CN111413527A - 一种用于示波器的单端有源探头以及信号检测系统 - Google Patents

Abstract

一种用于示波器的单端有源探头以及信号检测系统，其中单端有源探头包括探头接口电路和探头前端电路；探头接口电路用于对由其第一端接收的直流电进行稳压变换和根据其第一端接收的控制信号产生偏置配置信号，并通过其第三端输出稳压变换后的直流电和偏置配置信号；探头接口电路还用于从其第三端接收一同轴信号并通过其第二端输出；探头前端电路用于在其第四端接收的所述偏置配置信号的作用下对其第五端接收的待检测信号进行处理，以及产生同轴信号并通过其第四端输出到探头接口电路的第三端。由于探头接口电路和探头前端电路分别负责不同的工作，两者之间相互配合且互不干扰，如此可以提高单端有源探头对待检测信号的处理效率。

Description

一种用于示波器的单端有源探头以及信号检测系统

技术领域

本发明涉及示波器技术领域，具体涉及一种用于示波器的单端有源探头以及信号检测系统。

背景技术

示波器探头是把被测信号连接到示波器输入上的设备，其性能对测量结果的准确性以及正确性至关重要，它实质上是连接被测电路与示波器输入端的电子部件。最简单的探头是连接被测电路与电子示波器输入端的一根导线，由于没有采取屏蔽措施很容易受到外界电磁场的干扰，而且本身等效电容较大，容易造成被测电路的负载增加；然而，复杂的探头由阻容元件和有源器件组成。通常可以将示波器探头分为有源探头和无源探头。

其中，无源探头由线缆和无源器件构成，探头不需要电源供电。无源探头通常能提供1MΩ或者10MΩ的高输入阻抗，但是输入电容无法做到很小，所以无源探头的带宽无法做到很高，带宽一般在500MHz以内。有源探头内包含有源器件，比如放大器、晶体管，同时需要外部提供电源。有源探头在实现高输入阻抗的同时也能做到很小的输入电容，负载效应要明显优于无源探头，有源探头的带宽一般能做到大于1Ghz。

此外，有源探头分为单端有源探头和差分有源探头。单端有源探头以地为参考，实现对被测电路单点测试，可以满足大部分应用场合；差分探头主要用于观测差分信号，差分信号时相互参考，而不是以地为参考。当前，有源探头多应用在中高端的示波器中，并一直被国外品牌如泰克、安捷伦等垄断，存在探头结构复杂，价格昂贵且维修成本高的应用情况。

在专利文献(CN102735887B)中，输入信号首先经过高通模块、低通模块输入到阻抗变换模块进行阻抗变换和增强驱动，然后在输出电路中进行频率补充、增益调节和输出阻抗调节，最后输出给后级示波器。由此可知，该方案信号输入时经过高通模块到达阻抗变换网络，要保证探头的高输入阻抗特性，其阻抗变换网络的输入端必须是场效应管器件，比如现有方案使用的是双栅极场效应管，该场效应管器件会限制整个探头的带宽，致使带宽仅能达到1.5GHz。此外，该方案的电路结构存在一些不合理之处，使得输入信号范围受限于阻抗变换网络，比如最大输入信号的幅度不能超过2V；这种电路结构的输入电容受限于场效应管器件和器件在PCB上的寄生电容，无法做到更小的输入电容；还有，输出电路用于与示波器的输入电阻配合实现10倍衰减(衰减2dB)，这种电路结构无法让输出端阻抗与线缆阻抗以及示波器输入阻抗保持一致，会产生明显的信号反射现象，从而影响有源探头的带宽和带宽内的平坦度；并且，现有有源探头电路往往还不具备探头直流偏置的调节功能，大大地限制了探头自身的适用范围。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是如何解决现有有源探头电路中存在的带宽、输入信号范围、直流偏置等方面的限制，提供一种具有大输入信号范围、高输入阻抗、更小输入电容、高带宽特性且具备探头直流偏置调节能力的有源探头。

根据第一方面，一种实施例中提供一种用于示波器的单端有源探头，所述示波器包括通信接口和BNC接口，所述单端有源探头包括探头接口电路和探头前端电路；所述探头接口电路具有第一端、第二端和第三端；所述探头接口电路的第一端用于与所述示波器的通信接口连接并接收所述通信接口输出的直流电和控制信号；所述探头接口电路用于对由其第一端接收的直流电进行稳压变换和根据其第一端接收的控制信号产生偏置配置信号，并通过其第三端输出稳压变换后的直流电和所述偏置配置信号；所述探头接口电路的第二端用于与所述示波器的BNC接口连接，所述探头接口电路还用于从其第三端接收一同轴信号并通过其第二端输出；所述探头前端电路具有第四端和第五端，所述探头前端电路的第四端与所述探头接口电路的第三端连接，以接收所述偏置配置信号和直流电；所述探头前端电路的第五端用于与外部的待检测电路连接并接收由所述待检测电路发射的待检测信号；所述探头前端电路用于利用其第四端接收所述偏置配置信号并对其第五端接收的待检测信号进行高低通衰减、阻抗变换、偏置反馈调节和输出阻抗调节的处理，以及产生所述同轴信号并通过其第四端输出到所述探头接口电路的第三端。

所述探头接口电路包括供电模块、控制模块和传输模块；所述供电模块与所述探头接口电路的第一端、第三端分别连接，用于将所述探头接口电路的第一端接收的直流电进行稳压变换得到多个等级的正/负直流电，并通过所述探头接口电路的第三端输出所述正/负直流电；所述控制模块与所述探头接口电路的第一端、第三端分别连接，用于根据所述探头接口电路的第一端接收的控制信号控制直流偏置的配置以产生配置信号，以及对配置信号进行数模转换和模拟放大之后生成所述偏置配置信号，并通过所述探头接口电路的第三端输出所述偏置配置信号；所述传输模块与所述探头接口电路的第二端、第三端分别连接，用于将所述探头接口电路的第三端接收的所述同轴信号传输至所述探头接口电路的第二端，并通过所述探头接口电路的第二端输出。

