專利名稱：具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及從被測設(shè)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(shè)備的負載的信號采集系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
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(luò)12 (在圖1 中示為&和Ct)組成，該電阻-電容并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)12經(jīng)由電阻中心導(dǎo)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(luò)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(guān)輸入衰減電路(未示 出)相關(guān)聯(lián)。開關(guān)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(zhǔn)以提 供從示波器的輸入到前置放大器的輸出的標(biāo)稱平坦的頻率響應(yīng)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(biāo)稱平坦的頻率響應(yīng)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(luò)。為了適應(yīng)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(luò)。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(luò)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(luò)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(luò)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(qū)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。現(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(dǎo)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(dāng)一部分被端接電容器C。分路到地。另外，由于電阻中心導(dǎo) 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(dāng)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(dǎo)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(shè)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(luò)的其他部件值以維持補償?shù)木W(wǎng)絡(luò)。 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(luò)的分壓比，結(jié)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(dǎo)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(luò)。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(dǎo)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(luò)檢測來自被測設(shè)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(luò)。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(luò)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(luò)中創(chuàng)建的零點和極點由補償網(wǎng)絡(luò)中的極點和零點對消。補償網(wǎng)絡(luò)的 輸出耦合到終端用戶設(shè)備，諸如示波器等等。該教導(dǎo)聲明兩個RC網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(dǎo)體信號電纜的探針針尖電路。電阻中心導(dǎo)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)具有帶有提供可調(diào)節(jié)增益的反饋環(huán)電路的輸入放大器和提供零極點對的補 償數(shù)字濾波器以用于在信號采集系統(tǒng)頻率帶寬上保持平坦性。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(shè)定相應(yīng)電阻和電容元件的電阻值和 電容值的多個寄存器。補償數(shù)字濾波器具有多個濾波器接頭(tap)，其中濾波器接頭的值是 可變的。信號處理儀器的輸入電路優(yōu)選地是提供電阻中心導(dǎo)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(guān)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(luò)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。一種用于具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)波形和校準(zhǔn)波形之間的測 量誤差值。根據(jù)在共同位置的測量誤差值來確定具有寄存器值和濾波器接頭值中的至少一 個的測量誤差因子。把測量誤差因子的寄存器值和/或濾波器接頭值應(yīng)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(dāng)反饋環(huán)寄存器和補償數(shù)字濾波器的多個濾波器接頭 的濾波器接頭中的至少一個。然后針對校準(zhǔn)波形和校準(zhǔn)參考波形的每個共同位置確定測量 誤差值和測量誤差因子?？商鎿Q地，在由時間位置和頻率位置中的至少一個設(shè)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(zhǔn)波形和校準(zhǔn)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(zhǔn)波形和校準(zhǔn)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(zhǔn)波形。