CN107957515A

CN107957515A - 通过波形监视的阻抗测量

Info

Publication number: CN107957515A
Application number: CN201610900376.7A
Authority: CN
Inventors: 范志广
Original assignee: Bitec GbR
Current assignee: Bitec GbR; Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2018-04-24
Also published as: JP2018063254A; EP3309562A1; US10509064B2; US20180106842A1

Abstract

本发明的实施例提供了一种根据波形发生器的输出信号的波形监视来确定所连接的被测设备(DUT)的输入阻抗的能力。使用本发明的实施例，DUT的输入阻抗由波形监视的结果确定。DUT的阻抗信息以及提供给DUT的实际波形一起使根据本发明实施例的***能够表征电路行为，以用于DUT性能优化与问题调试解决。

Description

通过波形监视的阻抗测量

技术领域

本公开涉及用于电气阻抗测量的***及方法，具体而言，涉及使用波形监视技术的测量电气阻抗的***及方法。

背景技术

任意波形与函数发生器(AFG)设备广泛用于生成连续/突发用户定义/数学函数波形信号，其被用于电路设计和测试。AFG在其工作频率范围内一般具有50欧姆的输出阻抗。众所周知，被测设备(Device Under Test，DUT)的输入阻抗会影响AFG生成的输出信号。在较宽的频率范围内测量DUT的阻抗一般需要矢量网络分析仪(VNA)。然而VNA不提供应用于DUT的波形信号信息，在时间域中进行全面分析时通常需要该信息。因此，在监视AFG的波形时测量DUT的阻抗仍然无法实现。

本发明的实施例解决了现有技术中的上述以及其他问题。

发明内容

本申请提供了一种确定网络中的被测设备的电气输入阻抗的方法，所述网络包括：波形发生器，其被构造为在所述波形发生器的输出处提供测试波形的波形信息；波形监视器，其具有与所述波形发生器的输出耦接的输入，所述方法包括：将所述波形发生器的输出耦接至负载，所述负载匹配电缆；在一个或多个频率下测量所述测试波形的电压；将所述波形发生器的输出耦接至开路负载；在相同的所述一个或多个频率下测量所述测试波形的电压；将所述波形发生器的输出通过所述电缆耦接至所述被测设备；在相同的所述一个或多个频率下测量所述测试波形的电压；以及根据测得的数值确定所述被测设备的输入阻抗。

在一些实施例中，所述方法还包括：利用使用匹配电缆的负载(matching cableload)时测得的所述测试波形的测量数值以及利用使用所述开路负载时测得的所述测试波形的测量数值确定测量结果的复数比率ko。

在一些实施例中，所述方法还包括：利用使用匹配电缆的负载时测得的所述测试波形的测量数值以及利用当所述波形发生器被耦接至所述被测设备时测得的所述测试波形的测量数值确定测量结果的复数比率k_l。

在一些实施例中，所述方法还包括：根据所述k_o和k_l的数值确定所述被测设备的输入阻抗。

在一些实施例中，确定所述被测设备的输入阻抗的步骤包括：对于被测频率f中的至少一个频率，求解等式：

在一些实施例中，所述测试波形是正弦波。

在一些实施例中，所述测试波形是脉冲。

本申请还提供了一种用于确定被测设备的电气输入阻抗的波形监视器，所述波形监视器与波形发生器的输出耦接，并且具有输入，所述输入用于接收由所述波形发生器产生的测试波形的信息，所述波形监视器包括：第一测量装置，用于在所述波形发生器的输出被耦接至负载时，在一个或多个频率下测量所述测试波形的电压，其中所述负载匹配电缆；第二测量装置，用于在所述波形发生器的输出被耦接至开路负载时，在所述一个或多个频率下测量所述测试波形的电压；第三测量装置，用于在所述波形发生器的输出被通过所述电缆耦接至所述被测设备时，在所述一个或多个频率下测量所述测试波形的电压；以及处理器，其被构造为用于根据所述第一测量装置、所述第二测量装置和所述第三测量装置测得的电压确定所述被测设备的电气输入阻抗。