所述供电模块包括低压线性稳压器，所述低压线性稳压器用于在所述探头接口电路的第一端输入第一等级的直流电时，对第一等级的直流电进行直流稳压转换得到第二等级的正/负直流电。

所述控制模块包括控制器、数模转换器和放大器；所述控制器存储有探头参数信息，所述控制器用于将所述探头参数信息由所述探头接口电路的第一端发送至所述示波器的通信接口，以使得所述示波器利用所述探头参数信息生成所述控制信号，所述控制器还用于接收和利用所述控制信号进行直流偏置的配置以产生配置信号；所述探头参数信息包括探头型号、探头带宽、探头输入电容、探头输入电阻、探头动态范围、探头衰减比中的一者或多者；所述数模转换器、所述放大器分别用于对所述控制器产生的配置信号进行数模转换和模拟放大，模拟放大之后生成所述偏置配置信号且通过所述探头接口电路的第三端输出。

所述探头接口电路还包括检测模块，所述检测模块与所述探头接口电路的第一端连接；所述检测模块用于与所述示波器的通信接口配合形成分压线路且产生分压信号，并通过所述探头接口电路的第一端输出所述分压信号至所述示波器的通信接口，以使得所述示波器根据所述分压信号确定所述探头接口电路接入所述通信接口。

所述探头接口电路的第一端包括多路与所述示波器的通信接口相适配的管脚，其中有两路管脚分别作为数据线、时钟线且配合传输所述探头参数信息和所述控制信号，其中还有一路管脚作为探头识别线且传输所述分压信号，其中还有三路管脚分别作为正极电源线、负极电源线、接地线且配合传输直流电。

所述的单端有源探头还包括用于连接所述探头接口电路的第三端和所述探头前端电路的第四端的线缆组件，所述线缆组件包括一条同轴线和五条编织线，其中同轴线作为所述同轴信号的的传输线路，五条编织线分别作为第一等级的正直流电线路、第一等级的负直流电线路、第二等级的正直流电线路、第二等级的负直流电线路和所述偏置配置信号的传输线路。

所述探头前端电路包括高通衰减电路、低通衰减电路、阻抗变换电路、偏置反馈电路和输出匹配电路；所述高通衰减电路具有输入端和输出端，所述高通衰减电路的输入端与所述探头前端电路的第五端连接并接收所述待检测信号，用于对接收的所述待检测信号进行高通衰减处理得到第一衰减信号，并通过其输出端输出；所述低通衰减电路具有输入端、比较端和输出端，所述低通衰减电路的输入端与所述探头前端电路的第五端连接并接收所述待检测信号，用于对接收的所述待检测信号进行低通衰减处理得到第二衰减信号，并通过其输出端输出；所述低通衰减电路的输出端和所述高通衰减电路的输出端连接，所述第一衰减信号和所述第二衰减信号构成衰减信号；所述阻抗变换电路具有输入端和输出端，所述阻抗变换电路的输入端接收所述衰减信号，用于对所述衰减信号进行阻抗变换处理，得到变换信号并通过其输出端输出；所述偏置反馈电路具有输入端、输出端和配置端，所述偏置反馈电路的输入端与所述阻抗变换网络的输出端连接且接收所述变换信号，所述偏置反馈电路的输出端与所述低通衰减电路的比较端连接，所述偏置反馈电路的配置端与所述第四端连接且接收所述偏置配置信号；所述偏置反馈电路用于根据所述变换信号和所述偏置配置信号得到反馈信号，并通过其输出端输出；所述输出匹配电路的输入端与所述阻抗变换网络的输出端连接，所述输出匹配电路的输出端与所述探头前端电路的第四端连接；所述输出匹配电路用于对所述变换信号进行阻抗变换得到所述同轴信号，以使得所述同轴信号具有与示波器的BNC接口相匹配的输出阻抗；所述输出匹配电路的输出端输出所述同轴信号；所述高通衰减电路、低通衰减电路、阻抗变换电路、偏置反馈电路和输出匹配电路由所述探头前端电路的第四端接收的稳压变换后的直流电进行供电。

根据第二方面，一种实施例中提供一种信号检测系统，包括示波器和上述第一方面中所述的单端有源探头，所述示波器具有通信接口和BNC接口；所述示波器的通信接口与所述单端有源探头中探头接口电路的第一端连接，所述示波器的BNC接口与所述单端有源探头中探头接口电路的第二端连接，所述单端有源探头中探头前端电路的第五端用于与外部的待检测电路连接，所述待检测电路用于向所述第五端发射待检测信号；所述示波器用于通过所述通信接口向所述第一端输出直流电和控制信号，且通过所述BNC接口获取所述第二端发送的同轴信号；所述示波器还用于对所述同轴信号进行数字分析以得到所述待检测信号的参数信息。

所述示波器包括电源电路、阻抗电路、处理器和显示器；所述电源电路与所述通信接口连接，用于通过所述通信接口输出直流电；所述阻抗电路与所述BNC接口连接，且与所述BNC接口连接的那一端与经过一预设阻值的阻抗元件连接，该阻抗元件的另一端连接至所述电源电路的接地端；所述阻抗电路用于通过所述BNC接口接收所述同轴信号；所述处理器与所述通信接口和所述BNC接口连接，用于产生所述控制信号并通过所述通信接口输出，以及利用所述BNC接口获取所述同轴信号并对所述同轴信号进行数字分析；所述显示器与所述处理器连接，用于对数字分析的结果进行波形显示和/或参数显示。