將新的校準(zhǔn)波形與校 準(zhǔn)規(guī)范進行比較以核實該校準(zhǔn)。如果該校準(zhǔn)在校準(zhǔn)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和補償數(shù)字濾波器中的多個濾波器接頭的濾波器接頭并 且顯示校準(zhǔn)過程的成功結(jié)果。如果校準(zhǔn)波形不在校準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)，則確定校準(zhǔn)過程是否已經(jīng)超 過迭代時間(iteration time)限制值。如果校準(zhǔn)過程沒有超過迭代時間限制值，則波形上 的共同位置被設(shè)定為初始位置。然后針對校準(zhǔn)波形和校準(zhǔn)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并且把測量誤差因子的寄存器值和 濾波器接頭值中的至少一個應(yīng)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(dāng)反 饋環(huán)寄存器和補償數(shù)字濾波器的多個濾波器接頭的濾波器接頭中的至少一個。在已經(jīng)針對 校準(zhǔn)波形和校準(zhǔn)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(zhǔn)波形。將新的校準(zhǔn)波形與校準(zhǔn)規(guī)范進行比較以核實 該校準(zhǔn)。如果新的校準(zhǔn)波形仍然不在校準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)并且校準(zhǔn)過程已超時，則存儲在校準(zhǔn)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和補償數(shù)字濾波器的初始接頭 值，并且顯示校準(zhǔn)過程的未成功結(jié)果。采集寬頻內(nèi)容信號的數(shù)字值作為校準(zhǔn)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(zhǔn)常數(shù)的存在，并且把探針校準(zhǔn)常數(shù)應(yīng)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(dāng)寄存器值和補償數(shù)字濾波器的多個濾波器接頭的適當(dāng) 濾波器接頭。如果信號采集探針沒有探針存儲器，則標(biāo)稱寄存器值被應(yīng)用于輸入放大器的 反饋環(huán)電路中的多個寄存器并且標(biāo)稱濾波器接頭值被應(yīng)用于補償數(shù)字濾波器的多個濾波 器接頭?？梢酝ㄟ^使用快速傅里葉變換把寬頻內(nèi)容信號校準(zhǔn)波形的數(shù)字值轉(zhuǎn)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(zhǔn)波形的頻域表示和校準(zhǔn)波形的頻域表示之間的測量誤差值，在頻域中實施校準(zhǔn)過程。當(dāng) 結(jié)合所附權(quán)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(biāo)、優(yōu)點和 新穎特征。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)無源探針的代表性示意圖。圖2是另一個現(xiàn)有技術(shù)探針電路的代表性示意圖。圖3是另外的現(xiàn)有技術(shù)探針電路的代表性示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)的框圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)中的信號處理儀器的 代表性框圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)的代表性示意圖。圖7表示用于描述根據(jù)本發(fā)明的具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)的補償數(shù) 字濾波器的功能的模擬電路。圖8示出具有和沒有反饋交叉(crossover)補償?shù)?、具有補償數(shù)字濾波器的信號 采集系統(tǒng)的代表性頻率響應(yīng)。圖9A和9B示出用于校準(zhǔn)本發(fā)明的具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)過 程流程圖。圖10是本發(fā)明的具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)中的衰減器電路的代表性 示意圖。圖11是本發(fā)明的具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)中的高電壓信號采集探針 的示意圖。
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(shè)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(dǎo)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?？刂破?2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(shè)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(yīng)而對信號路徑的每級進 行補償。對示波器進行校準(zhǔn)以提供標(biāo)稱平坦的頻率響應(yīng)。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(zhǔn)探針以產(chǎn)生相對于示波器輸入的標(biāo)稱平坦的頻率響 應(yīng)。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(yīng)。在本發(fā)明中，信號采集探針52在被測設(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)平坦化的零極點對。下面將關(guān)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)明的具有數(shù)字濾波器補償?shù)男盘柌杉到y(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(shè)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(yīng)的信 號通道采集電路115、120。