CN1849055A - 通过环境条件补偿来提高电子设备准确度的***和方法 - Google Patents

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詹姆士·B·萨姆纳斯
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Abstract

本发明公开了一种***和方法，其被用于测量其自己的由于环境引起的不准确，并且基于这些测量来调整其自身以补偿所述不准确。在一个实施例中，测试***首先测量通过模型“长”路径的信号损耗，所述“长路径”被构建在与主测试电路相同的基板上。由于测试路径被构建在相同的基板上，因此它代表了环境对测试电路的实际影响。然后，测试信号被发送通过“短”测试路径，由于两个路径之间的参考测量条件所引起的比值差异产生了必需的补偿，然后该补偿被用于校准测试电路。在另一实施例中，测试信号被施加到由基板材料的不同层上的铜构成的电容两端。基板层上的实际环境条件改变了测量到的电容值，该电容值与温度一起作为输入被提供到一个模型，该模型确定对测试电路的补偿。两个实施例都可被应用于受到环境导致的传输线损耗特性改变的影响的单个电路或者***。

Description

通过环境条件补偿来提高电子设备准确度的***和方法
技术领域
本发明涉及通过环境条件补偿来提高电子设备准确度的***和方法。
背景技术
环境湿度和温度的改变会导致高频信号发生器、功率仪、测量接收器和其他电子测试设备的校准准确度漂移。希望这样的设备在从干热到湿冷的气候条件下都能合乎规格地工作。一般地，这样的设备都是使用由电介质材料制成的印刷电路板来构建的，而电介质材料(在尺寸和电气性能方面)会受温度改变的影响，而且还会从环境中吸收水份。因此，在这些板上制作的传输线结构的***损耗和特性阻抗将随环境条件的改变而变化。这种变化影响了测试设备的校准准确度。由于校准测试设备的环境可能与使用测试设备的环境不同，因此在设备规格设置过程中必须留有余量，以能够在某个范围的环境条件下确保性能的指定水平。这些余量导致设备的性能规格比不存在环境变化时要差。
一般地，设备设计中包含某种形式的温度补偿。周围温度很容易感知，因此设备性能被描述为该温度的函数。在操作期间，进行校正以补偿周围温度变化。很多仪器规格要求仪器必须启动一段时间，以允许周围温度和仪器内部温度之间的关系变得稳定。依赖于仪器的设计，这一时间段可以是几分钟到几小时。这种温度补偿的效果是有限的，因为设备机箱中的所有点的温度并不完全相同，各个印刷电路配件的温度特性也有所不同，而且吸水的影响没有得到补偿。
发明内容
已经发现不仅当前环境条件造成设备不准确，而且累积的过去环境条件也会改变准确度。考虑到这一现象，设计了一种***和方法，其首先测量与其自己的环境引起的不准确有关的参数，然后基于这些参数，***调整自身以对不准确进行补偿。
在一个实施例中，利用长传输线和短传输线来构成***损耗感知***。RF源和检测器被用于测量这两条传输线的***损耗之间的差别。***损耗的这种差别和两条传输线的长度差别提供了对在与***损耗感知***的基板相同的基板(或类似基板)上形成的传输线的每单位长度损耗的测量。通过在电子测试设备被校准时捕捉每单位长度损耗数据，并且在该设备操作期间每隔一段时间再次捕捉每单位长度损耗数据，能够确定由于环境条件引起的改变所造成的设备校准改变。
在另一实施例中，由印刷电路板上的铜区域形成的平行板电容器的电容被测量。电容和板温度在设备校准时被测量，并且数据被存储在非易失性存储器中。在操作期间，电容和温度被再次测量(每隔一段时间)。在校准时测量到的值和在操作期间测量到的值被馈入对板的环境行为建模的算法。然后，该算法产生校正因子，该校正因子被用来补偿从原始校准的性能开始由环境所导致的改变。
上面相当广泛地描述了本发明的特征和技术优点，以使得本发明的详细说明能被更好地理解。在后面将描述本发明的其他特征和优点，其构成了本发明的权利要求的主题。本领域的技术人员应当理解，所公开的原理和具体实施例可被容易地用作修改或设计其他用于实现本发明相同目的的结构的基础。本领域的技术人员还应当理解，这些等同结构不脱离本发明的在权利要求中列出的精神和范围。结合附图，从下面的说明中可更好地理解作为本发明特征的那些新颖特征的组织和操作方法以及进一步的目的和优点。但是，应当理解，每幅附图都仅是示例性和说明性的，而并不限制本发明。
附图说明
为了更全面地理解本发明，现在结合附图来参考下面的描述，在附图中：
图1示出了板上的RF信号迹线(signal trace)的一个实施例；
图2示出了用于校准电子设备的方法的一个实施例；
图3A示出了使用等效电路路径来确定环境损耗误差的***和方法的一个实施例；
图3B示出了使用本发明原理的电路的一个实施例；