本申请的有益效果是：

依据上述实施例的一种用于示波器的单端有源探头以及信号检测系统，其中单端有源探头包括探头接口电路和探头前端电路；探头接口电路具有第一端、第二端和第三端，探头接口电路的第一端用于与示波器的通信接口连接并接收通信接口输出的直流电和控制信号；探头接口电路用于对由其第一端接收的直流电进行稳压变换和根据其第一端接收的控制信号产生偏置配置信号，并通过其第三端输出稳压变换后的直流电和偏置配置信号；探头接口电路的第二端用于与示波器的BNC接口连接，探头接口电路还用于从其第三端接收一同轴信号并通过其第二端输出；探头前端电路具有第四端和第五端，探头前端电路的第四端与探头接口电路的第三端连接，以接收偏置配置信号和直流电；探头前端电路的第五端用于与外部的待检测电路连接并接收由待检测电路发射的待检测信号；探头前端电路用于利用其第四端接收所述偏置配置信号并对其第五端接收的待检测信号进行高低通衰减、阻抗变换、偏置反馈调节和输出阻抗调节的处理，以及产生同轴信号并通过其第四端输出到探头接口电路的第三端。第一方面，由于为示波器的单端有源探头配置了探头接口电路和探头前端电路，使得探头接口电路主要负责直流电稳压变换、产生偏置配置信号的工作，探头前端电路主要负责对待检测信号进行高低通衰减、阻抗变换、偏置反馈调节和输出阻抗调节的工作，两者之间相互配合且互不干扰，如此可以提高单端有源探头对待检测信号的处理效率；第二方面，由于探头接口电路可以对其第一端接收的直流电进行稳压变换，并通过其第三端输出稳压变换后的直流电至探头前端电路，使得供电模块与探头前端电路相隔离，如此既可以满足探头前端电路的用电需求，也可以最大程度上减弱供电模块对探头前端电路的干扰作用；第三方面，由于供电模块包括低压线性稳压器，使得探头接口电路的第一端输入第一等级的直流电时，低压线性稳压器能够对第一等级的直流电进行直流稳压转换得到第二等级的正/负直流电，从而达到对直流电的稳压变换作用，满足探头前端电路中的多种等级直流电的用电需求；第四方面，在供电模块为探头进行供电的作用下，可以充分发挥探头前端电路中有源器件的输入性能，提供更小的输入电容，克服无源探头中存在的性能不足问题；第五方面，由于探头接口电路可以根据其第一端接收的控制信号产生偏置配置信号，并将偏置配置信号由其第三端传输至探头前端电路，实现偏置配置信号的可调功能，从而克服现有有源探头电路中存在的直流偏置调节方面的限制；第六方面，由于探头接口电路包括检测模块，使得探头接口电路在于示波器的通信接口适配连接时能够快速地向示波器发送分压信号，从而简单高效地确定探头接口电路接入通信接口；第七方面，由于通过探头接口电路的第一端和第二端分别连接示波器的通信接口和BNC接口，使得单端有源探头与示波器之间采用一路通道实现有效的通信，采用另一路通道实现同轴信号的传输，利于增强单端有源探头对待检测信号的检测性能；第八方面，由于探头接口电路的第一端包括多路与示波器的通信接口相适配的管脚，使得探头接口电路与示波器的通信接口进行适配连接时，能够依据各个管脚的定义与示波器之间传输探头参数信息、控制信号、分压信号和直流电，克服以往通信接口因通信协议固化而导致的通信能力不足的问题；第九方面，由于探头前端电路包括高通衰减电路、低通衰减电路、阻抗变换电路、偏置反馈电路和输出匹配电路，使得探头前端电路对待检测信号进行处理时，使探头前端电路具备更高带宽、更大输入信号范围和更小输入电容的优异性能；第十方面，本申请请求保护的信号检测系统包括单端有源探头和示波器，那么借助单端有源探头可以对待检测信号进行有效处理并使得产生的同轴信号具有与示波器的BNC接口相匹配的输出阻抗，借助示波器对不仅可以接收和数字分析同轴信号，还可以对单端有源探头内的直流偏置进行有效控制，从而在单端有源探头和示波器的配合作用下增强信号检测系统对待检测信号的检测性能。

附图说明

图1为本申请中用于示波器的单端有源探头的结构示意图；

图2为探头接口电路的结构示意图；

图3为探头接口电路中控制模块的结构示意图；

图4为探头接口电路中第一端内各个管脚的分布示意图；

图5为第二端的结构示意图；

图6为线缆组件的截面示意图；

图7为探头前端电路的结构示意图；

图8为本申请中信号检测系统的结构示意图；

图9为示波器的结构示意图；

图10为检测模块和识别模块形成分压线路的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。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。同时，方法描述中的各步骤或者动作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，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

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)。

实施例一、

请参考图1，本申请公开一种用于示波器的单端有源探头，其中，示波器2包括通信接口21和BNC接口22，单端有源探头1包括探头接口电路11和探头前端电路12，下面分别说明。

对于探头接口电路11，其具有第一端111、第二端112和第三端113。探头接口电路11的第一端111用于与示波器2的通信接口21连接，并接收通信接口21输出的直流电和控制信号；探头接口电路11用于对由其第一端111接收的直流电进行稳压变换和根据其第一端111接收的控制信号产生偏置配置信号，并通过其第三端113输出稳压变换后的直流电和该偏置配置信号。此外，探头接口电路11的第二端112用于与示波器2的BNC接口22连接，探头接口电路11还用于从其第三端113接收一同轴信号并通过其第二端输出。

对于探头前端电路12，其具有第四端121和第五端122，探头前端电路12的第四端121与探头接口电路11的第三端113连接，以接收偏置配置信号和直流电；探头前端电路12的第五端133用于与外部的待检测电路3连接，并接收由待检测电路3发射的待检测信号。探头前端电路12用于利用其第四端131接收偏置配置信号并对第五端122接收的待检测信号进行高低通衰减、阻抗变换、偏置反馈调节和输出阻抗调节的处理，以及产生同轴信号并通过其第四端121输出到探头接口电路的第三端113。

需要说明的是，探头接口电路11实际上是探头前端电路12的辅助电路，用于为探头前端电路11提供工作所需的多个等级的直流电和偏置配置信号，还用将探头前端电路11输出的同轴信号发送至示波器2。如此，便可以使得探头前端电路12在多个等级的直流电的作用下驱动内部各个有源器件的正常工作。

