CN108631287A

CN108631287A - 用于示波器测量通道的保护电路

Info

Publication number: CN108631287A
Application number: CN201810229080.6A
Authority: CN
Inventors: 陈清麒; 理查德·威廉姆·卡伍兹; 克里希纳·普拉萨德·巴特
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2018-10-09
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: US10707673B2; DE102018106493A1; US20180278043A1; CN108631287B

Abstract

本公开涉及一种用于示波器测量通道的保护电路。一种系统包括浪涌保护电路，所述浪涌保护电路经由信号传输线电连接在源与示波器之间并且包括二极管，所述二极管被配置为：响应于源的电压小于阈值，反向偏置以使所述浪涌保护电路的阻抗与信号传输线解耦；响应于源的电压大于所述阈值，正向偏置以使所述阻抗吸收源的电压的多余能量。

Description

用于示波器测量通道的保护电路

技术领域

本公开涉及用于保护示波器的测量通道的系统和方法。

背景技术

数字示波器是用于执行数字信号处理和波形分析的强大的工程工具。示波器可包括模数转换器、显示器、多个用户控制件以及用于执行与各种测量有关的计算的处理器。

示波器可以是基于计算机的，从而允许软件环境下的仪器功能。因此，示波器可能不仅可被用于通用测量，也可被用于定制测量，甚至用作频谱分析器、计频器、超声波接收器或者另一测量仪器。

发明内容

一种系统包括浪涌保护电路，所述浪涌保护电路经由信号传输线电连接在源与示波器之间并且包括二极管，所述二极管被配置为：响应于源的电压小于阈值，反向偏置以使所述浪涌保护电路的阻抗与信号传输线解耦；响应于源的电压大于所述阈值，正向偏置以使所述阻抗吸收源的电压的多余能量。

一种方法包括：响应于源的电压小于阈值，通过使浪涌保护电路的二极管反向偏置，将浪涌保护电路的阻抗与电连接源和示波器的传输线解耦；响应于源的电压大于所述阈值，通过使所述二极管正向偏置，将所述阻抗与所述传输线耦合以吸收源的电压的多余能量。

一种示波器包括输入通道，所述输入通道在第一端连接到模数转换器并且在第二端连接到浪涌保护电路，浪涌保护电路包括一对二极管，每个二极管通过对应的电源进行偏置，使得二极管响应于由信号源产生的信号的电压大于对应的电源的电压而正向偏置并将能量引导到能量吸收元件。

根据本发明的一个实施例，二极管响应于所述信号的电压小于对应的电源的电压而反向偏置。

根据本发明的一个实施例，二极管的正向偏置使浪涌保护电路的阻抗与输入通道耦合，并且二极管的反向偏置使所述阻抗与输入通道解耦。

根据本发明的一个实施例，能量吸收元件是稳压二极管，稳压二极管限定小于对应的电源的电压的反向击穿电压。

根据本发明的一个实施例，浪涌保护电路还包括连接在输入通道之间的电阻器，并且所述电阻器被配置为使浪涌保护电路的阻抗与输入通道的阻抗相匹配。

附图说明

图1是示出用于保护示波器的输入通道的示例电路图的框图；

图2A和图2B是示出电压信号波形的曲线图；

图3是示出传输线阻抗波形的曲线图。

具体实施方式

在此描述了本公开的实施例。然而，应该理解的是，所公开的实施例仅是示例，并且其它实施例可采用各种可替代的形式。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以多种方式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的是，参照任一附图示出和描述的各个特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征相组合，以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供了用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可被期望用于特定的应用或实施方式。