图4A示出了使用电容和温度测量来确定电介质特性改变的一个实施例，所述电介质特性改变被应用于模型，以确定环境导致的性能(增益)改变；
图4B示出了使用本发明的电容和温度测量原理的电路和方法框图的一个实施例。
具体实施方式
图1示出了RE仪器中的代表性电路板12的一个实施例，该实施例示出了代表性的信号路径11，该路径从输入端101经过板和其上的各个电路(如图3B所示)到达信号输出端102。注意，如果需要，则输入信号可在板12上生成而不是在独立电路上生成。
在一个实施例中，在操作中，信号(例如来自图3A的源31)被选择作为到RF测试电路300(如图3B所示，其在图1中被示为路径11)的输入。在一个实施例中，来自路径11的输出被施加到被测设备(DUT)103。然后，来自DUT 103的输出被施加到测试接收器104，以确定DUT是否在范围内。或者，DUT 103可输出其自己的信号，然后该信号被测试接收器104接收。在某些情况下，测试信号生成器和测试接收器与测量测试***在同一外壳内。
板12的典型板尺寸是11.2”宽，5.2”高，典型的RE信号路径11的长度在15”和24”之间。PC板12一般由例如FR4、GETEKTM或RogersTM4350等几种不同的板材中的一种构成。这些材料会在一段时间内吸水，而水份会影响在板上形成的传输线上传播的RF信号的损耗特性，对于任何给定的水份含量，该损耗特性也依赖于温度。
RF***设计者在一个RF模块中加入了越来越多的功能，这样的RF模块一般包括这些板中的一种。板上的RF路径一般包含放大器、混频器、滤波器、调制器、开关和功率分配器，以生成具有所需频率和其他参数的RF信号。信号通过接地层和在前后表面上有填充物(gasket)的内壁来彼此隔离。在GETEKTM中，这几种路径的典型的总路径损耗在500MHz时是从0.75到1.5dB，在1,000MHz时是从1.5到2.4dB，在2,500MHz时是从3.0到4.8dB。损耗变化依赖于PC板电介质材料的种类。例如，FR4材料的路径损耗略大于上面所示的值，而RogersTM4350材料的路径损耗大约是这些值的一半。
损耗变化还依赖于RF路径的种类。在板的外表面上的微带具有最低的损耗，而两个接地层之间的多层板内的带状线的损耗则较高。不同种类的屏蔽和匹配都需要使用微带和带状线结构。使用GETEKTM设计并依赖于RF路径长度，由于温度和湿度导致的环境所引起的改变，板上的损耗变化在2,500MHz时可能有1.5dB之多。
在RF信号生成器设计的特定实施例中，当前的校准过程可在进行校准后立即去除观察到的0.6dB变化的绝大部分，使其降低到不确定性低于0.1dB的水平。但是，由于校准是侵入式的，因此一般限于每天执行一次。在这样每天执行一次该过程的情况下，观察到环境损耗不确定性仅能被降低到0.3dB。将所有的测量、制造和生产的不确定性相加，每天使用一次校准过程的典型RF源准确度产生+/-1.0dB的准确度规格。注意，如果仅有工厂校准而没有进一步的每天一次的校准，则由于环境条件，准确度规格将是+/-1.3dB。使用这里描述的补偿原理，可以预期多达0.4到0.5dB的误差可被去除，从而得到在500MHz到2500MHz之间的+/-0.8到0.9dB的整体RF源准确度规格。具有更长的迹线和/或更多带状线迹线的电路设计可得到比本示例中更大的提高。由于环境补偿在需要时可被应用于被执行的每个测试，因此初始(或后续)设备校准就不需要被频繁执行。此外，由于补偿针对例如水份等环境条件进行调整，因此不需要在对某台设备运行测试规程之前让电路“干透”。
由于PC板传输线损耗是湿度和温度导致的误差的最主要原因，因此具有较多PC板或较长的PC板RF路径长度的***可使用这里讨论的原理得到被大大提高的校准准确度。
图2示出了用于校准例如信号发生器、信号测量接收器、功率仪等电子设备的方法的一个实施例20。在所示实施例中，要被补偿的设备是频率范围在500MHz到2,500MHz之间的测试设备，但是这里讨论的过程可以用于任何具有由于环境对电路板的影响而被影响的RF信号的设备。
处理202根据某些参数确定是否此时要对电路执行环境补偿。这些参数是在电路被设计时确定的，并且是基于预期的环境条件来描述的。该步骤在需要时可被省略，并且如果能够连续地或周期性地执行补偿，则该步骤也可被省略。如果此时不执行补偿，则使用由处理207通过应用最近的校正测试规程选择的测试频率来产生测试信号(在设备是测量设备时测量出测试信号)。如果此时要执行环境补偿，则处理204基于测试规程的选定频率来选择校准信号频率。处理205应用校准信号以确定RF电路迹线上的累积环境影响，如将要描述的那样。使用该累积影响确定结果，处理206基于环境条件确定RF信号的损耗误差。处理207在选定的测试频率处将校正补偿应用到测试规程，或者通过针对环境条件的影响对接收电路进行补偿来调整接收电路。然后，处理208根据为测试RF信号选定的测试规程来对实际设备(未示出)执行测试。