需要说明的是，本申请中所提及的同轴信号是对待检测信号进行高低通衰减、阻抗变换、偏置反馈调节和输出阻抗调节之后生成的信号，由于同轴信号具有与示波器2的BNC接口22相匹配的输出阻抗，使得同轴信号能够顺利地被传输，且被BNC接口22所接收和识别，从而使得示波器2能够对同轴信号进行数字分析，通过展示分析结果来让用户了解待检测信号的特性。

需要说明的是，示波器2的通信接口21可以采用现有标准的通信接口(比如RS232、RS485、VGA、GPIB或HDMI为标准的通信接口)，也可以采用自定义接口类型和通信协议的通信接口，这里不做具体限定。示波器的BNC接口22(即Bayonet Nut Connector，简称BNC，也可以称作BNC接头)是一种用于同轴电缆的连接器。目前BNC接口被大量用于通信系统中，如网络设备中的E1接口就是用两根BNC接头的同轴电缆来连接的，在高档的监视器、音响设备中也经常用来传送音频、视频信号。

在本实施例中，参见图2，探头接口电路11主要包括供电模块114、控制模块115和传输模块117，分别说明如下。

供电模块114与探头接口电路的第一端111、第三端113分别连接，用于将探头接口电路11的第一端111接收的直流电进行稳压变换得到多个等级的正/负直流电，并通过探头接口电路11的第三端113输出该正/负直流电。这里的正/负直流电是指接地电压(0V)，以及相对于接地电压而言的正极电压和负极电压，比如正/负直流电为+12V、-12V、+5V、-5V。

在一个具体实施例中，供电模块114可以包括低压线性稳压器(简称LDO，属于现有的电源器件)，低压线性稳压器用于在探头接口电路11的第一端111输入第一等级的直流电时，对第一等级的直流电进行直流稳压转换得到第二等级的正/负直流电。比如，若第一端111输入第一等级的正/负直流电，具体为接地0V、+12V、-12V，则低压线性稳压器可以输出第二等级的正/负直流电，具体为接地0V、+5V、-5V。

控制模块115与探头接口电路11的第一端111、第三端113分别连接，用于根据探头接口电路11的第一端111接收的控制信号控制直流偏置的配置以产生配置信号，以及对配置信号进行数模转换和模拟放大之后生成偏置配置信号，并通过探头接口电路11的第三端113输出该偏置配置信号。

传输模块116与探头接口电路11的第二端112、第三端113分别连接，用于将探头接口电路11的第三端113接收的同轴信号传输至探头接口电路11的第二端112，并通过探头接口电路11的第二端112输出。比如，传输模块116可以是第三端113和第二端112之间的屏蔽线路，让同轴信号由第三端113进入探头接口电路11内部时，可以不受直流电和其它信号的影响而进行无失真地传输，最终完整地将同轴信号由第二端112发送至示波器2的BNC接口。

进一步，参见图2，探头接口电路11还包括检测模块117，该检测模块117与探头接口电路11的第一端111连接；检测模块117用于与示波器2的通信接口21配合形成分压线路且产生分压信号，并通过探头接口电路11的第一端111输出分压信号至示波器2的通信接口21，以使得示波器2根据分压信号确定探头接口电路11接入通信接口21。

在一个具体实施例中，参见图3，控制模块115包括控制器1151、数模转换器1152(DAC)和放大器1153。其中，控制器1151存储有探头参数信息，控制器1151用于将探头参数信息由探头接口电路11的第一端111发送至示波器2的通信接口21，以使得示波器2利用探头参数信息生成控制信号，控制器1151还用于接收和利用控制信号进行直流偏置的配置以产生配置信号。这里的探头参数信息包括探头型号、探头带宽、探头输入电容、探头输入电阻、探头动态范围、探头衰减比中的一者或多者。此外，数模转换器1152的输入端与控制器1151连接，输出端与放大器1153的输入端连接，放大器1153的输出端与探头接口电路11的第三端113连接，数模转换器1152和放大器1153分别用于对控制器1151产生的配置信号进行数模转换和模拟放大，模拟放大之后生成偏置配置信号且通过探头接口电路11的第三端113输出。

需要说明的是，探头参数信息中的各个列举项目均是示波器探头常见的重要参数，均属于现有技术，所以这里不再对各项参数进行具体说明。此外，探头参数信息是单端有源探头基本性能的一种体现，示波器2在获知探头参数信息之后便可以在探头参数的约束范围内产生合理的控制信号，从而控制控制模块115内的控制器1151产生直流配置所需的配置信号；由于控制器1151输出的配置信号往往是数字信号的形式，比如SPI协议格式的数字信号且经过SPI总线传输至数模转换器1152的输入端；数模转换器1152输出的模拟信号往往比较弱，不足以驱动探头前端电路12中的直流偏置相关的电路，所以需要放大器1153经该模拟信号进一步地模拟放大，从而得到驱动能力强的偏置配置信号，该偏置配置信号主要用于调节探头前端电路12中的直流偏置。

在本实施例中，探头接口电路11的第一端111与示波器2的通信接口21适配连接时，需要第一端111和通信接口21满足相同的接口类型和通信协议，从而保证传输直流电的同时，也能够进行其它信号(如控制信号、探头参数信息、分压信号)的有效传输。这里优选地提供了一种自定义的接口类型，参见图4，可以设置探头接口电路11的第一端111包括多路与示波器2的通信接口21相适配的管脚，其中有两路管脚(比如管脚1、管脚2)分别作为数据线、时钟线(即I2C总线的通信形式)且配合传输探头参数信息和控制信号，其中还有一路管脚(比如管脚3)作为探头识别线且传输分压信号，其中还有三路管脚(比如管脚4、管脚5、管脚6)分别作为正极电源线、负极电源线、接地线且配合传输直流电。本领域的技术人员可以理解，这里对第一端111中各个管脚的排列分布仅是一种恰当的分布形式，但并不构成对管脚其它分布形式和数量的限制，用户可以根据需要而将各个管脚分布成其它的形式，还可以根据其它功能需要而增加一些管脚；此外，第一端111和通信接口21的接口类型应当相互适配，若第一端111为公头，那么通信接口21就应当为相适配的母头。

