CN220795429U - 电源探头和测量设备 - Google Patents

Abstract

一种电源探头和测量设备，电源探头包括探头主体、同轴线缆和源阻抗补充匹配模块，在同轴线缆的源端和被测电源之间连接有源阻抗补充匹配模块，能够对同轴线缆的源端阻抗进行补偿，以使同轴线缆的源端阻抗和终端阻抗相匹配，从而大大改善了被测信号反射的问题，使得测量结果更加准确。

Description

电源探头和测量设备

技术领域

本申请涉及测量设备的探头技术领域，具体涉及一种电源探头和测量设备。

背景技术

测量设备在测量电源电压时，通常会采用电源探头进行测量。一般情况下，电源探头具有低频输入阻抗高、高频输入阻抗低、噪声低、测量带宽高等特点。如图1所示，图1示出了电源和电源探头的等效阻抗模型，由于电源到地有很大的滤波电容、旁路电容，因此电源可以看作一个输出阻抗很低的信号源，在电源的等效阻抗模型中，VAC是交流信号源，VDC是直流信号源，ZOUT是电源的输出阻抗；在电源探头的等效阻抗模型中，ZFL是低频阻抗，ZFH是高频阻抗，C1是隔直电容，其中ZFH一般为50Ω，而ZFL远大于ZFH，因此在高频段，电源探头的高频输入阻抗可以认为是ZFH。

由于电源的输出阻抗ZOUT(一般小于1Ω)比电源探头的高频输入阻抗ZFH(一般是50Ω)小很多，而且电源的测量点和电源探头之间还要经过一根较长的同轴线缆，同轴线缆具有源端A1和终端A2，源端A1用于连接电源的测量点，终端A2用于连接电源探头的测量接口，源端A1的阻抗为电源的输出阻抗ZOUT，终端A2的阻抗Z0与电源探头的高频输入阻抗ZFH相等，如前述，由于ZOUT比ZFH小很多，使得同轴线缆的源端A1和终端A2之间的阻抗不匹配，且经过一段长长的同轴线缆，在高频段(大于300MHz)会形成严重的信号反射，如图2所示，图2示出了电源探头(包含同轴线缆)的频率响应曲线，可以看出，被测信号的幅度严重失真，导致测量结果不准确，并且被测信号的幅度失真随频率变化，具有不确定性。

实用新型内容

本申请提供一种电源探头和测量设备，能够补偿同轴线缆的源端阻抗，以使同轴线缆的源端阻抗和终端阻抗相匹配。

根据本申请的一方面，一种实施例中提供一种电源探头，用于测量被测电源的电源电压，包括：

探头主体；

同轴线缆，具有源端和终端，所述同轴线缆的源端用于获取被测电源的电源电压，所述同轴线缆的终端连接所述探头主体，所述同轴线缆的终端用于将获取的所述电源电压输出至所述探头主体；

源阻抗补偿匹配模块，连接于所述同轴线缆的源端和所述被测电源之间，用于补偿所述同轴线缆的源端阻抗，以使所述同轴线缆的源端阻抗和所述同轴线缆的终端阻抗相匹配。

在一种实施例中，还包括：

切换开关模块，用于在不需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗时，将所述被测电源与所述同轴线缆的源端直接连接；所述切换开关模块还用于在需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗时，将所述源阻抗补偿匹配模块连接于所述同轴线缆的源端和所述被测电源之间。

在一种实施例中，所述切换开关模块包括：

连接线，具有第一连接端和第二连接端；

第一切换开关，具有第一端和第二端，所述第一端用于连接所述被测电源，所述第二端用于在所述源阻抗补偿匹配模块的输入端和所述连接线的第一连接端之间进行切换，在需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗时，所述第二端与所述源阻抗补偿匹配模块的输入端连接，在不需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗时，所述第二端与所述连接线的第一连接端连接；

第二切换开关，具有第三端和第四端，所述第三端用于连接所述同轴线缆的源端，所述第四端用于在所述源阻抗补偿匹配模块的输出端和所述连接线的第二连接端之间进行切换，在需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗时，所述第四端与所述源阻抗补偿匹配模块的输出端连接，在不需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗时，所述第四端与所述连接线的第二连接端连接。