注意，由于补偿不能在内部进行，因此处理204-207可在任何时候开始，事实上，可以在***没有被用于实际测试时进行，从而通过减少与补偿有关的停工时间以及不准确的读数来进一步维持***准确度。
图3A示出了使用在等效电路路径(34)中测量到的板损耗改变来确定实际RF路径300(图3B)中的损耗改变的***和方法的一个实施例30。由于PC板对由于板在一段时间内在其特定环境中吸收的水分所造成的损耗改变进行累积，因此可以在PC板内(如果需要的话可以在独立的板上)创建代表性路径34，这里称为长路径，其被用来确定路径34和短路径33之间的比，其中短路径33允许有效地监视从先前的校准开始的环境差别。长(或模拟，mock)路径被创建在与实际RF路径相同的基板中(或者被创建在具有与在一段时间内暴露给水份时相同的物理特性的基板中)，以使其能够代表实际RF路径所经历的时间内的水份和温度的影响。
该过程可使用多种方法中的一种完成。例如，校准源31被施加到RF功率分配器32，RF功率分配器32通过短迹线33和长迹线34发送校准信号。在自校准处理302(其又受控于控制程序301)控制下的RF开关35在短路径(迹线)和长路径(迹线)之间来回切换。每个迹线的输出经由RF电平检测器36被检测，经由AD转换器37被转换为数字值，并被提供给微处理器38。然后，控制程序301确定短迹线和长迹线之比，以对环境条件如何改变实际测试电路300(在图3B中示出)作出损耗近似。注意，长路径34和短路径33可与要被补偿的实际电路(电路300)构建在相同的基板上，或者它们可被创建在独立的板上，所述独立的板所使用的材料与要被补偿的实际RF电路300的板中使用的材料对环境条件的反应类似。
图3B示出了要被补偿的RF电路300，其在控制程序301下被调整，从而无论环境条件如何，都能产生正确的测试结果。因此，如图3B所示，信号源或合成器310被提供到输入放大器311，然后顺次经过放大器311、滤波器312、调制器313和其他信号调节电路314，直到输出放大器315。电路300中的输出放大器315或任何其他元件已被控制程序301调整，以补偿当前环境条件，其中当前环境条件是由图3A的电路基于测量到的湿度和温度对基板的影响所引起的差别而确定的。以此方式，针对在一段时间内累积的环境影响，对测试电路300的输出102进行补偿。
图4A示出了使用测量到的电容和温度改变作为到模型的输入来估计RF路径中预期的实际损耗的***和方法的一个示例。多层印刷电路板结构40从环境吸收水份。当水份进入板时，其改变板材的介电常数，因为水的电容率高于板材的电容率。在铜区域405和接地层403之间形成了电容器。板电介质层401形成了该电容器的电介质。感知该电容器结构的电容改变，可以提供关于板电介质层401中水份含量的信息，其中水份含量将影响表面微带传输线损耗。类似地，在铜区域406和接地层403、404之间也形成了电容器，并且板电介质402形成了电容器电介质。感知该电容器结构的电容改变，可以提供关于板电介质402中水份含量的信息，其中水份含量将影响内部带状线传输线损耗。
电容测量电路41通过表面印刷电路迹线连接到铜区域405，经由孔407通过电镀印刷电路连接到铜区域406。温度测量电路410感知印刷电路板的温度。电容测量电路41和温度测量电路410都可有益地使用可从Analog Device，Inc.获得的ADC模块AD7747来实现。该ADC是双通道电容模数转换器，其提供高分辨率电容测量，并且还包含片上温度传感器。
图4B示出了环境补偿***400。微处理器42接收来自温度传感器410和电容传感器41的输入。在校准处理45生成用于与***400相关联的印刷电路板上的RF电路420的校准数据时，该信息被提供给校准处理45。该校准数据一般是作为RF频率的函数的RF增益，并且被控制处理48用来经由微处理器42进行RF电路420中的硬件控制设置。被提供给校准处理45的电容和温度数据代表RF电路校准数据生成时的板环境条件。
在正常操作期间，微处理器42周期性地收集温度和电容数据，并将该数据提供给水份估计算法44。水份估计算法44把对从校准开始的印刷电路板水份含量改变的估计提供给损耗模型46。损耗模型46取得从初始RF电路校准数据被生成时开始的水份改变和温度改变，并产生一组数据47，该组数据47预测作为工作频率的函数的RF电路性能的改变。然后，数据47和校准处理45所产生的RF电路校准数据一起***作控制处理48用来在RF电路中进行设置，以利用对环境影响的补偿来产生校准后的操作。
由于各种电介质基板材料都可被用来制作测试仪器中的印刷电路板，因此可能需要不同的水份估计算法(44)以用于不同构造的电路板。损耗模型46不仅依赖于电路板构造，还依赖于RF电路设计本身。因此，每种设计将需要唯一的损耗模型。该模型一般是通过在受控环境描述测试中，使水份和温度改变与测量出的RF电路性能相关而生成的。