在本实施例中，探头接口电路11的第二端112与示波器2的BNC接口22适配连接时，需要第二端112和BNC接口22满足相同的BNC(Bayonet Nut Connector)的接口类型和通信协议。参见图5，第二端112可以采用单通道的BNC接头，外部为屏蔽层1121，内部为同轴线1122，屏蔽层1121能够防止环境中的电磁波对同轴线1122上传输的同轴信号的干扰，起电磁屏蔽的作用。若第二端112是公头，则BNC接口22就应当为相适配的母头。由于BNC的接口类型和通信协议属于非常成熟的技术，所以这里不再对其进行详细说明。

在本实施例中，参见图1，单端有源探头1还包括用于连接探头接口电路11的第三端113和探头前端电路12的第四端121的线缆组件13，线缆组件13的截面结构可以参考图6。图6提供了一种多通道的同轴线缆，使得线缆组件13包括一条同轴线131和五条编织线(如附图标记p1、p2、p3、p4、p5)，其中同轴线131作为同轴信号的的传输线路，五条编织线p1、p2、p3、p4、p5分别作为第一等级的正直流电线路(比如+12V线路)、第一等级的负直流电线路(比如-12V线路)、第二等级的正直流电线路(比如+5V线路)、第二等级的负直流电线路(比如-5V线路)和偏置配置信号的传输线路。

需要说明的是，线缆组件13可以具有一些优异特性，比如最外层可以设置保护软胶，起到保护线缆的作用；保护软胶的内侧可以设置包括包裹五条编织线的地编制层，该地编制层不仅能够连接至供电模块114的接地线且传输0V直流电，还能够防止环境中的电磁波对内部的供电线路和信号线路的干扰，起电磁屏蔽的作用。

在本实施例中，探头前端电路12可以采用现有技术，也可以采用改进型的技术。

若探头前端电路12采用现有技术的话，则可以是专利文献(CN102735887B)中公开的数字示波器单端有源探头电路，输入的待检测信号首先经过高通模块、低通模块输入到阻抗变换模块进行阻抗变换和增强驱动，然后在输出电路中进行频率补充、增益调节和输出阻抗调节，最后输出给后级示波器。

若探头前端电路12采用改进型的技术的话，则可以是图7中示意的电路结构。在图7中，探头前端电路12包括高通衰减电路123、低通衰减电路124、阻抗变换电路125、偏置反馈电路126和输出匹配电路127，分别说明如下。

高通衰减电路123具有输入端和输出端，高通衰减电路123的输入端与探头前端电路12的第五端122连接并接收待检测信号。高通衰减电路123用于对接收的待检测信号进行高通衰减处理得到第一衰减信号，并通过其输出端输出至阻抗变换电路125。

低通衰减电路124具有输入端、比较端和输出端，低通衰减电路124的输入端与探头前端电路12的第五端122连接并接收待检测信号，用于对接收的待检测信号进行低通衰减处理得到第二衰减信号，并通过其输出端输出。低通衰减电路124的输出端和高通衰减电路123的输出端连接，第一衰减信号和第二衰减信号构成衰减信号并传输至阻抗变换电路125。

阻抗变换电路125具有输入端和输出端，阻抗变换电路125的输入端接收衰减信号，用于对衰减信号进行阻抗变换处理，得到变换信号并通过其输出端输出。可以理解，由于高通衰减电路123、低通衰减电路124均将第五端122与阻抗变换电路125之间进行隔离,降低了阻抗变换电路125的输入阻抗对第五端122的输入阻抗的影响，也降低了阻抗变换电路125的输入电容对第五端122的输入电容的影响，利于实现更低的输入电容和更高的信号带宽。

偏置反馈电路126具有输入端、输出端和配置端，偏置反馈电路126的输入端与阻抗变换网络125的输出端连接且接收变换信号，偏置反馈电路126的输出端与低通衰减电路124的比较端连接，偏置反馈电路126的配置端与第四端121连接且接收偏置配置信号。偏置反馈电路126用于根据变换信号和偏置配置信号得到反馈信号，并通过其输出端输出。可以理解，偏置反馈电路126为低通衰减电路124和阻抗变换电路125提供了大环路负反馈，低通衰减电路124和阻抗变换电路125能够稳定地工作，同时也提供了直流偏置的路径。

输出匹配电路127的输入端与阻抗变换网络125的输出端连接，输出匹配电路127的输出端与探头前端电路12的第四端121连接。输出匹配电路127用于对变换信号进行阻抗变换得到同轴信号，以使得同轴信号具有与示波器2的BNC接口22相匹配的输出阻抗(通常为50Ω)。此外，输出匹配电路127的输出端输出同轴信号并通过第四端121输出至探头接口电路11的第三端113。

需要说明的是，高通衰减电路123、低通衰减电路124、阻抗变换电路125、偏置反馈电路126和输出匹配电路127均具有一些有源器件，该些有源器件需要直流供电，所以由探头前端电路12的第四端121接收的稳压变换后的直流电(即正/负直流电)进行供电。这里的正/负直流电可以包括第一等级的正直流电、负直流电，第二等级的正直流电、负直流电，和接地直流电；比如正/负直流电可以包括+12V、-12V、+5V、-5V和0V，如此满足不同有源器件得到相适应的供电要求。

需要说明的是，在图7中公开的偏置反馈电路126和现有技术(专利文献CN102735887B)之间存在差别，这里是将直流偏置的调节和变换信号的反馈集成在了一块儿，相比于现有技术方案，不仅可以有效地在待检测信号上叠加直流偏置，还能够为低通衰减电路124提供大环路的反馈信号。

