CN108008170A - 一种数字示波器有源低压差分探头 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种数字示波器有源低压差分探头，主要由探头头部，带偏置线的同轴电缆和差分探头放大器三部分组成，差分探头放大器部分利用商用高频差分放大器件来实现差分放大电路，两路差分射频信号通过探头前端的双子连接器进入探头，高频信号通过输入阻抗匹配电路中各自的缝隙电容耦合到后级的衰减系数切换电路的程控衰减器中，然后进入模式转换开关电路，通过开关选择通路进入后级的差分放大电路进行放大；放大后的信号通过低通滤波器后经带偏置线的射频同轴电缆，由探头头部前端的BMA连接器接入到示波器输入端。本发明实现不同的衰减系数的有源低压差分探头整体设计成本大大降低，是一种值得推广的电路设计。

Description

一种数字示波器有源低压差分探头
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种数字示波器有源低压差分探头。
背景技术
有源探头的前端有一个高带宽的放大器，放大器是需要供电的，放大器的输入阻抗都是比较高的，所以有源探头可以提供比较高的输入阻抗；同时放大器的输出驱动能力又很强，所以可以直接驱动后面50欧姆的负载和传输线。由于50欧姆的传输线可以提供很高的传输带宽，再加上放大器本身带宽较高，所以整个探头系统相比无源探头就可以提供更高带宽。
但是有源探头的缺点在于，除了价格因素外，另外一个原因在于其有限的动态范围。高带宽放大器的输入电压范围是不可能很大的，所以有源探头不可能像无源探头有那么大的测量范围。常用的无源探头的动态范围普遍在几百伏，而有源探头的典型动态范围都在几伏左右，所以应用场合会有一些限制。
有源探头里一个重要的分支是有源差分探头，区别在于其前端的放大器是差分放大器，输入端可以输入两路大小相等，相位相差180°的差分信号。差分放大器的好处是可以直接测试高速的差分信号，同时其共模抑制比高，对共模噪声的抑制能力比较好。
差分探头电路最重要的设计就是对称拓扑结构，即两路差分通路完全相同且呈轴对称分布。
目前，有源差分探头中差分放大器芯片集成度高，设计难度大，所涉及的关键技术多，如将程控衰减技术、模式转换技术集成到芯片内部。这种芯片内部具有输入失配调整电路、直流巴伦电路、预放大电路、程控数控衰减器、差动放大电路及模式转换电路等，因此价格也极其昂贵，随着频率的升高，这种差分芯片价格更是极其昂贵，因此，大大限制了有源差分探头的应用。
发明内容
为解决现有的有源差分探头价格昂贵的问题，本发明提出了一种数字示波器有源低压差分探头，利用商用的差分放大器器件，外加程控衰减电路、阻抗匹配电路及开关切换电路，大大降低了有源差分探头的成本。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种数字示波器有源低压差分探头，两路差分射频信号通过探头前端的双子连接器进入探头，高频信号通过输入阻抗匹配电路中1各自的缝隙电容耦合到后级的衰减系数切换电路2的程控衰减器中，然后进入模式转换开关电路3，通过开关选择通路进入后级的差分放大电路4进行放大，模式转换开关电路3和差分放大电路4的组合电路进行单端和差分模式的转换；放大后的信号通过低通滤波器后经带偏置线的射频同轴电缆7，由BMA连接器接入到示波器输入端。
所述程控衰减器不同衰减值的组合由信号处理板5中的逻辑电平进行控制，实现不同的衰减系数的控制。
可选地，衰减模式切换调节源于信号处理板5中微控制器MCU和EEPROM存储器件的逻辑控制，通过探头开关面板上按键开关的按压操作给微控制器MCU一个低电平信号，微控制器MCU再通过内部程序并由相应的数据端口输出TTL高低电平来实现对程控衰减器的控制，从而实现两种衰减系数的切换选择。
可选地，所述差分放大电路的校零偏移电压调节通过两路数字电位计作为电压跟随器的同相输入端，两路电压跟随器输出端再由数字电位计合为一路作为后端电压跟随器的同相输入端，最后通过运放反相比例放大器完成对所述差分放大电路的校零偏移调节。