电容和温度传感器的放置会影响环境补偿的准确度。板电介质的吸水是一个较慢的过程，而且吸收速率可能对板的各个区域来说是不同的。例如，靠近PC板边缘处吸水将比较快。为了获得最高的准确度，传感器需要被放置在使关键电路区域中的条件能够被传感器数据准确地反映的位置上。
还要注意，虽然已经讨论了测试信号输出(信号生成器)的校准，但是接收电路(测量接收器)或功率仪或任何其他类型的对校准参数敏感的设备都可被校准。事实上，如果需要的话，在同一***中，信号发生器、信号接收器或其二者都可被校准。
虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以作出替换和改变。此外，本发明的范围并不限于说明书中描述的处理、机器、制品、物质成份、装置、方法和步骤。本领域的普通技术人员将从本发明的公开中很容易地理解，现存的或将被开发的与此处所述实施例执行基本相同功能或获得基本相同结果的任何处理、机器、制品、物质成份、装置、方法或步骤都可根据本发明被使用。因此，所附权利要求的范围将包括这些处理、机器、制品、物质成份、装置、方法或步骤。

Claims (40)

1.一种电子电路，包括：
用于生成具有某组特性的输出信号的电路，所述特性易受所述电子电路的当前环境损耗特性的改变的影响；
用于确定所述电子电路的当前环境损耗特性的装置；以及
至少部分受控于所述确定装置的的装置，该装置用于不论所述电子电路的所述当前环境损耗特性如何都维持所述某组特性。
2.如权利要求1所述的电路，其中所述电路被包含在基板上，其中所述确定装置包括：
用于将信号传播通过在所述基板上构建的路径的装置。
3.如权利要求1所述的电路，其中所述确定装置包括：
用于将所述信号传播通过被构建以产生输出信号的测试路径的装置，所述输出信号是所述电子电路的当前环境损耗特性的特性。
4.如权利要求1所述的电路，其中所述维持装置对环境改变进行校正以提高测量接收器的准确度。
5.如权利要求4所述的电路，其中所述准确度提高在500MHz到2,500MHz之间在+/-0.4到0.5dB的范围内。
6.如权利要求1所述的电路，其中所述维持装置对环境改变进行校正以提高功率仪的准确度。
7.如权利要求6所述的电路，其中所述准确度提高在500MHz到2,500MHz之间在+/-0.4到0.5dB的范围内。
8.如权利要求1所述的电路，其中所述维持装置对环境改变进行校正以提高测量测试***的准确度，所述***包括来自信号发生器、测量接收器、功率仪的至少一个信号。
9.如权利要求8所述的电路，其中所述准确度提高在500MHz到2,500MHz之间在+/-0.4到0.5dB的范围内。
10.一种在水份改变沿基板上的信号迹线的测试信号的环境中测试设备的方法，所述方法包括针对所述水份的累积影响来补偿所述测试信号。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述补偿包括：
沿测试路径传播校准信号，所述测试路径被构建为使得所述水份的所述累积影响可被确定。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述测试路径被构建在所述基板中。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述测试路径被构建在这样的材料中，所述材料对水份的响应与所述基板对水份的响应相似。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述补偿包括：
测量这样的材料中的电容改变，所述材料对水份的响应与所述基板的水份响应之间的关系是已知的。
15.一种测试***，包括：
信号发生器；
信号测量接收器；
用于确定所述信号发生器和所述信号测量接收器的当前环境损耗特性的电路；以及
可响应于所述确定电路来进行操作的电路，该电路用于调整所述信号测量接收器和所述信号发生器中的一个或其二者以考虑到所述电子电路的所述当前环境损耗特性。
16.如权利要求15所述的***，其中所述确定电路包括：
用于通过至少一个测试电路来传播信号的电路，所述测试电路被构建为产生这样的输出信号，所述输出信号描述了所述信号发生器和所述信号测量接收器的当前环境损耗特性。
17.如权利要求14所述的***，其中所述信号发生器被包含在第一基板上，其中所述信号测量接收器被包含在第二基板上；其中
所述用于确定所述信号发生器的当前环境损耗特性的电路至少部分包括在所述第一基板上构建的测试电路；以及
所述用于确定所述信号测量接收器的当前环境损耗特性的电路至少部分包括在所述第二基板上构建的测试电路。