相應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)的適合于供控制器125或處理電路130 使用的采樣流。響應(yīng)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；補償數(shù)字濾波器接頭值、觸發(fā)條件，抽取器函數(shù)以及其他采集相關(guān)參數(shù)。采集電路115、 120把其相應(yīng)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(lǐng)域的技術(shù)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(yīng)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(guān)聯(lián)的相應(yīng)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(guān)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(yīng)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)。控制器125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(shè)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(yù)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。控制器125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(shè)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(yīng)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(zhǔn)功能或者適配顯示設(shè)備135、邏輯分析或其他數(shù)據(jù)采集設(shè)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(shè)備(諸如磁盤驅(qū)動器或磁帶介質(zhì)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。而且，系統(tǒng)總 線優(yōu)選地連接各個電路115、120、122、124、130、150和存儲器155到處理器140。圖6是根據(jù)本發(fā)明的具有數(shù)字濾波器補償?shù)男盘柌杉到y(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(biāo)記。信號采集系統(tǒng)200具有信號采集探針105，該信 號采集探針105具有包含探針針尖電路208的探測頭206、電阻中心導(dǎo)體信號電纜202和 電阻元件216。探針針尖電路208具有與電容元件212并聯(lián)耦合的電阻元件210，電容元件 212與電阻元件214串聯(lián)。電容元件212的電容在2-5皮法(pf)的范圍內(nèi)以給被測設(shè)備提 供低輸入電容。探針針尖電路208耦合到電阻中心導(dǎo)體信號電纜202的一端。電阻中心導(dǎo) 體信號電纜202的另一端經(jīng)由電阻元件216耦合到信號采集電路115、120之一的BNC輸入 節(jié)點204。電阻中心導(dǎo)體信號電纜202優(yōu)選地是具有電阻為39Q/ft的同軸電纜。電阻中 心導(dǎo)體信號電纜202具有由電容器215示出的對地電容。BNC輸入節(jié)點204耦合到開關(guān)電 路220，該開關(guān)電路220進而提供信號采集探針105到輸入電路224的耦合。電阻元件216 與輸入電路224(代表性地被示為由電阻元件2 與電容元件2 并聯(lián)組成的衰減電路) 中的電阻元件230結(jié)合，使電阻中心導(dǎo)體信號電纜202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(dǎo)體信號電纜202的端接電容為大約40pf并且端接電阻為大約 150 Ω。另外，1.2米電阻中心導(dǎo)體信號電纜202碰巧具有大約40pf的對地電容。電阻中 心導(dǎo)體信號電纜202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230具有50 Ω的電阻值。電阻元件230物理上盡可能 地靠近用作電流放大器的輸入放大器232的輸入，以減小BNC輸入節(jié)點204和輸入放大器 232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(shè)為被設(shè)計成50 Ω的 特性阻抗以便由電阻元件230正確地端接。輸入電路224也使電阻中心導(dǎo)體信號電纜202 以其特性電容阻抗端接。開關(guān)電路220具有用于經(jīng)由輸入電路2 把信號采集探針105選擇性耦合到補償 系統(tǒng)225或者在探針針尖電路208和輸入電路2M之間耦合由電阻元件236與電容元件 238并聯(lián)組成的附加電阻器-電容器衰減器網(wǎng)絡(luò)234的開關(guān)元件222。電阻-電容衰減器 網(wǎng)絡(luò)234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(guān)元 件222優(yōu)選地是從控制器125接收開關(guān)命令的繼電器開關(guān)。信號采集探針105優(yōu)選地具有包含關(guān)于探針的信息(諸如探針類型、序列號等等) 的存儲器對8，并且也可以包含探針校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。探針存儲器248優(yōu)選地是由Sunnyvale，CA 的Maxim Integrated Products公司在部件號DSM31下制造和銷售的一線EEPR0M。探針 存儲器248經(jīng)由一線通信/電源線250耦合到控制器125?？