电力电子测试和其它项目可使得使用被配置为测量高频和/或高带宽信号的仪器成为必需。带宽描述了输入信号的频率范围，所述输入信号可以以最小振幅损耗经过模拟前端，从探头或测试固定装置的尖端到示波器的模数转换器的输入。带宽可被定义为频率f，正弦输入信号在频率f下衰减到其初始振幅的70.7％(也被称为-3 dB点)。由高频分量组成的信号可包括示波器用户感兴趣的抖沿(sharp edge)或其它特征。作为一个示例，10MHz方波由10MHz正弦波及其无数个谐波组成。为了精确地捕捉该信号的形状，示波器的带宽必须足够大以捕捉这些谐波中的多个谐波。

通用测量设备可能无法在不冒险将设备组件暴露给超出它们的规格的电流和电压的情况下适应具有高幅值和大的高频分量中的一个或两者的信号的测量。为了观测和/或分析具有高电流/电压幅值(诸如但不限于在20安培(A)与10kA(千安)之间)和高频率分布曲线(诸如大于50兆赫(MHz)的频率)两者的输入信号，一个或更多个电流分流电阻器可被应用于示波器信号电路。电流分流电阻器可限定对电路影响最小且产生相对小的寄生电感的低阻抗电阻，从而允许测量具有较高带宽或频率范围的电流信号分布曲线。

典型的示波器的输入端子或输入通道可被配置为接纳信号传输线缆。在一个示例中，传输线缆(也称作传输线)可限定同轴电缆，所述同轴电缆包括位于第一端的探头和位于第二端的射频连接器(例如，包括一对卡口接线器(bayonet lug)的连接器)。在一些示例中，探头可包括被配置为接纳弹性或刚性探头尖端以及叶片式(blade)或偏移式接地尖端的探头头部(probe head)。将探头尖端附连到(或者以其它方式放置到)信号源附近可使得能够使用示波器来观测、测量以及分析信号源的输出信号。在一些其它示例中，探头可包括夹具，夹具被配置为接纳导线的一个或更多个线圈，信号在所述导线中被测量。

例如，探头可限定包括一个或更多个无源电路组件且具有相对低的带宽的无源探头。在另一示例中，探头可限定包括并联连接的集成的电阻器和电容器的分压探头或衰减探头。在另一示例中，探头可以是限定测量高频信号或将测量与特定接地参考隔离所必需的低输入电容的有源探头。在另一示例中，探头可包括被用于示波器的差分或浮动输入的差分探头、用于测量高直流(DC)偏移或大电压范围的高电压有源探头和电流探头中的一个，所述电流探头包括霍尔效应传感器和电流互感器(current transformer)中的至少一个且被配置为将检测到的电流转换为可使用示波器查看并测量的电压。其它探头类型和配置以及限定附加或完全不同的功能的探头也可被预期。

位于传输线缆的第二端的连接器可被配置为连接到示波器的至少一个输入通道。探头或探头组件对信号的影响可相应地使得在示波器处接收的信号失真。给定探头的输入电阻、电容、带宽以及其它规格和操作特性可影响探头传输到示波器的信号。

作为一个示例，电路的阻抗和示波器的输入阻抗可一起限定低通滤波器。针对非常低的频率，电容器可充当开路，从而对于测量具有很小的影响或者不具有任何影响。针对高频率，电容器的阻抗对于测量的影响可变得显著，并且可降低(load down)通过示波器查看到的电压(诸如可在频域观测到的电压)。如果输入是正弦波，则振幅可随频率的增大而减小，并且相位可偏移。负载也可影响示波器对于电压阶跃变化的响应。由于示波器的输入阻抗(以及探头电容)产生的负载可以是电阻性负载和电容性负载中的一个或更多个。电阻性负载可以是由于示波器的输入电阻而产生的，而电容性负载可以是由于与示波器输入电容组合的探头电容而产生的。

电阻性负载可使用分压器电路来示出，使得传送到示波器输入的电压V_IN可包括具有减小的振幅的电源电压V_S。作为示例，针对给定的最大电压V_MAX，时间t上的输入电压可如在等式(1)中示出的被给定：