需要说明的是，高通衰减电路123、低通衰减电路124、阻抗变换电路125、和输出匹配电路127所实现的功能均可以采用专利文献中公开的技术方案，也可以采用现有技术中成熟电路结构，这里不做具体说明和限制。

本领域的技术人员可以理解，应用本实施例中公开的单端有源探头1时，可以达到以下的技术优势：(1)为示波器的单端有源探头配置了探头接口电路和探头前端电路，使得探头接口电路主要负责直流电稳压变换、产生偏置配置信号的工作，探头前端电路主要负责对待检测信号进行高低通衰减、阻抗变换、偏置反馈调节和输出阻抗调节的工作，两者之间相互配合且互不干扰，如此可以提高单端有源探头对待检测信号的处理效率；(2)探头接口电路可以对其第一端接收的直流电进行稳压变换，并通过其第三端输出稳压变换后的直流电至探头前端电路，使得供电模块与探头前端电路相隔离，如此既可以满足探头前端电路的用电需求，也可以最大程度上减弱供电线路对探头前端电路的干扰作用；(3)供电模块包括低压线性稳压器，使得探头接口电路的第一端输入第一等级的直流电时，低压线性稳压器能够对第一等级的直流电进行直流稳压转换得到第二等级的正/负直流电，从而达到对直流电的稳压变换作用，满足探头前端电路中的多种等级直流电的用电需求；(4)在供电模块为探头进行供电的作用下，可以充分发挥探头前端电路中有源器件的输入性能，提供更高的带宽和更小的输入电容，克服无源探头中存在的性能不足问题；(5)探头接口电路可以根据其第一端接收的控制信号产生偏置配置信号，并将偏置配置信号由其第三端传输至探头前端电路，实现偏置配置信号的可调功能；(6)探头接口电路包括检测模块，使得探头接口电路在于示波器的通信接口适配连接时能够快速地向示波器发送分压信号，从而简单高效地确定探头接口电路接入通信接口；(7)通过探头接口电路的第一端和第二端分别连接示波器的通信接口和BNC接口，使得单端有源探头与示波器之间采用一路通道实现有效的通信，采用另一路通道实现同轴信号的传输，利于增强单端有源探头对待检测信号的检测性能；(8)探头接口电路的第一端包括多路与示波器的通信接口相适配的管脚，使得探头接口电路与示波器的通信接口进行适配连接时，能够依据各个管脚的定义与示波器之间传输探头参数信息、控制信号、分压信号和直流电，克服以往通信接口因通信协议固化而导致的通信能力不足的问题；(9)探头前端电路包括高通衰减电路、低通衰减电路、阻抗变换电路、偏置反馈电路和输出匹配电路，使得探头前端电路对待检测信号进行处理时，能够利用偏置反馈电路实现大环路的负反馈和偏置调节功能，从而让探头前端电路具备更高带宽、更大输入信号范围和更小输入电容的优异性能。

实施例二、

请参考图8，本申请在实施例一中公开的单端有源探头1的基础上，还公开一种信号检测系统4，该信号检测系统4包括单端有源探头1和示波器2。

其中，单端有源探头1就是实施一中公开的单端有源探头，示波器2具有通信接口和BNC接口。那么，单端有源探头1和示波器2的连接关系可以参考图1。

在本实施例中，参见图1，示波器2的通信接口21与单端有源探头1中探头接口电路11的第一端111连接，示波器2的BNC接口22与单端有源探头1中探头接口电路11的第二端112连接，单端有源探头1中探头前端电路12的第五端122用于与外部的待检测电路3连接，该待检测电路3用于向探头前端电路12的第五端122发射待检测信号。

在本实施例中，示波器2用于通过通信接口21向第一端111输出直流电和控制信号，且通过BNC接口22获取第二端112发送的同轴信号。此外，示波器2还用于对同轴信号进行数字分析以得到待检测信号的参数信息。

需要说明的是，本申请中涉及的待检测电路3可以是信号发生器或任意电子设备内部的电路，也可以是通信线路或电力载波线路等，只要是存在电信号的设备或线路即可。此外，待检测信号可以是直流形式的信号也可以是交流形式的信号。

在本实施例中，参见图9，示波器2主要包括电源电路23、阻抗电路26、处理器25和显示器27，分别说明如下。

电源电路23与通信接口21连接，用于通过通信接口21输出直流电，比如输出第一等级的直流电，可以包括+12V、-12V和0V。

阻抗电路26与BNC接口22连接，且与BNC接口22连接的那一端与经过一预设阻值的阻抗元件R2连接，该阻抗元件R2的另一端连接至电源电路23的接地端(即GND)。阻抗电路26用于通过BNC接口22接收同轴信号。需要说明的是，这里的阻抗元件R2可以是50Ω的电阻，可以对同轴信号提供50Ω的输入阻抗。

处理器25与通信接口21和BNC接口22连接，用于产生控制信号并通过通信接口22输出，以及利用BNC接口22获取同轴信号并对同轴信号进行数字分析。

显示器27与处理器25连接，用于对数字分析的结果进行波形显示和/或参数显示。

进一步地，参见图9，示波器2还包括识别电路24，该识别电路24包括输入端、输出端和供电端，其输入端与示波器2的通信接口21连接且通过通信接口接收分压信号，其输出端与处理器25连接且将分压信号转换为数字信号之后发送至处理器25，其供电端与电源电路23连接且接收供电电路23产生的正直流电VCC。识别电路24用于与探头接口电路11中的检测模块117配合形成分压线路，以使得检测模块117产生分压信号。