商鎿Q地，探針存儲器248可經(jīng)由諸如1 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(dǎo)體信號電纜202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(dǎo)體信號電纜202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(shù)的電阻中心導(dǎo)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(dāng)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(shù)的電阻中心導(dǎo)體信號電 纜被端接在探針的補償盒中，這導(dǎo)致充當(dāng)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224中的電阻和電容端接與電阻 中心導(dǎo)體信號電纜202和輸入放大器232的輸入串聯(lián)，導(dǎo)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(dǎo)體信號 電纜202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204到輸入放大器232的信號路徑的電阻元件230結(jié)合該信號路徑的寄 生電感和電容實質(zhì)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(jié)果是在 電阻中心導(dǎo)體信號電纜202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232并且由于在BNC輸入節(jié)點204和輸入放大器232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(dǎo)體信號電纜202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(dǎo)體信號電纜202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(dǎo)體信號電纜202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(dǎo)體信號電纜202碰巧具有大約40pf的對地電容。電阻中心導(dǎo)體信號電纜202 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208中的電阻元件 214具有9. 75ΜΩ的值并且電容元件212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(dǎo)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(shè)備的電容負載，導(dǎo)致更寬的探針帶寬。使用上面值的探針針尖電路208的時間常數(shù) 是33. 15微秒。橫跨BNC輸入節(jié)點204的時間常數(shù)應(yīng)當(dāng)匹配探針針尖電路208的時間常 數(shù)。對輸入電路2M中的電容元件2 施加限制，因為其電容應(yīng)當(dāng)匹配電阻中心導(dǎo)體信號電 纜202的端接電容。因此，電容元件228的電容是40pf。電阻中心導(dǎo)體信號電纜202的對 地電容是40pf，其需要添加到端接電容。在BNC輸入節(jié)點204處所得到的電容是SOpf。探 針針尖電路208時間常數(shù)除以電阻中心導(dǎo)體信號電纜202的對地電容和端接電容的總和電 容值的80pf值，應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生輸入電路224的電阻元件226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(qū)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2 和238的有效電容的 最優(yōu)值優(yōu)選地在10和12pf之間。電容元件2 的值被設(shè)定為40pf以匹配電阻中心導(dǎo)體信 號電纜202的電容。電容元件238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2 與電容元件238的比是3 1，要求電阻元件2 與電阻元件236的1 3的 比。電阻元件2 和232的值需要總計達1ΜΩ以用于后向兼容性，導(dǎo)致電阻元件2 具有 250kΩ的值并且電阻元件236具有750kΩ的值。輸入電路2 和電阻-電容衰減器網(wǎng)絡(luò)234的所得到的時間常數(shù)是10微秒。對于設(shè)定為10微秒的輸入電路2M的時間常數(shù)，橫跨 BNC輸入節(jié)點204的時間常數(shù)標(biāo)稱為20微秒(80pfX250kQ)并且探針針尖電路208的時 間常數(shù)是33. 15微秒。補償數(shù)字濾波器256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)225具有用作電流放大器的輸入放大器232，其中其反相輸入經(jīng)由端接 電阻器230耦合到衰減電路2M而非反相輸入耦合到地。輸入放大器232具有反饋環(huán)電 路M0，該反饋環(huán)電路240包括與合起來控制頻帶內(nèi)的總體模擬增益的、串聯(lián)耦合的電容元 件246和電阻元件244并聯(lián)的電阻元件M2。輸入放大器232的輸出耦合到跟蹤保持電路 252。跟蹤保持電路252跟蹤來自輸入放大器232的輸出信號并且響應(yīng)于采樣時鐘122而 保持輸出信號的采樣。響應(yīng)于由延遲255提供的延遲采樣時鐘，在跟蹤保持電路252上保 持的采樣被模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)2M數(shù)字化。輸出信號的數(shù)字化采樣被耦合到補償電路255 的補償數(shù)字濾波器256，其對輸出信號的數(shù)字化采樣進行濾波。補償數(shù)字濾波器256補償信 號采集系統(tǒng)200中的失配時間常數(shù)以提供在信號采集系統(tǒng)頻率帶寬上的平坦頻率響應(yīng)?？?制器125經(jīng)由用于加載可調(diào)節(jié)電阻和電容元件的寄存器值的四線串行外圍接口總線257與 反饋環(huán)電路240通信。系統(tǒng)總線258把A/D 254、數(shù)字濾波器256、存儲器155和其他示波 器100電路115、122、124、130、150連接到控制器125。將針對圖7所示的類似模擬信號采集系統(tǒng)270結(jié)合圖8所示的具有和沒有交叉補 償?shù)念愃颇M信號采集系統(tǒng)270的代表性頻率響應(yīng)來描述補償數(shù)字濾波器256的功能性。 具有補償數(shù)字濾波器200的信號采集系統(tǒng)的探針針尖電路208中的電容元件212的電容被 減小，這提高了高頻輸入阻抗。探針針尖電路208中的減小電容導(dǎo)致橫跨輸入節(jié)點204與結(jié) 合輸入電路224的電阻中心導(dǎo)體信號電纜202的對地電容電容器215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(yīng)而補償信號路徑的每一級的傳統(tǒng)探針-示 波器結(jié)構(gòu)。失配的時間常數(shù)產(chǎn)生圖8所示的在SKHz附近的峰值沈4。頻率響應(yīng)沈2中在 60MHz附近的低谷266與由端接元件、電阻元件216和230以及電容元件2 產(chǎn)生的、電阻 中心導(dǎo)體信號電纜202中的往返反射有關(guān)，僅僅是電阻中心導(dǎo)體信號電纜202的復(fù)阻抗的 近似。