在一种实施例中，在所述源阻抗补偿匹配模块补偿所述同轴线缆的源端阻抗之前，所述同轴线缆的源端阻抗为所述被测电源的输出阻抗，所述同轴线缆的终端阻抗为所述探头主体的高频输入阻抗。

在一种实施例中，在所述被测电源的输出阻抗与所述探头主体的高频输入阻抗的差值在预设范围内时，不需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗；在所述被测电源的输出阻抗和所述探头主体的高频输入阻抗的差值超过预设范围时，需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗。

在一种实施例中，所述源阻抗补偿匹配模块包括：电阻R11，所述电阻R11的一端用于连接所述被测电源，所述电阻R11的另一端用于连接所述同轴线缆的源端。

在一种实施例中，所述源阻抗补偿匹配模块包括：电阻R21、电阻R22、电容C21和电感L21；

所述电阻R21的一端、所述电容C21的一端用于连接所述被测电源，所述电阻R21的另一端用于连接所述同轴线缆的源端，所述电容C21的另一端通过所述电阻R22连接所述电感L21的一端，所述电感L21的另一端用于连接所述同轴线缆的源端。

在一种实施例中，所述源阻抗补偿匹配模块包括：电阻R31、电阻R32、电阻R33、电容C31、电容C32和电感L31；

所述电阻R31的一端、所述电阻R32的一端、所述电容C31的一端用于连接所述被测电源，所述电阻R31的另一端用于连接所述同轴线缆的源端，所述电容C31的另一端连接所述电感L31的一端、所述电阻R33的一端，所述电感L31的另一端用于连接所述同轴线缆的源端，所述电阻R33的另一端、所述电阻R32的另一端均通过所述电容C32连接地。

在一种实施例中，所述被测电源的电源电压为高频电源电压。

根据本申请的另一方面，一种实施例中提供一种测量设备，包括：

电源探头，所述电源探头为上述任一个实施例所述的电源探头，用于获取被测电源的电源电压；

信号输入通道，用于接收所述电源探头获取的所述电源电压，并对所述电源电压进行测量。

依据上述实施例的电源探头和测量设备，在同轴线缆的源端和被测电源之间连接有源阻抗补偿匹配模块，能够对同轴线缆的源端阻抗进行补偿，以使同轴线缆的源端阻抗和终端阻抗相匹配，从而大大改善了被测信号反射的问题，使得测量结果更加准确。

附图说明

图1为现有电源和电源探头的等效阻抗模型；

图2为现有电源探头(包含同轴线缆)的频率响应曲线；

图3为本申请实施例提供的电源探头的结构示意图；

图4为一种实施例的电源和有源探头的等效阻抗模型示意图；

图5为另一种实施例的电源和有源探头的等效阻抗模型示意图；

图6为一种实施例的源阻抗补偿匹配模块的电路示意图；

图7为另一种实施例的源阻抗补偿匹配模块的电路示意图；

图8为再一种实施例的源阻抗补偿匹配模块的电路示意图；

图9为本申请实施例提供的测量设备的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式，各实施例所涉及的操作步骤也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的组成和/或顺序。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

请参考图3，本申请实施例提供了一种电源探头，电源探头包括：探头主体101、同轴线缆102和源阻抗补偿匹配模块103，下面详细说明。

探头主体101可以为现有的任一款电源探头(不包含同轴线缆)，其可以为示波器的电源探头，还可以为其他用于测量电源电压的测量设备的电源探头，关于探头主体101的具体结构此处不再详细说明，可参考现有任一款电源探头的结构。

在一些实施例中，探头主体101能够将获取的测量信号传输给测量设备，以使测量设备能够对测量信号进行测量。

同轴线缆102具有源端A1和终端A2，同轴线缆102的源端A1连接被测电源104的测量点，源端A1用于获取被测电源104的电源电压，同轴线缆102的终端A2连接探头主体，同轴线缆102的终端A2用于将获取的电源电压输出至探头主体101。在本实施例中，同轴线缆102是一个传输线，同轴线缆102的源端A1与测量点连接，同轴线缆102的终端A2与探头主体101的测量接口连接，用于将获取的信号传输至探头主体101。