可选地，在两路差分输入端对地处设计了静电放电电路11，静电放电电路11采用厚膜电阻和缝隙电容串联到地的方式。
可选地，利用EEPROM芯片来存储示波器探头的校准和识别信息，用来识别和校准示波器探头。
可选地，两路差分射频信号通过探头前端的双子CSMP连接器进入探头，CSMP连接器是一种超小型推入式射频同轴连接器。
可选地，所述差分放大电路4和信号处理板5通过射频电缆进行连接。
可选地，所述射频电缆为双屏蔽层电缆，在射频电缆外套外铺设了六根加电线，实现示波器主机对前端差分放大电路供电。
可选地，在所述加电线外又铺设一层屏蔽层，其外部再套一层护套。
本发明的有益效果是：
(1)射频前端电路中的输入阻抗匹配网络采用厚膜电路制作，输入电容使用缝隙电容，减少了分布电容和分布电阻对前端的影响；
(2)采用市场上成熟的射频差分放大芯片来放大射频信号，和国外的产品对比具有成本低，可靠性好等优点；
(3)采用数字电位计和双跟随器合路调零相结合的方式来调节运算放大器的放大倍数从而精确控制前端探头放大器电路的偏移电压，包括增益偏移电压和零点偏移电压调节，从而提高示波器探头的动态范围和测量精度；
(4)采用厚膜电阻和缝隙电容串联到地方式设计了抗静电干扰电路，设计简单，体积小，实用性好等优点；
(5)射频电缆为双屏蔽层电缆设计，在第一层屏蔽层外内设几根加电线以便于给前端探头放大器加电，双屏蔽层设计更好地解决了电磁兼容的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种数字示波器有源低压差分探头的原理框图；
图2为本发明一种数字示波器有源低压差分探头的校零偏移电路原理图；
图3为本发明一种数字示波器有源低压差分探头的电路板设计图；
图4为本发明一种数字示波器有源低压差分探头开关面板设计图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
有源探头的所有优异特性都是由其前端的放大器带来的，但是这个高带宽的放大器造价很高，而且又要放在探头前端有限的空间内，因此实现成本很高。一般无源探头的价格都是几百美金左右，而有源探头的价格普遍在几千美金量级，所以有源探头一般用在需求高的测量带宽的场合，由于高昂的价格限制了有源探头的普及。
本发明提出了一种数字示波器有源低压差分探头，通过商用差分器件实现专用差分芯片同样的功能，降低差分探头成本。
本发明的有源低压差分探头利用市场上商用的差分放大器件、厚膜微带集成电路和高频印制板实现频率高达4GHz的数字示波器有源差分探头电路设计，采用了差分对称设计技术及模式切换技术来实现。厚膜微带电路主要实现前端电阻网络，输入电容采用微带缝隙方式制作在微带片上，具有较低的分布电阻和分布电容，然后厚膜电路通过导电胶粘在印制板上，厚膜电路和印制板之间的射频通路通过金网连接，故整个电路具有通道插损小、一致性好、集成度高、成本低、可靠性高等优点。
下面结合说明书附图对本发明的数字示波器有源低压差分探头进行详细说明。
如图1所示，本发明的有源低压差分探头，两路差分射频信号通过探头前端的双子连接器进入探头，高频信号通过输入阻抗匹配电路1各自的缝隙电容耦合到后级的衰减系数切换电路2的程控衰减器中，然后进入模式转换开关电路3，通过开关选择通路进入后级的射频差分放大电路4进行放大。模式转换开关电路3和射频差分放大电路4的组合电路可以进行单端和差分模式的转换。经过差分放大电路4放大后的信号通过低通滤波器后经带偏置线的射频同轴电缆7，由BMA连接器接入到示波器某通道输入端。
本发明的程控衰减器采用6位步进程控衰减器，程控衰减器不同衰减值的组合由信号处理板5中微控制器MCU进行程序逻辑控制，实现不同的衰减系数的控制，该逻辑控制电平为TTL电平。程控衰减器衰减系数切换采用信号衰减切换技术进行控制，信号衰减切换技术是通过探头开关面板上的“衰减”模式薄膜按键开关按压操作给微控制器MCU一个低电平信号，微控制器MCU再通过内部程序并由相应的数据端口输出TTL高低电平来实现对程控衰减器控制。
