CN117310247B - 示波器及其电源探头频率响应补偿方法 - Google Patents
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Abstract
一种示波器及其电源探头频率响应补偿方法，在示波器内部加入了数字补偿模块，数字补偿模块能够对所采集的电源电压信号中具有第一频段的交流信号进行增益补偿，得到第二信号，以使第二信号中具有第一频段的交流信号的增益与具有第二频段的交流信号的增益相匹配，继而改善高低频信号增益不一致的问题。
Description
技术领域
本申请涉及示波器技术领域，具体涉及一种示波器及其电源探头频率响应补偿方法。
背景技术
示波器在测量电源电压时，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102A和终端102B，源端102A用于连接电源的测量点，终端102B用于连接电源探头的测量接口，源端102A的阻抗为电源的输出阻抗ZOUT，终端102B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102A和终端102B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。
目前为了改善信号反射问题，在电源探头的输入端增加一个源阻抗补偿匹配模块，如图3所示，虽然可以改善信号反射的问题，但又引入了高低频信号的增益不一致的问题，如图4所示，高频段信号的增益会被衰减6dB。
发明内容
本申请提供一种示波器及其电源探头频率响应补偿方法，能够改善高低频信号增益不一致的问题。
根据第一方面，一种实施例中提供一种示波器，包括：
示波器通道，用于对每个通道输入的电源电压信号进行数据采集；所述电源电压信号由与所述示波器相匹配的电源探头对被测电源进行采集得到；
数据处理模块，用于对所采集的电源电压信号进行处理，得到第一信号；所述第一信号包括具有第一频段的交流信号和/或具有第二频段的交流信号，所述第一频段大于第二频段；其中，所述第一频段属于高频段，所述第二频段属于低频段；
数字补偿模块，用于对所述第一信号中具有第一频段的交流信号进行增益补偿，得到第二信号，所述第二信号中具有第一频段的交流信号的增益与具有第二频段的交流信号的增益相匹配；
波形映射模块，用于将所述第二信号转换为用于显示在显示界面的波形图像数据。
一种实施例中，所述数字补偿模块包括：
数字高通滤波器，用于对所述第一信号进行数字高通滤波处理，得到第三信号；所述第三信号与所述第一信号具有相位延迟；
相位补偿单元，用于对所述第一信号进行相位延迟处理，得到第四信号；所述第四信号与所述第三信号具有相同的相位；
加法器，用于对所述第三信号和所述第四信号进行相加，得到所述第二信号。
一种实施例中，还包括：处理器；所述处理器用于：
获取所述电源探头的频率响应曲线数据和所述示波器通道的频率响应曲线数据；其中，所述电源探头的频率响应曲线数据预存在所述电源探头中，所述示波器通道的频率响应曲线数据预存在所述示波器中；
根据所述电源探头的频率响应曲线数据和所述示波器通道的频率响应曲线数据，确定所述数字高通滤波器的参数，并基于所述数字高通滤波器的参数对所述数字高通滤波器进行参数配置；
基于所述数字高通滤波器的参数，确定所述数字滤波器的相位延迟值，并基于所述相位延迟值对所述相位补偿单元进行相位延迟配置。
一种实施例中，所述数据处理模块包括：
模数转换器，用于对所采集的电源电压信号进行模数转换，得到数字电源电压信号；
数据预处理单元，用于对所述数字电源电压信号进行预处理，得到第一信号。
一种实施例中，还包括：
电源探头，用于获取被测电源的电源电压信号。
根据第二方面，一种实施例中提供一种示波器的电源探头频率响应补偿方法，包括：
对每个通道输入的电源电压信号进行数据采集；所述电源电压信号由与所述示波器相匹配的电源探头对被测电源进行采集得到；