电容性负载的影响可能是更加复杂的，并且可导致输入电压V_IN的指数响应。输入电压V_IN可以是具有随时间t从零伏增大到最大电压V_MAX的值的电压阶跃的结果，并且可如在等式(2)中示出的被给定：

其中，R_SC_T定义时间常数τ。

电阻性负载可改变电压阶跃的大小，但无法改变波形。电容性负载可减慢阶跃的上升时间，但可最终稳定于与理想频率响应相同的终值。带宽可与系统的上升时间成反比，使得测量仪器的带宽的减小可引起仪器的脉冲输入的上升时间和下降时间的相应的增加。

数字电路的输出电阻(驱动功能)可随着输出电压而变化，从而导致对电容性负载的影响的变化。然而，负载电容可减慢信号的上升时间，而电阻性负载可影响输出振幅。在信号到达下一逻辑门之前，数字电路中的增大的上升时间可从而导致增大的延迟。这可能是由于对于逻辑阈值的增大的信号上升时间，使得下一个门稍后切换。因此，在给定示波器的输入阻抗可足够大以防止或最小化电阻性负载的影响的情况下，给定电路可反而由于由探头引入的增大的信号上升时间而容易受到电容性负载影响。

探头的附加电容还可使得LC电路的谐振频率改变。在一个示例中，由探头引入的附加电容可将LC电路的谐振频率改变为其初始频率的0.93倍，从而可能妨碍在利用探头进行测量时该电路的正确操作。

在需要极低的电容以用于高频测量或者测量需要与给定接地参考隔离的情况下，有源探头可能是理想的。有源探头的集成有源放大器可使得探头在其输入端具有非常小的电容，诸如小于或等于2微微法拉(pF)的值。此外，放大器的输出阻抗可与示波器输入的阻抗相匹配，从而使得任何附加电容性负载的影响最小化。有源探头的低电容可导致高频率下的高输入阻抗。

信号传输线缆110可具有预定义阻抗，诸如但不限于50Ω。电流分流器的使用可能要求使用50Ω的传输线缆，传输线缆可直接连接到示波器信号输入端子或者可经由示波器外部的输入端子随后连接到示波器的1MΩ的输入端子。这种设置带来风险，过大的浪涌电流和/或电流分流器的熔断(blow-out)会导致测量线上的过大的浪涌电压和/或对测量设备的损害。

图1示出了被配置为保护示波器或者另一测量仪器免受电损害的示例保护电路100，电损害可能由于传输线电压大于预定义阈值所导致。电路100包括熔断器S₁ 102。作为一个示例，熔断器S₁ 102可以是一次性熔断器。作为另一示例，熔断器S₁ 102可以是可重置熔断器。

电路100可包括在信号源与示波器之间并联连接的电阻器R₁ 104。电阻器R₁ 104可以是阻抗匹配电阻器，所述阻抗匹配电阻器被配置为调节传输线阻抗以与示波器的输入端子处的阻抗值相匹配。

电路100还包括二极管D₁ 106和D₂ 108，每个二极管被配置为分别与第一能量吸收元件Z₁ 110和第二能量吸收元件Z₂ 112中的对应的一个耦合和解耦，使得第一能量吸收元件Z₁ 110和第二能量吸收元件Z₂ 112的对应的阻抗变为可被传输线和/或测量设备感知。二极管D₁ 106和D₂ 108可分别由各自的电源V₁ 114和V₂ 116进行偏置。电源V₁ 114和V₂ 116的值可被定义，使得对应的二极管D₁ 106和D₂ 108响应于线电压V_line小于电源V₁ 114和V₂ 116中的对应的一个的电压值而反向偏置，并且响应于线电压V_line大于电源V₁ 114和V₂ 116中的对应的一个的电压值而正向偏置。

作为一个示例，二极管D₁ 106可响应于线电压V_line小于电源V₁ 114的值而反向偏置。当二极管D₁ 106处于反向偏置状态时，二极管D₁ 106可因此使第一能量吸收元件Z₁ 110以及电路100的其它元件的阻抗与传输线解耦。