在一具体实施例中，图10表示识别电路24和检测模块117形成分压线路的示意图。识别电路24包括电阻R1和模数转换器U1，电阻R1的一端与供电电路23产生的正直流电VCC(比如3V)所在线路连接，另一端与模数转换器U1的输入端连接以及与通信接口21连接，而模数转换器24的输出端与处理器连接。检测模块117为一个电阻R0，电阻R0的一端接地，另一端与探头接口电路11的第一端111连接。在探头接口电路11的第一端111适配连接至示波器2的通信接口21时，电阻R0未接地的一端和电阻R1未连接VCC的一端形成连通通道且传输分压信号。在图10中，识别电路24和检测模块117之间没有接通时，模数转换器U1检测到的是电阻R1上电压VCC；当识别电路24和检测模块117之间接通时，模数转换器U1检测到的是电阻R0上的分压，即为U_VCC*R0/(R0+R1)，模数转换器U1将该分压信号转换为数字化的识别信号，并发送至处理器25。

例如，设置识别电路24中的电阻R1为1.5KΩ，检测模块117中的电阻R0为294Ω，且设置电阻R1接收的正直流电VCC的电压U_VCC＝3V。那么，电阻R1和电阻R0将对VCC进行分压，电阻R0上的分压值为0.54V，并且分压值将被转换为数字化的识别信号达到处理器25，处理器25判断识别信号对应的电压(0.54V)介于0.45V～0.65V之间时，则确认单端有源探头1接入了示波器2的通信接口21。

为更好地帮助本领域的技术人员理解本实施例中所提供的技术方案，这里将结合图1、图2、图7和图9对技术方案的工作原理进行详细说明。

在探头接口电路11的第一端111适配连接至示波器2的通信接口21，且探头接口电路11的第二端112适配连接至示波器2的BNC接口22之后，示波器2中的电源电路23通过通信接口21输出直流电至探头接口电路11中的供电模块114，供电模块114对直流电进行稳压变换后通过第三端113输出正/负直流电至探头前端电路12，同时供电模块114也为控制模块115提供工作所需的直流电。

探头接口电路11中的检测模块117和示波器2中的识别电路24相连接，检测模块117输出分压信号至识别电路24，识别电路24将分压信号转化为数字形式的识别信号并传输至处理器25；处理器25接收到识别信号之后，确定探头接口电路11的第一端111已经适配连接至示波器2的通信接口21。然后，探头接口电路11中的控制模块115向示波器2中的处理器25发送探头参数信息，处理器25接收探头参数信息并依据探头参数信息产生控制信号；具体地，处理器25可以控制在显示器27展示探头参数信息，由用户在显示界面上设置探头直流偏置的大小，从而促使处理器25产生相应的控制信号。

控制信号由通信接口21发送至探头接口电路11的控制模块115，控制模块115根据控制信号产生偏置配置信号并通过第三端113发送至探头前端电路12的偏置反馈电路126。偏置配置电路126在偏置配置信号的作用将直流偏置调节到相应的用户预期的大小。

探头接口电路11中的传输模块116接收来自探头前端电路12输出的同轴信号，且发送至示波器2中的阻抗模块26和处理器25。处理器25接收到同轴信号之后对同轴信号进行数字分析，根据分析结果得到待检测电路3产生的待检测信号的参数。具体地，处理器25和BNC接口22之间还应该设有模数转换通道，能够对同轴信号进行连续采样并得到对应的数字信号，处理器25接收该数字信号并对其进行数字分析，数字分析的过程可以包括计算周期、频率、RMS值、峰值、谷值等，还可以包括数字触发、数字波形绘制等。处理器25控制显示器27对数字分析的结果进行波形显示和/或参数显示，从而让用户通过观察显示器27即可了解待检测电路3产生的待检测信号的信号特性。

本领域的技术人员可以理解，在应用本实施例公开的信号检测系统时，借助单端有源探头可以对待检测信号进行有效处理并使得产生的同轴信号具有与示波器的BNC接口相匹配的输出阻抗，借助示波器对不仅可以接收和数字分析同轴信号，还可以对单端有源探头内的直流偏置进行有效控制，从而在单端有源探头和示波器的配合作用下增强信号检测系统对待检测信号的检测性能。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。

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

Claims (10)

1.一种用于示波器的单端有源探头，所述示波器包括通信接口和BNC接口，其特征在于，所述单端有源探头包括探头接口电路和探头前端电路；

所述探头接口电路具有第一端、第二端和第三端；所述探头接口电路的第一端用于与所述示波器的通信接口连接并接收所述通信接口输出的直流电和控制信号；所述探头接口电路用于对由其第一端接收的直流电进行稳压变换和根据其第一端接收的控制信号产生偏置配置信号，并通过其第三端输出稳压变换后的直流电和所述偏置配置信号；所述探头接口电路的第二端用于与所述示波器的BNC接口连接，所述探头接口电路还用于从其第三端接收一同轴信号并通过其第二端输出；

所述探头前端电路具有第四端和第五端，所述探头前端电路的第四端与所述探头接口电路的第三端连接，以接收所述偏置配置信号；所述探头前端电路的第五端用于与外部的待检测电路连接并接收由所述待检测电路发射的待检测信号；所述探头前端电路用于利用其第四端接收所述偏置配置信号并对其第五端接收的待检测信号进行高低通衰减、阻抗变换、偏置反馈调节和输出阻抗调节的处理，以及产生所述同轴信号并通过其第四端输出到所述探头接口电路的第三端。

2.如权利要求1所述的单端有源探头，其特征在于，所述探头接口电路包括供电模块、控制模块和传输模块；

所述供电模块与所述探头接口电路的第一端、第三端分别连接，用于将所述探头接口电路的第一端接收的直流电进行稳压变换得到多个等级的正/负直流电，并通过所述探头接口电路的第三端输出所述正/负直流电；

所述控制模块与所述探头接口电路的第一端、第三端分别连接，用于根据所述探头接口电路的第一端接收的控制信号控制直流偏置的配置以产生配置信号，以及对配置信号进行数模转换和模拟放大之后生成所述偏置配置信号，并通过所述探头接口电路的第三端输出所述偏置配置信号；

所述传输模块与所述探头接口电路的第二端、第三端分别连接，用于将所述探头接口电路的第三端接收的所述同轴信号传输至所述探头接口电路的第二端，并通过所述探头接口电路的第二端输出。