探头开关面板9设计了有“衰减”模式开关，它是一种薄膜按键开关，包括了衰减系数“5X”、“12.5X”两个模式可进行切换选择；并由相对应的两个LED灯进行指示。该面板中的电路有“桥”进行跨接设计，设计有透明窗便于发光LED的透光。
将差分探头接入数字示波器主机后，由示波器主机对探头供电。此时探头面板上的柔性扁平线FFC 95要事先插入到信号处理板5相应的接插件中。
当按一次“衰减”按键开关91时，“5X”指示灯921亮起，表示探头此时是进行5倍的衰减；再按一次此按键开关时，则“12.5X”指示灯922亮起，表示探头此时是进行12.5倍的衰减。
程控衰减器芯片采用步进0.5dB的6位程控衰减器，其内部有0.5dB，1dB，2dB，4dB，8dB，16dB六种档位的衰减值。衰减系数切换电路2中将程控衰减器芯片上的0.5dB，1dB相对应的焊盘接地实现不衰减，将2dB，4dB对应的焊盘接-5V高电平实现6dB的固定衰减，当将8dB置高电平-5V时，而16dB接地置0V时，此时实现14dB的衰减，即5X衰减；当将16dB置高电平-5V时，而8dB接地置0V时，此时实现22dB的衰减，即12.5X衰减。
通过探头开关面板上的“输入模式”薄膜按键开关按压操作给微控制器MCU一个低电平信号，微控制器MCU再通过内部程序并由相应的数据端口输出TTL高低电平来实现对模式转换开关电路的控制。
探头开关面板9设计了有“输入模式”开关，它也是一种薄膜按键开关，包括了“A-B”(差模)、“A-GND”和“B-GND”(单端)“(A+B)/2-GND”(共模)三模式可进行切换选择；并有相对应的四个LED灯进行指示。
当按一次“输入模式”按键开关93，此时会有开关面板上中“A-B”指示灯941亮起，表示此时探头可进行差分模式的测试；当再按一次“输入模式”按键开关93，此时会有开关面板上中“A-GND”指示灯942亮起，表示此时探头可进行A路单端模式的测试；以此类推，循环选择。
所述的单端模式测试，就是差分探头放大器4两输入端各自经电阻电容串联接地，其与差分模式间的转换由MCU控制模式转换开关3进行切换选择。
差分放大电路4的偏置电压是差分放大器所需的固定正负电压，通常为±5V，由信号处理板5中不同稳压模块输出的各种电压提供。校零偏移电路6给差分放大电路4提供差模输入电压的动态范围。
如图2所示，差分放大电路的校零偏移电路通过两路数字电位计作为电压跟随器的同相输入端，两路跟随器输出端再由数字电位计合为一路作为后端电压跟随器的同相输入端，采用电压跟随器的作用是为了增加电压的驱动能力和限定电压的变化范围，最后通过运放反相比例放大器完成所述差分放大电路的校零偏移调节。
数字电位计为2总线内置四组10kΩ的电位计集成器件，可通过微控制器MCU输出的SDA和SCL控制数字电位计中间抽头部分，数字电位计两端的VRL和VRH分别由-2.5V和+2.5V提供，-2.5V由示波器主机供电的-5V通过基准电压参考二极管获得，而+2.5V电压是有-2.5V通过运放反相比例电路产生的，这样在电压跟随器的输入端可实现-2.5V～+2.5V间的可调范围。
第一数字电位计66和第二数字电位计67分别通过第一电压跟随器61和第二电压跟随器62输出进入第三电位计68的RL端和RH端，第三电位计68中间抽头输出到第三电压跟随器63。第三电压跟随器63输出进入反相比例放大器64，反相比例放大器64的比例系数设计为小于1，将其输入端的电压变成满足差模输入电压的动态范围的最大值。为了使得反相比例放大器的同相和反相输入端始终保持稳定的零电位，同相端采用反向二极管对进行稳压，反相端采用数字电位计下拉到地的方式设计。
本发明还采用了静电抗干扰技术对有源差分探头进行了静电保护设计。在两路差分输入端对地处设计了静电抗干扰电路，在输入阻抗匹配电路1中采用厚膜电阻和缝隙电容串联到地的方式设计了静电放电电路11，设计体积小，占用空间小，适合在微带电路上实现。由于电容对静电有吸收作用，用电容进行ESD防护只能用数十皮法到数百皮法的小电容，这里所关注的并不是容量而是串联等效电感参数，静电放电极快，对应着很高的频率。电容的耐压问题则无需考虑，因为静电源内阻极高，电荷量很小，能量小，高压是悬浮的，故而放电时电压跌落极快。