在一些实施例中，所述处理器被构造为用于利用所述第一测量装置与所述第二测量装置测得的电压，确定测量结果的复数比率k_o。

在一些实施例中，所述处理器被构造为用于利用所述第一测量装置与所述第三测量装置的测得的电压，确定测量结果的复数比率k_l。

在一些实施例中，所述处理器被构造为用于根据所述k_o和k_l的数值确定所述被测设备的电气输入阻抗。

在一些实施例中，所述处理器被构造为用于通过求解等式：

确定所述被测设备的输入阻抗。

在一些实施例中，所述测试波形是正弦波。

在一些实施例中，所述测试波形是脉冲。

附图说明

图1是描述了根据本发明一个实施例的一种具有波形监视的任意波形与函数发生器的框图；

图2是描述了用于本发明的实施例的多个用于确定阻抗的示例性测量的框图；

图3是描述了用于本发明的实施例的示例性操作的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例包括使用电缆去嵌入(cable de-embedding)功能来对被测设备(DUT)上的有效信号进行实时波形监视的技术。实施例还允许用户确定DUT的输入阻抗以表征(characterize)电路行为，从而用于性能优化与问题解决。如下所述，通过使用本发明的实施例，可以用单个AFG设备实现波形监视与阻抗测量两项功能。

图1是根据本发明的实施例的包括了AFG的测试***的框图。任意波形与函数发生器(AFG)100产生定制和标准的波形信号，它们在设计与测试电路与设备时是有用的。尽管本发明实施例的描述参考了AFG，但是可以使用任何种类的生成波形的设备。总的来说，AFG100在信号放大器180的输出处生成输出信号182。所需的特定输出信号由用户选择。一经选定，时间/相位-地址映射器(Time/Phase to address mapper)120生成地址,以在波形存储器140中储存所需信号的中间形式。地址映射器120包括来自***时钟110的输入，并且生成将要被输入到波形存储器140中的地址数据和时钟数据。例如高速数模转换器(DAC)的转换器160将来自波形存储器140的数字信号转换为模拟信号。例如波形重构滤波器的滤波器170在模拟信号被传输到信号放大器180以输出为输出信号182之前，对模拟信号进行滤波。

AFG 100的输出信号182可以被传输至被测设备(DUT)。有益地，通过用例如图1所示波形分析器200的波形分析器来分析输出信号182，可以确定耦接至输出信号182的DUT的输入阻抗。

图1中所示的波形分析器200包括接收输入信号的放大器210。在此情况下，波形分析器200的输入信号是AFG 100的输出信号182。AFG 100的输出信号182还被耦接到DUT。在被提供给ADC 230前，波形分析器200的输入信号被传输通过抗混叠滤波器220，ADC230将模拟信号转换为数字信号，包括时钟以及数据信号。这些数据与时钟信号被传给波形获取控制器240。提供给波形获取控制器240的还有触发信号，其由耦接在AFG 100与波形分析器200之间的同步器190产生。波形获取控制器240被耦接至波形获取存储器250。在被发送给显示器(没有单独描述)之前，波形可以被去嵌入(de-embedded)并被提供给去嵌入器260。显示器向用户可视地展示了去嵌入的波形。

本发明的实施例能够通过分析提供给DUT的波形来测量耦接至AFG 100的输出182的DUT的输入阻抗。

图2是描述了本发明的实施例中使用的用来确定阻抗的多种示例性测量的框图。图3是一个示例性流程图300，其描述了基于波形监视确定DUT的输入阻抗的示例性步骤。现在结合图2和图3阐述本发明的实施例。测量DUT的输入阻抗中的第一进程302是测量AFG100的输出180处的信号的电压。这有时被称为尼尔-康塞曼卡口(BayonetNeill-Concelman,BNC)输出，因为AFG 100通常通过BNC连接头连接到DUT。

具体而言，在一个实施例中，当AFG 100通过耦接至BNC输出的电缆生成频率为f的正弦信号时，第一进程302测量输出180处的电压，其中该BNC输出耦接到匹配负载，也即与电缆特征阻抗相等的负载，并且通过同步采集生成AFG 100的名义输出Vmea_nom的复数测量结果。也就是说，Vmea_nom可以被用复数形式表示为：

等式1：

这里，同步触发信号被用作基准相位。

接着，在用同轴电缆终端连接开路负载时，进程304通过同步采集测量频率为f的正弦信号在输出180处的电压。也就是说，信号完全被负载完全反射(fully reflected)，并且在操作306中计算测量结果(V_{mea_open})与名义输出(V_{mea_nom})之间的复数比率k_o：

等式2：

这里，α是未知的衰减系数，β是未知的波形数(waveform number)，l是未知的同轴电缆的长度。

在不同频率下重复操作302、304以及306，以按照指定的频率步长Δf扫描整个频率范围，并且表征同轴电缆的k_o，其一般是随频率变化的。图3将其示为在操作308中确定是否已扫描了整个频率范围。如果AFG 100的全部频率谱未被扫描完，在操作310中改变频率，并且使用新频率重复操作302、304和306。如上所述，在操作310中频率以频率步长Δf变化。