補償數(shù)字濾波器256給峰值264和低谷266提供交叉補償。類似模擬信號采集系統(tǒng)270中的補償系統(tǒng)225的輸入放大器232具有反饋環(huán)電路 M0，該反饋環(huán)電路240包括可調(diào)節(jié)反饋電阻器M2、可調(diào)節(jié)電阻和電容元件、以及可調(diào)節(jié)增 益元件。圖6中的同樣元件在圖7中被相同地標(biāo)記?？烧{(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M2的反饋環(huán)設(shè)定DC和低頻增益。 調(diào)節(jié)由電阻元件272和電容元件274以及電阻元件276和電容元件278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274和278的總電容設(shè)定中頻帶增益并且電阻元件 272和276的并聯(lián)電導(dǎo)設(shè)定高頻增益。由元件272和274的極點和零點對形成的時間常數(shù) 可以與由元件276和278的極點和零點對形成的時間常數(shù)無關(guān)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M4、電容元件246和以具有增益“K”的可變增益放大器280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257與反饋環(huán)電路240通信。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232的 反饋環(huán)電路240中通過改變可調(diào)節(jié)電阻元件M4、可調(diào)節(jié)電容元件246和可變增益放大器 280的增益“K”中的任何兩個的寄存器值來校正8KHz峰值沈4。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214的電容造成，并且通過改變電容元 件274和278與電阻元件272和276的寄存器值以形成分開的極點和零點對來校正。電容 元件274和278的總電容設(shè)定中頻帶增益(IOKHz到IOMHz)并且電阻元件272和276的并 聯(lián)電導(dǎo)設(shè)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(yīng)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(shè)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'^ζ'Αζ'ΤζΛ (方程 1)
V TAp■ Cp其中Cz表示校正零點(C246 ‘ R244 · j^+l)Az表示衰減器零點(C228 · R226 · j-ω+Ι)Tz表示針尖零點(C212 · R210 · jco+l)Cp表示校正極點
Γ f (c274 + C278) ■ R242. jw + C246 . Rm . jw + C246. K · Rin ■ jw,
UQ74 + ) . Q46 .及242 · ^244 . \JW) + 1jIAp(R22B+R2IO+C2I5 · R226 · R2IO · J ω +C228 · R226 · R2IO · JW+C212 · R226 · R2IO * J ω) ^^ 針尖/衰減器極點這個三階系統(tǒng)具有通過調(diào)節(jié)反饋環(huán)電路MO內(nèi)的那些部件而使所有三個極點與 所有三個零點對齊(line up with)的足夠自由度，因而允許在輸入節(jié)點214的任一側(cè)上 的時間常數(shù)的任意失配。&44、C246或“1(”的部件值如果它們之一被設(shè)定則可以被求解。對 于大多數(shù)實際值，把在零極點圖的實軸上校正零點“Cz”的位置設(shè)定為等于針尖/衰減器極 點“TAp”的位置在設(shè)定C246的情況下產(chǎn)生Ii244的值或者在設(shè)定I^244的情況下產(chǎn)生C246的值。 對校正極點“C/’方程因子分解(factor)并且把兩個極點中的較小者設(shè)定為等于針尖零點 "Tz"根據(jù)求解的Ii244和C246值而產(chǎn)生“K”的值?？商鎿Q地，使用等于衰減器零點“Az”的較 高求解極點來對校正極點“C/’方程因子分解就產(chǎn)生“K”的值。中頻帶AC到高頻AC的傳遞函數(shù)由下面的方程2示出Η{]ω) = 4-^—)(方程 2~)其中A等于
權(quán)利要求
1.一種具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(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(dǎo)體信號電纜；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(dǎo)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)；并且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) 具有帶有反饋環(huán)電路的輸入放大器和提供零極點對的補償數(shù)字濾波器以用于在信號采集 系統(tǒng)頻率帶寬上保持平坦性。
2.如權(quán)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(dǎo) 體信號電纜的電阻和電容端接中的至少一個。
3.如權(quán)利要求1所述的具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)，其中反饋環(huán)電流耦合在 輸入放大器的輸入和輸出之間。
4.如權(quán)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(quán)利要求1所述的具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)，其中輸入放大器包括電 流放大器。
6.如權(quán)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(quán)利要求6所述的具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)，其中輸入放大器的反饋 環(huán)電路還包括用于設(shè)定反饋環(huán)電路中的相應(yīng)電阻和電容元件的電阻值和電容值的多個寄存器。
8.如權(quán)利要求1所述的具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)，其中補償數(shù)字濾波器還 包括多個濾波器接頭，其中濾波器接頭的值是變化的。