本发明利用EEPROM芯片来存储示波器探头的校准和识别信息，从而使示波器能快速准确的识别和校准示波器探头。
另外本发明的探头前端采用双子CSMP连接器，CSMP连接器是一种超小型推入式射频同轴连接器，具有体积小(小于SSMP产品)、重量轻、工作频带宽等特点，适用于板间连接成对使用，其中插头连接器采用全擒纵界面形式，适用于模块化密集安装的场合，内部设计有多个连续同轴台阶，便于信号阻抗的匹配。
有源探头中差分放大电路4和信号处理板5是通过射频电缆进行连接的。电缆为双屏蔽层电缆，为了方便给前端的差分放大器件供电，本发明采用在射频电缆外套外铺设了六根很细的加电线方式来实现示波器主机对前端差分放大电路4供电。由于加电线通有一定大小的电流，会向外空间辐射电磁信号，为了更好地解决电磁兼容的问题，本发明在加电线外又铺设一层屏蔽层，其外部再套一层护套。
本发明的数字示波器有源低压差分探头采用衰减切换电路、模式转换开关电路及差分放大电路分离式设计，同样实现了专用差分放大芯片同样的功能，使得电路更容易实现，且制作成本大大降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种数字示波器有源低压差分探头，其特征在于，两路差分射频信号通过探头前端的双子连接器进入探头，高频信号通过输入阻抗匹配电路中(1)各自的缝隙电容耦合到后级的衰减系数切换电路(2)的程控衰减器中，然后进入模式转换开关电路(3)，通过开关选择通路进入后级的差分放大电路(4)进行放大，模式转换开关电路(3)和差分放大电路(4)的组合电路进行单端和差分模式的转换；放大后的信号通过低通滤波器后经带偏置线的射频同轴电缆(7)，由BMA连接器接入到示波器输入端；
所述程控衰减器不同衰减值的组合由信号处理板(5)中的逻辑电平进行控制，实现不同的衰减系数的控制。
2.如权利要求1所述的数字示波器有源低压差分探头，其特征在于，
衰减模式切换调节源于信号处理板(5)中微控制器MCU和EEPROM存储器件的逻辑控制，通过探头开关面板上按键开关的按压操作给微控制器MCU一个低电平信号，微控制器MCU再通过内部程序并由相应的数据端口输出TTL高低电平来实现对程控衰减器的控制，从而实现两种衰减系数的切换选择。
3.如权利要求1所述的数字示波器有源低压差分探头，其特征在于，
所述差分放大电路的校零偏移电压调节通过两路数字电位计作为电压跟随器的同相输入端，两路电压跟随器输出端再由数字电位计合为一路作为后端电压跟随器的同相输入端，最后通过运放反相比例放大器完成对所述差分放大电路的校零偏移调节。
4.如权利要求1所述的数字示波器有源低压差分探头，其特征在于，在两路差分输入端对地处设计了静电放电电路(11)，静电放电电路(11)采用厚膜电阻和缝隙电容串联到地的方式。
5.如权利要求1所述的数字示波器有源低压差分探头，其特征在于，利用EEPROM芯片来存储示波器探头的校准和识别信息，用来识别和校准示波器探头。
6.如权利要求1所述的数字示波器有源低压差分探头，其特征在于，两路差分射频信号通过探头前端的双子CSMP连接器进入探头，CSMP连接器是一种超小型推入式射频同轴连接器。
7.如权利要求1所述的数字示波器有源低压差分探头，其特征在于，所述差分放大电路(4)和信号处理板(5)通过射频电缆进行连接。
8.如权利要求7所述的数字示波器有源低压差分探头，其特征在于，
所述射频电缆为双屏蔽层电缆，在射频电缆外套外铺设了六根加电线，实现示波器主机对前端差分放大电路供电。
9.如权利要求8所述的数字示波器有源低压差分探头，其特征在于，
在所述加电线外又铺设一层屏蔽层，其外部再套一层护套。
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