接着，AFG 100被连接到DUT，当同轴电缆的终端连接DUT时，操作312测量频率为f的正弦信号在AFG 100的输出180处的电压。接着，根据以下的等式，操作314计算测量结果(V_{mea_load})与AFG 100通过同步采集生成的名义输出(V_{mea_nom})之间的复数比率k_l：

等式3:

这里，Z_DUT是未知的DUT的输入阻抗。

在不同的频率下重复操作312和314，以按照指定的频率步长Δf扫描整个频率范围并且表征同轴电缆的k_l，其一般是随频率变化的。图3将描述为在操作316中确定是否已扫描整个频率范围。如果AFG 100的整个频率谱没有被扫描完，则在操作318中改变频率，并且以新的频率重复操作312和314。如上所述，在操作318中，频率以频率步长Δf变化。

在通过操作302-318表征k_o与k_l后，对于频率为f的正弦信号，操作320使用表征的ko与kl的值并利用等式4确定DUT的复数输入阻抗。

等式4：

通过在全部采样的频率下实施操作320，AFG 100的整个频率范围可以按照特定的频率步长Δf来充分表征DUT的输入阻抗，Z_DUT(2πf)，其一般是随频率变化的。

在其它实施例中，也可以用脉冲信号或者其它任意波形信号而不是正弦波来加速上述频率扫描的测量进程。整个过程几乎是一样的，除了计算V_{mea_nom}、V_{mea_open}、V_{mea_load}、k_o、k_l在频域内的傅里叶变换，它得出了如图2和等式5所示的随频率变化的复数Z_DUT：

等式5：

在表征DUT的输入阻抗时用脉冲替代上述正弦波节省了测量时间，因为脉冲的分析比正弦波快。然而，使用脉冲的方法的准确性不如使用正弦波的方法，因为使用脉冲的方法对噪声更敏感。

示出了阻抗测量的一个示例性验证进程可以通过使用信号发生器AFG3252C以及示波器MSO4104B(这两种设备都由美国俄勒冈州比弗顿市泰克公司提供)执行下面所述的指令进行仿真：

1)将AFG的输出设置为10兆赫兹正弦信号、1Vpp、50欧姆，并使用它的触发输出用于MSO采集；

2)用电缆连接AFG和MSO，并将MSO的终端调至50欧姆，并使用探头测量AFG的BNC输出处的电压；

3)断开电缆与MSO输出的连接，从而将电缆置于开路状态，并用探头测量AFG的BNC输出处的电压；

4)将电缆连接至DUT(例如，使用并行的多个BNC-BNC类型50欧姆负载，其包括MSO的输入阻抗)，并将DUT连接至一个MSO信道，并且将该信道设置为50欧姆的终端阻抗，然而用另一信道连接的探头测量AFG的BNC输出处的电压。

5)用结合图2和图3的上述步骤计算出DUT的输入阻抗，从下面的表1可以看到绝对误差小于11％。

表1

上述仿真的误差来源可能包括a)触发误差，因为示波器与AFG的运行不同步；b)测量误差，比如相位误差、振幅误差、探头干扰等；以及c)***误差：负载、AFG和电缆都假定了理想的阻抗值。

本发明的实施例可以基本消除在前段中a)和b)中所列的误差源，同时误差c)可以进一步地通过减小AFG 100输出阻抗、负载阻抗以及电缆阻抗的差异来解决。换言之，相比现在可用的方法，本发明的实施例可以大幅度地提高测量准确性。

使用上述技术，DUT的输入阻抗可以通过波形监视结果来确定。DUT的阻抗信息以及DUT的实际波形使得AFG能够用于表征DUT电路行为，以用于性能优化与问题解决。

本发明的实施例可以在特别制造的硬件、固件、数字信号处理器或者经特别编程的包括能根据编程指令运行的处理器的通用计算机上操作。这里使用的术语“控制器”或“处理器”意图包括微处理器、微计算机、ASIC以及专用硬件控制器。本发明的一个或多个方面可以体现在计算机可用数据以及计算机可执行指令(比如由一个或多个计算机(包括监视模块)或其它设备执行的一个或多个程序模块)中。总的来说，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，它们在被计算机中的处理器或其它设备执行时，完成特定任务或实施特定抽象数据类型。计算机可执行指令可以被储存在非瞬态计算机可读媒介比如硬盘、光盘、移动存储媒体、固态存储器、RAM等中。如本领域技术人员所知，程序模块的功能可能分散在各多个实施例中也可能由多个实施例组合而成。此外，该功能可能全部或部分地体现在固件或者等同的硬件比如集成电路、现场可编程门阵列(FPGA)等中。特定的数据结构可能被用来更有效地实施本发明的一个或多个方面，这样的数据结构可以实现在本文所述的计算机可执行指令以及计算机可用数据的范围中。