对所采集的电源电压信号进行处理，得到第一信号；所述第一信号包括具有第一频段的交流信号和/或具有第二频段的交流信号，所述第一频段大于第二频段；其中，所述第一频段属于高频段，所述第二频段属于低频段；
对所述第一信号中具有第一频段的交流信号进行增益补偿，得到第二信号，所述第二信号中具有第一频段的交流信号的增益与具有第二频段的交流信号的增益相匹配；
将所述第二信号转换为用于显示在显示界面的波形图像数据。
在一种实施例中，所述对所述第一信号中具有第一频段的交流信号进行增益补偿，得到第二信号包括：
对所述第一信号进行数字高通滤波处理，得到第三信号；所述第三信号与所述第一信号具有相位延迟；
对所述第一信号进行相位延迟处理，得到第四信号；所述第四信号与所述第三信号具有相同的相位；
对所述第三信号和所述第四信号进行相加，得到所述第二信号。
在一种实施例中，所述对所述第一信号进行数字高通滤波处理，得到第三信号包括：
获取所述电源探头的频率响应曲线数据和所述示波器中示波器通道的频率响应曲线数据；其中，所述电源探头的频率响应曲线数据预存在所述电源探头中，所述示波器通道的频率响应曲线数据预存在所述示波器中；
根据所述电源探头的频率响应曲线数据和所述示波器通道的频率响应曲线数据，确定数字高通滤波函数的参数，继而确定所述数字高通滤波函数；
基于所述数字高通滤波函数，对所述第一信号进行数字高通滤波处理。
在一种实施例中，所述对所述第一信号进行相位延迟处理，得到第四信号包括：
基于所述数字高通滤波函数的参数，确定所述第三信号与所述第一信号之间的相位延迟值，并基于所述相位延迟值对所述第一信号进行相位延迟处理。
在一种实施例中，所述对所采集的电源电压信号进行处理，得到第一信号包括：
对所采集的电源电压信号进行模数转换，得到数字电源电压信号；
对所述数字电源电压信号进行预处理，得到第一信号。
依据上述实施例的示波器及其电源探头频率响应补偿方法，在示波器内部加入了数字补偿模块，数字补偿模块能够对所采集的电源电压信号中具有第一频段的交流信号进行增益补偿，得到第二信号，以使第二信号中具有第一频段的交流信号的增益与具有第二频段的交流信号的增益相匹配，继而改善高低频信号增益不一致的问题。
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为在同轴线缆的源端和被测电源之间加入源阻抗补偿匹配模块后的电源探头示意图；
图4为电源探头的频率响应曲线；
图5为电源探头与示波器连接的一个例子示意图；
图6为加入高频补偿模块后的信号流程图；
图7为一种实施例提供的示波器的结构示意图；
图8为经过数字高通滤波器前后的信号数据相位延迟示意图；
图9为一种实施例的数字补偿模块的结构示意图；
图10为一种实施例的数字补偿模块的信号处理示意图；
图11为一种实施例的处理器执行数字高通滤波器和相位延迟单元的参数配置的流程图；
图12为一种实施例的示波器的电源探头频率响应补偿方法流程图。
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。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）。
在本申请实施例中，请参考图3，在同轴线缆的源端和被测电源之间加入源阻抗补偿匹配模块后，改善了信号的反射问题，但会导致信号在高频段和低频段的增益不一致，如图4所示，高频段的增益会被衰减6dB，从而影响测量结果。
请参考图5，图5示出了电源探头与示波器连接的一个例子，申请人研究发现：在图5所示的电源探头中，低频输入阻抗远大于高频输入阻抗，若在同轴线缆的源端连接源阻抗补偿匹配模块，由于源阻抗补偿匹配模块提供的补偿阻抗与电源探头的高频输入阻抗相当，根据电阻分压的原理可得信号的高频增益会降低，针对该问题，如果在低频进行补偿，将会增大探头的衰减比，恶化系统噪声，因此，申请人在图5所示电源探头的基础上，在电源探头和示波器之间加入用于补偿高频增益的高频补偿模块，以使高频增益与低频增益相等，信号流程图如图6，高频电源探头网络可以为图5所示的电源探头网络，也可以为其他现有的电源探头网络，其传输函数为F(1)，高频补偿模块传输函数为F(2)，两者相乘后，得到最后的传输函数F(N)，对应图6中各个模块下方的是传输函数的频率曲线，可以看到补偿后的频率曲线高低频增益一致。