源阻抗补偿匹配模块103连接于同轴线缆102的源端A1和被测电源104之间，用于补偿同轴线缆102的源端阻抗，以使同轴线缆102的源端阻抗和同轴线缆102的终端阻抗相匹配。

请参考图4，图4为本申请实施例提供的有源探头的等效阻抗模型示意图，在同轴线缆102和被测电源104之间增加源阻抗补偿匹配模块103，使得同轴线缆102两端的阻抗相等，也就是，源端阻抗与终端阻抗相等，假设源阻抗补偿匹配模块103补偿的阻抗为ZA，那么有：ZOUT+ZA＝Z0＝ZFH。由此可见，本申请实施例通过在同轴线缆102和被测电源104之间增加源阻抗补偿匹配模块103，在同轴线缆102的源端阻抗基础上补偿了阻抗ZA，使得补偿后的同轴线缆的两端阻抗相等，从而大大改善了信号反射的问题。

在一些实施例中，若ZOUT≈ZFH，也即是，被测电源104的输出阻抗ZOUT与探头主体101的高频输入阻抗ZFH相差很小，即两者的差值在一个微小的预设范围内时，则不需要对同轴线缆102的源端阻抗进行补偿，也就不需要在同轴线缆102和被测电源104之间增加源阻抗补偿匹配模块103；若ZOUT<<ZFH，也即是，被测电源104的输出阻抗ZOUT与探头主体101的高频输入阻抗ZFH的差值超过预设范围时，则需要对同轴线缆102的源端阻抗进行补偿，此时需在同轴线缆102和被测电源104之间增加源阻抗补偿匹配模块103。

请参考图5，基于上述不同情况下在同轴线缆102和被测电源104之间增加或不增加源阻抗补偿匹配模块103，本申请实施例还包括切换开关模块105，切换开关模块105用于在不需要补偿同轴线缆102的源端阻抗时，将被测电源104与同轴线缆102的源端A1直接连接；切换开关模块105还用于在需要补偿同轴线缆102的源端阻抗时，将源阻抗补偿匹配模块103连接于同轴线缆102的源端A1和被测电源104之间。

需要说明的是，在判断是否需要补偿同轴线缆102的源端阻抗时，可根据上述条件进行判断，即：若被测电源104的输出阻抗与探头主体101的高频输入阻抗的差值在预设范围内时，不需要补偿同轴线缆102的源端阻抗；在被测电源104的输出阻抗和探头主体101的高频输入阻抗的差值超过预设范围时，需要补偿同轴线缆102的源端阻抗。其中，预设范围可以为一个微小的阻抗范围，即被测电源104的输出阻抗和探头主体101的高频输入阻抗相差较小时，不需要进行补偿。

在一些实施例中，切换开关模块105包括连接线1051、第一切换开关S1和第二切换开关S2；连接线1051具有第一连接端1051a和第二连接端1051b；

第一切换开关S1具有第一端和第二端，第一切换开关S1的第一端用于连接被测电源104，第一切换开关S1的第二端用于在源阻抗补偿匹配模块103的输入端和连接线1051的第一连接端1051a之间进行切换，在需要补偿同轴线缆102的源端阻抗时，第一切换开关S1的第二端与源阻抗补偿匹配模块103的输入端连接，在不需要补偿同轴线缆102的源端阻抗时，第一切换开关S1的第二端与连接线1051的第一连接端1051a连接。第二切换开关S2具有第三端和第四端，第二切换开关S2的第三端用于连接同轴线缆102的源端A1，第二切换开关S2的第四端用于在源阻抗补偿匹配模块103的输出端和连接线1051的第二连接端1051b之间进行切换，在需要补偿同轴线缆102的源端阻抗时，第二切换开关S2的第四端与源阻抗补偿匹配模块103的输出端连接，在不需要补偿同轴线缆102的源端阻抗时，第二切换开关S2的第四端与连接线1051的第二连接端1051b连接。

本申请实施例中，源阻抗补偿匹配模块103可提供补偿阻抗即可，其可以有多种实现电路，下面提供了三种可实现的电路，可以理解的是，并不限于下面三种实现电路，可实现阻抗补偿的电路均可以作为源阻抗补偿匹配模块103。