此外，二极管D₁ 106可响应于线电压V_line大于电源V₁ 114的值而正向偏置。当二极管D₁ 106处于正向偏置状态时，二极管D₁ 106可响应于线电压V_line大于第一能量吸收元件Z₁ 110的钳位电压V_clamp+而将能量引导到第一能量吸收元件Z₁ 110。二极管D₁ 106可因此使第一能量吸收元件Z₁ 110以及电路100的其它元件的阻抗与传输线耦合。能量浪涌可因此经过第一能量吸收元件Z₁ 110，从而将线电压V_line钳位(例如，限制)在大约等于第一能量吸收元件Z₁ 110的钳位电压V_clamp+的值。

电路100可以是元件对称的，使得二极管D₂ 108可被配置为以与二极管D₁ 106相对于正电压值的操作类似的方式相对于负电压值进行操作。例如，二极管D₂ 108可响应于负的线电压V_line小于电源V₂ 116的值而反向偏置。当二极管D₂ 108处于反向偏置状态时，二极管D₂ 108可使第二能量吸收元件Z₂ 112以及电路100的其它元件的阻抗与传输线解耦。

此外，二极管D₂ 108可响应于负的线电压V_line大于电源V₂ 116的值而正向偏置。当二极管D₂ 108处于正向偏置状态时，二极管D₂ 108可响应于线电压V_line大于第二能量吸收元件Z₂ 112的钳位电压V_clamp-而将能量引导到第二能量吸收元件Z₂ 112。二极管D₂ 108可使第二能量吸收元件Z₂ 112以及电路100的其它元件的阻抗与传输线耦合。能量浪涌可因此经过第二能量吸收元件Z₂ 112，从而将线电压V_line钳位(例如，限制)在大约等于第二能量吸收元件Z₂ 112的钳位电压V_clamp-的值。

能量吸收元件Z₁ 110和Z₂ 112可以是稳压二极管，稳压二极管限定在稳压二极管击穿且在稳压二极管的结之间开始传导反向电流之前的击穿电压或者二极管接纳的反向电压的量。因此，限定稳压二极管的能量吸收元件Z₁ 110和Z₂ 112可响应于线电压V_line大于能量吸收元件Z₁ 110和Z₂ 112中的每个所对应的击穿电压而在其端子之间传导反向偏置流向的电流。在超过能量吸收元件Z₁ 110和Z₂ 112的击穿电压之前，能量吸收元件Z₁ 110和Z₂112可被配置为将它们的各自的两个端子之间的电压保持在线电压V_line的值。

多个电阻器R₂、R₃、R₄可被配置为充当低频去耦元件，以将电源V₁ 114和V₂ 116与高频传输线解耦。

电路100可被配置为提供保护以免受高达1000V DC(直流电压)的电压尖峰的损害，同时保持示波器操作需求(诸如但不限于，50Ω的传输线终端阻抗、具有显著小于针对设备规定的最大电压的值的输出电压(例如，针对设备规定的电压±325V的输出电压大约±20V)、在比电流分流器(10-20MHz)大的带宽(50MHz)下进行操作、对于传输线的侵入影响最小(误差<1％)以及防止在故障中断期间信号源的输出与示波器的输入端子之间的电弧或者使所述电弧最小化)。

作为示例，保护电路100可在四层印刷电路板(PCB)(未示出)上被实现。PCB的顶层可主要专用于高频测量传输线、传输熔断器元件并且确保传输线的阻抗与示波器的输入处的阻抗之间的阻抗匹配。保护电路的PCB实现可被配置为包括具有最小宽度的一个或更多个迹线，所述最小宽度足以支持充当传输线并且确保有效的50Ω的传输线阻抗与示波器的输入处的50Ω的阻抗相兼容。

