[发明专利]具有衰减功能的探头、信号采集系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及测量、测试技术领域，特别是涉及一种具有衰减功能的探头、一种信号采集系统和一种信号采集方法。

背景技术

在测量、测试领域中，探头是一种为显示电变量的测量设备(如示波器、数据采集卡、逻辑分析仪等)而采集信号的装置，它将从被测电路采集到的信号输入到测量设备中。

探头在规定的频段内应该有尽量平坦的频率响应，即在规定的频段内衰减比例的变化应该尽量小，频率响应越平坦则探头的精度越高。探头在规定的频段内还应该有尽量高的输入阻抗和尽量低的输入电容，高输入阻抗和低输入电容给被测电路引入的负载轻，对被测电路的干扰小。

探头电缆的寄生电容限制了输入电容的最小值，不容易减小。

参考图1，是一种现有探头100，包括依次串联的探头尖电阻Rt、RC并联电路和同轴线130，所述同轴线130的另一端连接到测试设备150，所述同轴线130和测试设备150之间的线路上还设有一个连接点，所述连接点与公共端子COM之间串联有电容Cs和电阻Rs，其中所述电容Cs是可调电容。所述RC并联电路包括并联连接的电容Cc、电阻Rc和开关S。

所述探头100通过闭合或打开开关S来改变衰减比。为了改善频响平坦度，探头100设有补偿微调调整端子，即调节电容Cs。调整探头补偿时先连好探头100和测试设备150，并将探头100接入一个校正信号，手工旋动补偿微调调整端子，使得测试设备150上看到的波形没有过补偿和欠补偿的现象，即使得探头频响最佳。

所述探头100可以实现1倍或10倍的衰减比，即一般探头中标注的×1或×10。一般地，电容Cs的范围为21pF～31pF，测试设备150的输入电容为5pF～30pF范围，测试设备150的输入电阻为1MΩ，电容Cc的范围为11pF～21pF，电阻Rc为9MΩ。探头尖电阻Rt以及电阻Rs的阻值一般在0Ω～500Ω范围。

当开关S闭合时，探头衰减比为1倍，即从被测电路104耦合到探头尖电阻Rt的直流和低频信号不经过衰减地耦合到测试设备150。忽略探头尖电阻Rt和电阻Rs，这时被测电路104在探头尖电阻Rt看到的探头输入电容近似是电容Cs和测试设备150输入电容的并联，在26pF～61pF范围，这么大的输入电容通常会对被测电路104造成显著的影响。

当开关S断开时，探头衰减比为10倍，即从被测电路104耦合到探头尖电阻Rt的直流和低频信号经过10倍衰减后耦合到测试设备150。电阻Rc很大，可以认为开路，忽略探头尖电阻Rt和电阻Rs，这时被测电路104在探头尖电阻Rt看到的探头输入电容近似是电容Cc串联上电容Cs和测试设备150输入电容的并联，该电容在11pF～21pF范围。探头衰减比为10倍时的输入电容小于探头衰减比为1倍时的输入电容，但仍然很大。

在探头衰减比大于1时，为了使得探头100和测试设备150组成的测试系统的频率响应平坦，图1中的元件需要满足以下关系(忽略电阻Rt和电阻Rs的影响)：

Cc·Rc＝(Cs+Ci)·Ri

其中Ci为测试设备150的输入电容，Ri为测试设备150的输入电阻。

当探头的衰减比远大于1时，探头100的输入电容近似等于电容Cc的大小。Ri的大小不能变，为了进一步减小Cc，需要增大Rc，即增大探头100的衰减比。

简单地增大Rc，会使得探头100的直流输入阻抗偏离10MΩ标准输入阻抗，不符合要求。

为了解决上述问题，参考图2，专利号为5172051的美国公开专利文件公开了另一种探头200，包括探头尖电阻Rt、RC并联电路110(包括电阻Rc和电容Cc)、无损同轴电缆130、终端网络140(包括电阻Rs3、电阻Rs2、电阻Rs1、电容Cs)。

探头尖电阻Rt与RC并联电路110串联，一方面形成一个最小探头输入阻抗，另一方面与无损同轴电缆130的特征阻抗一起提供80％的高频衰减。