前面描述的被公开的主题具有许多已经描述的或对本领域技术人员显而易见的优点。即使这样，并不要求被公开的装置、***或方法的所有形式中都具有所有的优点或特点。

此外，本说明书参考了一些特定的特点。应当理解，本说明书的公开中包括了这些特定特点的所有可能的组合。例如，在一个特定特点被一个特定的方面或实施例公开的情况下，尽可能的程度，该特点也可以被其他方面或实施例使用。

同样，当本申请提及一种具有两个或更多个步骤的方法或操作时，被限定的步骤或操作可以以任意的顺序执行或者被同时执行，除非在排除了这种可能性的情况下。

尽管本发明的实施例已经被出于说明目的进行了描述和说明，但是可以理解，在不偏离发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，本发明只应被所附的权利要求所限定。

Claims

1.一种确定网络中的被测设备的电气输入阻抗的方法，所述网络包括：波形发生器，其被构造为在所述波形发生器的输出处提供测试波形的波形信息；波形监视器，其具有与所述波形发生器的输出耦接的输入，所述方法包括：

将所述波形发生器的输出耦接至负载，所述负载匹配电缆；

在一个或多个频率下测量所述测试波形的电压；

将所述波形发生器的输出耦接至开路负载；

在相同的所述一个或多个频率下测量所述测试波形的电压；

将所述波形发生器的输出通过所述电缆耦接至所述被测设备；

在相同的所述一个或多个频率下测量所述测试波形的电压；以及

根据测得的数值确定所述被测设备的输入阻抗。

2.根据权利要求1所述的确定电气输入阻抗的方法，其特征在于，所述方法还包括：利用使用匹配电缆的负载时测得的所述测试波形的测量数值以及利用使用所述开路负载时测得的所述测试波形的测量数值确定测量结果的复数比率k_o。

3.根据权利要求2所述的确定电气输入阻抗的方法，其特征在于，所述方法还包括：利用使用匹配电缆的负载时测得的所述测试波形的测量数值以及利用当所述波形发生器被耦接至所述被测设备时测得的所述测试波形的测量数值确定测量结果的复数比率k_l。

4.根据权利要求3所述的确定电气输入阻抗的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述k_o和k_l的数值确定所述被测设备的输入阻抗。

5.根据权利要求3所述的确定电气输入阻抗的方法，其特征在于，确定所述被测设备的输入阻抗的步骤包括：对于被测频率f中的至少一个频率，求解等式：

6.根据权利要求1所述的确定电气输入阻抗的方法，其特征在于，所述测试波形是正弦波。

7.根据权利要求1所述的确定电气输入阻抗的方法，其特征在于，所述测试波形是脉冲。

8.一种用于确定被测设备的电气输入阻抗的波形监视器，所述波形监视器与波形发生器的输出耦接，并且具有输入，所述输入用于接收由所述波形发生器产生的测试波形的信息，所述波形监视器包括：

第一测量装置，用于在所述波形发生器的输出被耦接至负载时，在一个或多个频率下测量所述测试波形的电压，其中所述负载匹配电缆；

第二测量装置，用于在所述波形发生器的输出被耦接至开路负载时，在所述一个或多个频率下测量所述测试波形的电压；

第三测量装置，用于在所述波形发生器的输出被通过所述电缆耦接至所述被测设备时，在所述一个或多个频率下测量所述测试波形的电压；以及

处理器，其被构造为用于根据所述第一测量装置、所述第二测量装置和所述第三测量装置测得的电压确定所述被测设备的电气输入阻抗。

9.根据权利要求8所述的波形监视器，其特征在于，所述处理器被构造为用于利用所述第一测量装置与所述第二测量装置测得的电压，确定测量结果的复数比率k_o。

10.根据权利要求9所述的波形监视器，其特征在于，所述处理器被构造为用于利用所述第一测量装置与所述第三测量装置的测得的电压，确定测量结果的复数比率k_l。

11.根据权利要求10所述的波形监视器，其特征在于，所述处理器被构造为用于根据所述k_o和k_l的数值确定所述被测设备的电气输入阻抗。

12.根据权利要求10所述的波形监视器，其特征在于，所述处理器被构造为用于通过求解等式：确定所述被测设备的输入阻抗。

13.根据权利要求8所述的波形监视器，其特征在于，所述测试波形是正弦波。

14.根据权利要求8所述的波形监视器，其特征在于，所述测试波形是脉冲。