9.如權(quán)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器電路。
10.如權(quán)利要求9所述的具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)，還包括布置在信號處 理儀器中的開關(guān)電路，用于經(jīng)由衰減器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。
11.如權(quán)利要求1所述的具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(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。
12.如權(quán)利要求11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。
13.一種用于具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)過程，其中采集系統(tǒng)具有經(jīng) 由信號電纜而耦合到信號處理儀器的信號采集探針，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(zhǔn)波形；b)在由時間位置和頻率位置中的至少一個設(shè)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(zhǔn)波形和校準(zhǔn)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具有寄存器值和濾波器接頭 值中的至少一個的測量誤差因子；d)把測量誤差因子應(yīng)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(dāng)寄存器 的相應(yīng)寄存器值和補償數(shù)字濾波器中的多個接頭中的濾波器接頭值中的至少一個；e)針對波形上的附加共同位置，重復(fù)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(zhǔn)波形；g)將校準(zhǔn)規(guī)范與在步驟f)中采集的校準(zhǔn)波形進行比較以核實校準(zhǔn)波形在校準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)；h)對于在校準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)的校準(zhǔn)波形，存儲在補償數(shù)字濾波器的濾波器接頭和輸入放大器 的反饋環(huán)電路中的至少一個中的多個寄存器中加載的寄存器值；以及i)顯示校準(zhǔn)過程的成功結(jié)果。
14.如權(quán)利要求13所述的用于具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)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(shè)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(zhǔn)波形和校準(zhǔn)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具有寄存器值和濾波器接頭 值中的至少一個的測量誤差因子。
15.如權(quán)利要求13所述的用于具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)過程，其中 核實步驟還包括以下步驟a)確定校準(zhǔn)過程是否已經(jīng)超過迭代時間限制值；b)當(dāng)校準(zhǔn)過程沒有超過迭代時間限制值時，把波形上的共同位置設(shè)定為初始位置；以及c)對于波形上的共同位置，重復(fù)權(quán)利要求13的步驟e)。
16.如權(quán)利要求15所述的用于具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)過程，其中 核實步驟還包括以下步驟a)確定校準(zhǔn)過程是否超過迭代時間限制值；b)當(dāng)校準(zhǔn)過程超過迭代時間限制值時，存儲在開始校準(zhǔn)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和補償數(shù)字濾波器的初始濾波器接頭值；以及b)顯示校準(zhǔn)過程的未成功結(jié)果。
17.如權(quán)利要求13所述的用于具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)過程，其中 權(quán)利要求13的步驟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(dāng)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(zhǔn)常數(shù)；e)把探針校準(zhǔn)常數(shù)應(yīng)用于補償數(shù)字濾波器中的多個接頭中的適當(dāng)濾波器接頭值和輸 入放大器的反饋環(huán)電路中的至少一個中的多個寄存器中的適當(dāng)寄存器值；以及f)當(dāng)探針存儲器不存在時，把信號采集探針標(biāo)識為沒有探針存儲器。
18.如權(quán)利要求13所述的用于具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)過程，其中權(quán)利要求13中的步驟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(zhǔn)波形的數(shù)字值轉(zhuǎn)換成頻域表示；以及b)在由頻率間隔設(shè)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(zhǔn)波形的頻域表示和校準(zhǔn)波形的頻域表示之間的測量誤差值。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有補償數(shù)字濾波器的信號采集系統(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(dǎo)體信號電纜的探針針尖電路。電阻中心導(dǎo)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)具有帶有反饋環(huán)電路的輸入放大器和提供零極點對的補償數(shù)字濾波器以用于在信號采集系統(tǒng)頻率帶寬上保持平坦性。
文檔編號G01R13/02GK102095904SQ201010501769
公開日2011年6月15日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)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