PCB的底层可包括多个保护组件，诸如但不限于一个或更多个串联二极管、抑制二极管等等。保护组件可被配置为吸收多余的能量以避免对设备的损害。在一些示例中，信号接地线可限定电流的返回路径。电源接地可保留不使用，以减少可能的接地电流的影响。电源接地的实际存在由于4层PCB设计而是必要的。

图2A和图2B示出了源信号202和输入端子信号204的示例图200-A和200-B，源信号202通过例如将第一探头置于信号源附近而被检测到，输入端子信号204通过例如将第二探头置于与同一信号源连接的示波器或另一测量仪器的输入端子附近而被检测到。输入端子信号204(即，由连接到发起源信号202的信号源的测量仪器接收的信号)可因此指示源信号202可能对接收源信号202的仪器产生的影响。

信号202和204的分布曲线可分别在例如第一输入通道206和第二输入通道208上进行显示。信号202和204可以是电压信号，每个电压信号具有相同或不同的上升时间和下降时间210并且根据相同或不同的信号显示尺度212(例如，由用户选择的预定义显示尺度)被示出。一个或更多个附加设置220可被应用以查看、显示或分析信号202和204。

作为一个示例，在图2A中示出其输入端子信号204的测量仪器可以是未配备有保护电路(诸如，参照图1描述的示例电路100)的仪器。在时间t₁ 216检测到的在未受保护的测量仪器的输入端子处的输入端子电压V_INT 214可指示在时间t₁ 216检测到的在信号源处的源电压V_SRC 218。更具体地，如在图2A中示出的，假设对应的显示尺度212对于信号202和204两者是相同的(例如，V_{1_scale}＝V_{2_scale})，则输入端子电压V_INT 214可与源电压V_SRC 218近似相等。在源电压V_SRC 218大于仪器的最大操作电压的情况下，输入端子和/或测量仪器本身的操作可能受负面影响。

在另一示例中，在图2B中示出其输入端子信号222的测量仪器可包括保护电路(诸如，参照图1描述的示例电路100)。在时间t₁ 226检测到的在受保护的测量仪器的输入端子处的受保护的输入端子电压V_{INT_P} 224可指示远小于在时间t₁ 226检测到的在信号源处的源电压V_SRC 218的值。

更具体地，仪器可被配备有保护电路100，保护电路100包括分别通过电压源114和116进行偏置的二极管106和108，并且保护电路100还包括具有预定义击穿电压V_BRK的能量吸收元件Z₁ 110和Z₂ 112。保护电路100可被配置为：响应于在保护电路的输入处的电压大于电压源114和116中的对应一个的电压，使得二极管106和108中的对应一个导通(或者变为正向偏置)。

保护电路100可因此将电路100的阻抗与通向测量仪器的输入端子的传输线进行耦合。保护电路100可因此使得能量吸收元件Z₁ 110和Z₂ 112中的对应一个吸收、重新引导和/或消耗超过元件的预定义击穿电压V_BRK的能量。包括保护电路100的测量仪器的受保护的输入端子电压V_{INT_P} 224可因此与元件Z₁ 110和Z₂ 112之一的预定义击穿电压V_BRK近似相等。

图3示出了示出沿垂直轴示出的传输线阻抗变化相对于沿水平轴且以赫兹(Hz)为单位测量的信号频率变化的示例曲线图300。相对于频率的传输线阻抗可例如在测量仪器的输入端子处被检测，所述测量仪器电连接到产生不同频率的源信号的信号源。

第一曲线302可指示在不包括保护电路100的测量仪器的输入端子处阻抗相对于频率的变化。第二曲线304可指示在包括保护电路100的测量仪器的输入端子处阻抗相对于频率的变化。如在图3中示出的，曲线302和304指示当频率值增大时每条曲线302和304在给定频率下的对应的阻抗值之间的差的减小。无论具有高频分量的信号(诸如，包括以兆赫兹(MHz)和千兆赫(GHz)为单位测量的频率的信号)是否已通过保护电路100的一个或更多个组件，曲线302和304相应地都指示所述具有高频分量的信号可在测量仪器的输入端子处具有近似相等的阻抗。