18.如权利要求15所述的***，其中所述调整电路针对环境改变进行校正，以提高所述信号发生器和所述信号测量接收器中的一个或其二者的准确度。
19.如权利要求18所述的***，其中所述调整电路针对环境改变进行校正，以提高所述信号发生器和所述信号测量接收器中的一个或其二者的准确度。
20.一种校准测试规程的方法，所述方法包括：
在被构建在具有某组物理属性的至少一个基板上的电路的控制下生成测试规程补偿数据，所述物理属性受累积的环境条件影响的方式与所述环境条件在控制实际测试的电路上施加影响的方式是类似的。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述生成包括沿测试路径传播校准信号，所述测试路径被构建为使得所述环境对所述测试规程的累积影响可从所述校准信号中确定，从而使所述测试规程能够针对所述环境对所述测试设备的累积影响而被调整。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述测试规程包括高频信号。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述传播包括沿着在具有所述某组物理特性的基板上构建的测试路径发送校准信号，从而使所述测试规程能够针对环境对所述测试设备的影响而被调整。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述传播还包括沿着所述基板的长路径和短路径发送所述测试信号，以得到一个比值，该比值代表所述环境的所述影响。
25.如权利要求23所述的方法，其中所述测试路径基板和所述规程控制电路基板在同一基板上。
26.如权利要求23所述的方法，其中所述测试路径在独立于所述至少一个规程控制基板的设备中。
27.如权利要求20所述的方法，其中所述测试规程包括：
测量电路板温度，以及
测量使用所述电路板材料作为电介质而形成的电容器的电容。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述测量使得所述环境对所述测试规程的累积影响可从一组计算中确定，以确定用于所述测试规程的环境校正数据。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述测量包括测量在所述电路板的多个层上形成的电容器的电容。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述测量：
包括测量电路板温度和在独立的多层材料的多个层上形成的电容器的电容，所述多层材料的属性类似于所述电路板的属性。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述电容测量是使用电容模数转换器执行的。
32.如权利要求20所述的方法，其中所述测试规程被用来提高信号发生器、测量接收器、功率仪中的至少一个设备的准确度。
33.如权利要求32所述的方法，其中所述测试规程被用来提高信号发生器、测量接收器、功率仪中的至少一个设备的准确度。
34.一种校准电子测试设备的方法，包括：
在一个时间点，初次校准RF信号以补偿所述RF信号中的不准确；以及
在后来的一个时间点，重新校准所述RF信号以补偿所述RF信号的改变，所述改变是由水份和温度对包含所述RF信号传播通过的RF路径的电路板的累积影响所导致的。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述重新校准在500MHz到2,500MHz之间获得在+/-0.4到0.5dB的范围内的整体RF源准确度规格提高。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述重新校准包括：
沿测试路径发送RF校准信号，所述测试路径被构建在与所述电路板具有类似属性的材料中。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述重新校准还包括：
发送所述RF校准信号，以使其被交替施加到所述测试路径的短版本和所述模拟路径，从而提供所述模拟路径和所述短路径之间的比值，以考虑到仅仅在所述初次校准和所述重新校准之间的RF信号改变来影响所述重新校准。
38.如权利要求35所述的方法，其中所述重新校准包括：
测量电路板温度，
测量使用所述电路板材料作为电介质而形成的电容器的电容；以及
应用一组计算来确定环境校正数据。
39.如权利要求36所述的方法，其中所述电容测量包括：
测量在所述电路板的多个层上形成的电容器的电容。
40.如权利要求39所述的方法，其中所述电容测量是使用电容模数转换器来执行的。
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