3.如权利要求2所述的单端有源探头，其特征在于，所述供电模块包括低压线性稳压器，所述低压线性稳压器用于在所述探头接口电路的第一端输入第一等级的直流电时，对第一等级的直流电进行直流稳压转换得到第二等级的正/负直流电。

4.如权利要求2所述的单端有源探头，其特征在于，所述控制模块包括控制器、数模转换器和放大器；

所述控制器存储有探头参数信息，所述控制器用于将所述探头参数信息由所述探头接口电路的第一端发送至所述示波器的通信接口，以使得所述示波器利用所述探头参数信息生成所述控制信号，所述控制器还用于接收和利用所述控制信号进行直流偏置的配置以产生配置信号；所述探头参数信息包括探头型号、探头带宽、探头输入电容、探头输入电阻、探头动态范围、探头衰减比中的一者或多者；

所述数模转换器、所述放大器分别用于对所述控制器产生的配置信号进行数模转换和模拟放大，模拟放大之后生成所述偏置配置信号且通过所述探头接口电路的第三端输出。

5.如权利要求4所述的单端有源探头，其特征在于，所述探头接口电路还包括检测模块，所述检测模块与所述探头接口电路的第一端连接；所述检测模块用于与所述示波器的通信接口配合形成分压线路且产生分压信号，并通过所述探头接口电路的第一端输出所述分压信号至所述示波器的通信接口，以使得所述示波器根据所述分压信号确定所述探头接口电路接入所述通信接口。

6.如权利要求5所述的单端有源探头，其特征在于，所述探头接口电路的第一端包括多路与所述示波器的通信接口相适配的管脚，其中有两路管脚分别作为数据线、时钟线且配合传输所述探头参数信息和所述控制信号，其中还有一路管脚作为探头识别线且传输所述分压信号，其中还有三路管脚分别作为正极电源线、负极电源线、接地线且配合传输直流电。

7.如权利要求3所述的单端有源探头，其特征在于，还包括用于连接所述探头接口电路的第三端和所述探头前端电路的第四端的线缆组件，所述线缆组件包括一条同轴线和五条编织线，其中同轴线作为所述同轴信号的的传输线路，五条编织线分别作为第一等级的正直流电线路、第一等级的负直流电线路、第二等级的正直流电线路、第二等级的负直流电线路和所述偏置配置信号的传输线路。

8.如权利要求2-7中任一项所述的单端有源探头，其特征在于，所述探头前端电路包括高通衰减电路、低通衰减电路、阻抗变换电路、偏置反馈电路和输出匹配电路；

所述高通衰减电路具有输入端和输出端，所述高通衰减电路的输入端与所述探头前端电路的第五端连接并接收所述待检测信号，用于对接收的所述待检测信号进行高通衰减处理得到第一衰减信号，并通过其输出端输出；

所述低通衰减电路具有输入端、比较端和输出端，所述低通衰减电路的输入端与所述探头前端电路的第五端连接并接收所述待检测信号，用于对接收的所述待检测信号进行低通衰减处理得到第二衰减信号，并通过其输出端输出；所述低通衰减电路的输出端和所述高通衰减电路的输出端连接，所述第一衰减信号和所述第二衰减信号构成衰减信号；

所述阻抗变换电路具有输入端和输出端，所述阻抗变换电路的输入端接收所述衰减信号，用于对所述衰减信号进行阻抗变换处理，得到变换信号并通过其输出端输出；

所述偏置反馈电路具有输入端、输出端和配置端，所述偏置反馈电路的输入端与所述阻抗变换网络的输出端连接且接收所述变换信号，所述偏置反馈电路的输出端与所述低通衰减电路的比较端连接，所述偏置反馈电路的配置端与所述第四端连接且接收所述偏置配置信号；所述偏置反馈电路用于根据所述变换信号和所述偏置配置信号得到反馈信号，并通过其输出端输出；

所述输出匹配电路的输入端与所述阻抗变换网络的输出端连接，所述输出匹配电路的输出端与所述探头前端电路的第四端连接；所述输出匹配电路用于对所述变换信号进行阻抗变换得到所述同轴信号，以使得所述同轴信号具有与示波器的BNC接口相匹配的输出阻抗；所述输出匹配电路的输出端输出所述同轴信号；

所述高通衰减电路、低通衰减电路、阻抗变换电路、偏置反馈电路和输出匹配电路由所述探头前端电路的第四端接收的稳压变换后的直流电进行供电。

9.一种信号检测系统，其特征在于，包括示波器和权利要求1-8中任一项所述的单端有源探头，所述示波器具有通信接口和BNC接口；

所述示波器的通信接口与所述单端有源探头中探头接口电路的第一端连接，所述示波器的BNC接口与所述单端有源探头中探头接口电路的第二端连接，所述单端有源探头中探头前端电路的第五端用于与外部的待检测电路连接，所述待检测电路用于向所述第五端发射待检测信号；

所述示波器用于通过所述通信接口向所述第一端输出直流电和控制信号，且通过所述BNC接口获取所述第二端发送的同轴信号；所述示波器还用于对所述同轴信号进行数字分析以得到所述待检测信号的参数信息。

10.如权利要求9所述的信号检测系统，其特征在于，所述示波器包括电源电路、阻抗电路、处理器和显示器；

所述电源电路与所述通信接口连接，用于通过所述通信接口输出直流电；

所述阻抗电路与所述BNC接口连接，且与所述BNC接口连接的那一端与经过一预设阻值的阻抗元件连接，该阻抗元件的另一端连接至所述电源电路的接地端；所述阻抗电路用于通过所述BNC接口接收所述同轴信号；

所述处理器与所述通信接口和所述BNC接口连接，用于产生所述控制信号并通过所述通信接口输出，以及利用所述BNC接口获取所述同轴信号并对所述同轴信号进行数字分析；

所述显示器与所述处理器连接，用于对数字分析的结果进行波形显示和/或参数显示。

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