在一些实施例中，请参考图6，源阻抗补偿匹配模块103包括：电阻R11，电阻R11的一端用于连接被测电源，电阻R11的另一端用于连接同轴线缆的源端。在该电路中，源阻抗补偿匹配模块103的补偿阻抗ZA＝R11，通过设置R11的电阻值，只要使ZOUT+R1＝ZFH即可，即同轴电缆102的源端阻抗和终端阻抗相等。一般地，ZFH＝50欧姆，ZOUT<<1欧姆欧姆，因此R11可以为阻值为50Ω的电阻。

需要说明的是，要使得ZOUT+R1＝ZFH的前提条件是电阻R11是理想电阻，电阻R11是理想电阻只有在较低频率内(<1GHz)才是成立的。当频率更高时，电阻R11的寄生参数将影响源阻抗补偿匹配模块103的补偿阻抗ZA的大小。

基于上述问题，在另一些实施例中，请参考图7，图7中提供的源阻抗补偿匹配模块103增加了容抗和感抗进行补偿。源阻抗补偿匹配模块103包括：电阻R21、电阻R22、电容C21和电感L21；电阻R21的一端、所述电容C21的一端用于连接被测电源104，电阻R21的另一端用于连接同轴线缆102的源端A1，电容C21的另一端通过电阻R22连接电感L21的一端，电感L21的另一端用于连接同轴线缆102的源端A1。在该源阻抗补偿匹配模块103中，补偿阻抗ZA为：

ZA＝R1*(XC1+R2+XL1)/(R1+R2+XC1+XL1)；

其中，XC1＝1/(ω*C1)，XL1＝ω*L1，ω是角速度，与频率相关，XC1为电容C1的容抗，XL1为电感L1的感抗。

由此可见，通过调整R1、R2、C1、L1的参数，可由使得在高频段内ZOUT+ZA＝ZFH，即实现同轴电缆102的源端阻抗和终端阻抗相等。

当电源探头已经存在信号反射时，即电压驻波比比较差，考虑到该问题，申请人还设计了如图8所示的源阻抗补偿匹配模块103实现电路，源阻抗补偿匹配模块103可以包括：电阻R31、电阻R32、电阻R33、电容C31、电容C32和电感L31；电阻R31的一端、电阻R32的一端、电容C31的一端用于连接被测电源104，电阻R31的另一端用于连接同轴线缆102的源端A1，电容C31的另一端连接电感L31的一端、电阻R33的一端，电感L31的另一端用于连接同轴线缆102的源端，电阻R33的另一端、电阻R32的另一端均通过电容C32连接地。在图8所示的源阻抗补偿匹配模块103中，从A端看进去，信号(包括反射信号)被R31、C31、L31、R33、C32组成的电路衰减，从B端反射回来的反射信号被R31、R32、C32组成的电路衰减，因此，图8所示的电路可以大大改善电压驻波比，这样电容C32为源阻抗补偿匹配模块103在低频段提供一个较大阻抗，使得不影响电源探头的低频输入阻抗。在高频段内，电容C32可以看作接地，那么，ZA＝R2||(R1+XC1||XL1+R3)，即实现同轴电缆102的源端阻抗和终端阻抗相等。

综上，本申请实施例提供了一种电源探头，在同轴线缆102的源端和被测电源104之间增加了源阻抗补偿匹配模块103，以对同轴线缆102的源端阻抗进行补偿，使得同轴线缆102的源端阻抗和同轴线缆102的终端阻抗相匹配，大大改善了在测量电源电压时发生信号反射的问题。

基于上述实施例提供的电源探头，本申请实施例还提供了一种测量设备，请参考图9，测量设备包括有源探头100和信号输入通道200，其中，有源探头100用于获取被测电源上的电源电压，并将获取到的电源电压传输给信号输入通道200，信号输入通道200在接收到信号后，可以对信号进行后续处理，以对信号进行测量。需要说明的是，信号输入通道300对测量信号的后续处理，为示波器处理信号的常规技术手段，本实施例不再赘述。此外，有源探头100和探头接口装置200的具体实施方式已在上述实施例中进行了详细说明，此处也不再重复说明。需要说明的是，信号输入通道200对信号的后续处理，为测量设备处理信号的常规技术手段，本实施例不再赘述。在一些实施例中，测量设备以为示波器等具有测量信号功能的设备，本实施例不再一一举例说明。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种电源探头，用于测量被测电源的电源电压，其特征在于，包括：