在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机，或者通过处理装置、控制器或计算机来实现，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用的电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可以以多种形式被存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，所述多种形式包括但不限于信息永久存储在非可写存储介质(诸如ROM装置)上以及信息可改变地存储在可写存储介质(诸如软盘、磁带、CD、RAM装置和其它磁性和光学介质)上。所述处理、方法或算法还可在软件可执行对象中被实现。可选地，所述处理、方法或算法可使用适合的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的组合来被全部或者部分地实现。

说明书中所使用的词语是描述性的词语而非限制性的词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各种实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各种实施例可能已经被描述为提供在其它实施例或者现有技术实施方式之上的优点或优于其它实施例或者现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应认识到，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现依赖于特定应用和实施方式的期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、组装的容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式的实施例并未在本公开的范围之外，并可被期望用于特定应用。

Claims

1.一种系统，包括：

浪涌保护电路，经由信号传输线电连接在源与示波器之间，并且所述浪涌保护电路包括二极管，所述二极管被配置为：

响应于源的电压小于阈值，反向偏置以使所述浪涌保护电路的阻抗与信号传输线解耦；

响应于源的电压大于所述阈值，正向偏置以使所述阻抗吸收源的电压的多余能量。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述浪涌保护电路包括与所述二极管串联的能量吸收元件。

3.如权利要求2所述的系统，其中，能量吸收元件是稳压二极管，所述稳压二极管限定小于所述阈值的反向击穿电压。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述浪涌保护电路包括被配置为构建所述阈值并且使所述二极管反向偏置的电压源。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述浪涌保护电路包括多个电阻器，所述多个电阻器以分压器配置与所述电压源连接，并且被配置为：响应于在源发起的信号的频率大于预定义频率，使所述电压源与信号传输线解耦。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述浪涌保护电路包括电连接在示波器的输入端子之间的电阻器，使得所述浪涌保护电路的阻抗与所述输入端子的阻抗相匹配。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述浪涌保护电路是元件对称的。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述浪涌保护电路包括沿着源与所述二极管之间的信号传输线电连接的熔断器，并且所述熔断器被配置为响应于源的电压大于所述二极管的最大电压阈值而中断对示波器的信号传输，其中，所述二极管的最大电压阈值大于所述阈值。

9.一种方法，包括：

响应于源的电压小于阈值，通过使浪涌保护电路的二极管反向偏置，将浪涌保护电路的阻抗与电连接源和示波器的传输线解耦；

响应于源的电压大于所述阈值，通过使所述二极管正向偏置，将所述阻抗与所述传输线耦合以吸收源的电压的多余能量。

10.如权利要求9所述的方法，其中，使用与所述二极管串联电连接的能量吸收元件来进行多余能量的吸收。

11.如权利要求10所述的方法，其中，能量吸收元件是稳压二极管，所述稳压二极管限定小于击穿阈值的反向击穿电压。

12.如权利要求9所述的方法，其中，所述二极管通过构建所述阈值并使所述二极管反向偏置的电压源而进行偏置。

13.如权利要求12所述的方法，还包括：响应于在源发起的信号的频率大于预定义频率，使用多个电阻器将所述电压源与所述传输线解耦，其中，所述多个电阻器以分压器配置与所述电压源连接。

14.如权利要求9所述的方法，其中，浪涌保护电路包括电连接在示波器的输入端子之间的电阻器，使得浪涌保护电路的阻抗与所述输入端子的阻抗相匹配。

15.如权利要求9所述的方法，其中，浪涌保护电路是元件对称的，并且解耦是响应于所述源的电压小于由负电压源构建的负阈值的，耦合是响应于所述电压大于所述负阈值的。