大信号值，以及重复步骤S2、步骤S3和步骤S4。每当信号值不等于预定义的端值时，重复步骤S1至步骤S5。在操作方法的步骤S6中，在测量设备2的显示单元7上显示根据步骤S4的比较结果。

现在参照图7，示出了在图6的比较步骤S4之前的标准化过程的示例性实施方式。因此，在步骤S7中，使连接到各个接收单元4、5的所有的信号探针11、11a短路。在步骤S8中，再次进行逐步调节信号值。在步骤S9中，测量在接收单元4、接收单元5处检索到的信号。根据步骤S10，存储那些测量值。在调节的信号值不等于端值的情况下，参见步骤S11，只要端值不等于调节的信号值，则重复步骤S8至步骤S11。在达到预定义的端值的情况下，标准化过程完成。在每个计算过程中使用这些存储的测量值来使测量设备2标准化。因此，测量设备2的内部错误无法影响比较结果。

根据图8，示出了在根据图6的比较步骤S4之前的测量定义过程的示例性实施方式。其中，在步骤S12中，定义测量模式。测量模式例如为单端测量模式或差分测量模式。可替选地，测量模式定义需要调节的特定信号值，诸如信号频率、信号幅度或信号相位。

根据步骤S13，设置信号生成单元。尤其地，预定义特定信号值的开始值和停止值，以及调整特有的步宽。例如，设置1赫兹的预定义的开始频率值。例如，设置100兆赫的预定义的停止频率值。例如，设置10毫赫的预定义的步宽，其中不将其它值排除在发明构思以外。

根据步骤S14，设置可调信号值。可选地，在步骤S15中，定义失配校正值，在实现DUT 1与测量设备2之间的阻抗失配的情况下需要使用该失配校正值。在步骤S16中，预定义有用于显示单元7的测量带宽和均值。

本发明的测量设备包括信号生成单元3，该信号生成单元3可以是任意波形发生器。任意波形发生器在其信号波形、其信号频率、其信号幅度、其信号相位和其它信号参数方面是可调节的。

优选地，显示单元7能够用伯德(bode)图显示所获得的值。

利用该方法，实现了像LCR计量器的应用或阻抗频谱应用。例如，应用电化学阻抗频谱法来分析电池。例如，应用电化学阻抗频谱法来分析液体，例如机油、血液物质等。

评估的DUT 1优选地为放大器，诸如在预定义的频率范围(诸如DC到几百兆赫)内获得增益值和相位值的运算放大器。可替选地，DUT为无源元件，如过滤元件或电缆或电感元件、电容元件或电阻元件。可替选地，DUT 1为开关模式的电源(缩写为SMPS)，其中被分析的值为PSRR值。可替选地，DUT 1为振荡器，其中使用伯德图来分类该振荡器。

本文中所描述、示出和/或要求保护的所有实施方式的所有特征可以彼此组合。

尽管上文已描述了本发明的各个实施方式，但应当理解，这些实施方式仅以示例而非限制的方式被呈现。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以根据本文中的公开内容对所公开的实施方式进行改变。因此，本发明的宽广程度和范围不应当受上述任何实施方式限制。而是，本发明的范围应当根据所附权利要求及其等同物来限定。

尽管已经相对于一个或多个实现说明了本发明，但是对于阅读和理解本说明书和附图的本领域技术人员而言，等效的变更或修改将发生。此外，尽管已经相对于多个实现中的仅一个实现公开了本发明的特定特征，但是，如任何给定或特定应用所期望的或对该应用有利的，可以将这类特征与其它实现的一个或多个其它特征组合。