探头主体；

同轴线缆，具有源端和终端，所述同轴线缆的源端用于获取被测电源的电源电压，所述同轴线缆的终端连接所述探头主体，所述同轴线缆的终端用于将获取的所述电源电压输出至所述探头主体；

源阻抗补偿匹配模块，连接于所述同轴线缆的源端和所述被测电源之间，用于补偿所述同轴线缆的源端阻抗，以使所述同轴线缆的源端阻抗和所述同轴线缆的终端阻抗相匹配。

2.如权利要求1所述的电源探头，其特征在于，还包括：

切换开关模块，用于在不需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗时，将所述被测电源与所述同轴线缆的源端直接连接；所述切换开关模块还用于在需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗时，将所述源阻抗补偿匹配模块连接于所述同轴线缆的源端和所述被测电源之间。

3.如权利要求2所述的电源探头，其特征在于，所述切换开关模块包括：

连接线，具有第一连接端和第二连接端；

第一切换开关，具有第一端和第二端，所述第一端用于连接所述被测电源，所述第二端用于在所述源阻抗补偿匹配模块的输入端和所述连接线的第一连接端之间进行切换，在需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗时，所述第二端与所述源阻抗补偿匹配模块的输入端连接，在不需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗时，所述第二端与所述连接线的第一连接端连接；

第二切换开关，具有第三端和第四端，所述第三端用于连接所述同轴线缆的源端，所述第四端用于在所述源阻抗补偿匹配模块的输出端和所述连接线的第二连接端之间进行切换，在需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗时，所述第四端与所述源阻抗补偿匹配模块的输出端连接，在不需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗时，所述第四端与所述连接线的第二连接端连接。

4.如权利要求1至3中任一项所述的电源探头，其特征在于，在所述源阻抗补偿匹配模块补偿所述同轴线缆的源端阻抗之前，所述同轴线缆的源端阻抗为所述被测电源的输出阻抗，所述同轴线缆的终端阻抗为所述探头主体的高频输入阻抗。

5.如权利要求4所述的电源探头，其特征在于，在所述被测电源的输出阻抗与所述探头主体的高频输入阻抗的差值在预设范围内时，不需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗；在所述被测电源的输出阻抗和所述探头主体的高频输入阻抗的差值超过预设范围时，需要补偿所述同轴线缆的源端阻抗。

6.如权利要求1至3中任一项所述的电源探头，其特征在于，所述源阻抗补偿匹配模块包括：电阻R11，所述电阻R11的一端用于连接所述被测电源，所述电阻R11的另一端用于连接所述同轴线缆的源端。

7.如权利要求1至3中任一项所述的电源探头，其特征在于，所述源阻抗补偿匹配模块包括：电阻R21、电阻R22、电容C21和电感L21；

所述电阻R21的一端、所述电容C21的一端用于连接所述被测电源，所述电阻R21的另一端用于连接所述同轴线缆的源端，所述电容C21的另一端通过所述电阻R22连接所述电感L21的一端，所述电感L21的另一端用于连接所述同轴线缆的源端。

8.如权利要求1至3中任一项所述的电源探头，其特征在于，所述源阻抗补偿匹配模块包括：电阻R31、电阻R32、电阻R33、电容C31、电容C32和电感L31；

所述电阻R31的一端、所述电阻R32的一端、所述电容C31的一端用于连接所述被测电源，所述电阻R31的另一端用于连接所述同轴线缆的源端，所述电容C31的另一端连接所述电感L31的一端、所述电阻R33的一端，所述电感L31的另一端用于连接所述同轴线缆的源端，所述电阻R33的另一端、所述电阻R32的另一端均通过所述电容C32连接地。

9.如权利要求1所述的电源探头，其特征在于，所述被测电源的电源电压为高频电源电压。

10.一种测量设备，其特征在于，包括：

电源探头，所述电源探头为如权利要求1-9中任一项所述的电源探头，用于获取被测电源的电源电压；

信号输入通道，用于接收所述电源探头获取的所述电源电压，并对所述电源电压进行测量。