请参考图7，本申请实施例提供了一种示波器，一种实施例中示波器可以包括：示波器通道102、数据处理模块103、数字补偿模块104、波形映射模块105和处理器106，在图7中，电源探头101不包含在示波器中，在其他实施例中，电源探头101也可以包含在示波器中。下面对各个功能模块进行详细说明。
电源探头101用于获取被测电源的电源电压信号。在一些实施例中，电源探头101也可以为示波器的一部分，也可以外部适配的电源探头，其插入示波器中相应的连接接口后，可以将采集的电源电压信号输入至示波器通道102。
示波器通道102用于对每个通道输入的电源电压信号进行数据采集。
数据处理模块103用于对所采集的电源电压信号进行处理，得到第一信号；第一信号包括具有第一频段的交流信号和/或具有第二频段的交流信号，第一频段大于第二频段；其中，第一频段属于高频段，第二频段属于低频段。为了便于描述，本实施例将具有第一频段的交流信号简称为高频信号，将具有第二频段的交流信号简称为低频信号，由前述可知，由于电源探头101中加入了源阻抗补偿匹配模块，使得高频信号的增益被衰减，从而导致高频信号的增益和低频信号的增益不相等。
在一些实施例中，数据处理模块103对信号的处理可以至少包括模数转换处理和放大、滤波等预处理，因此，数据处理模块103包括：模数转换器1031和数据预处理单元1032，其中，模数转换器1031用于对所采集的电源电压信号进行模数转换，得到数字电源电压信号；数据预处理单元1032用于对数字电源电压信号进行预处理，得到第一信号，预处理可以至少包括放大、滤波等处理。
数字补偿模块104用于对第一信号中具有第一频段的交流信号进行增益补偿，得到第二信号。经过数字补偿模块104后，第二信号中具有第一频段的交流信号的增益与具有第二频段的交流信号的增益相匹配，即高频信号的增益与低频信号的增益相等。
波形映射模块105用于将第二信号转换为用于显示在显示界面的波形图像数据，以在显示器中进行显示。
在一些实施例中，数字补偿模块104可以采用数字高通滤波器，对第一信号进行数字高通滤波处理，以产生第二信号；由于第一信号在经过数字高通滤波器后，会放大高频增益，若设置合适的高滤滤波器的参数（数据高滤滤波器中函数的参数），可以使得第二信号中高频信号的增益与低频信号的增益相等。然而，数字高通滤波器在对信号进行数字高通滤波处理后，会导致输出信号的相位与输入信号的相位发生一定的延迟，如图8所示，经过数字高通滤波器前的信号数据A与经过数字高通滤波器后的信号数据B有一定的相位延迟，并且，该相位延迟与高滤滤波器的参数相关，确定高滤滤波器的参数后，即可确定相位延迟。
基于上述描述，本申请实施例提供了一种实施例的数字补偿模块104，请参考图9，数字补偿模块104包括：数字高通滤波器1041、相位补偿单元1042和加法器1043，其中：
数字高通滤波器1041用于对第一信号进行数字高通滤波处理，得到第三信号；其中，数字高通滤波器1041输出的第三信号与第一信号具有相位延迟。在一实施例中，数字高通滤波器1041可以为FIR数字滤波器。
相位补偿单元1042用于对第一信号进行相位延迟处理，得到第四信号；其中，经过相位补偿单元1042进行相位补偿后，第四信号与第三信号具有相同的相位。
加法器1043用于对第三信号和第四信号进行相加，得到第二信号。如图10所示，假设E为第一信号的频率响应曲线，E经过相位补偿单元1042后输出第四信号，E1为第四信号的频率响应曲线，E1和E在频域上的曲线是相同的，均未进行补偿频域响应曲线，但E1比E的相位延迟，相位延迟值和数字高通滤波器的相位延迟相等。E2是E经过数字高通滤波器1041的频域响应曲线，在低频处增益很低，经过加法器1043后，E1+E2=F是将两个信号相加后得到的频率响应曲线，可以看到相加后信号的频率响应曲线在整个频段内增益都是平坦的。
下面对如何确定数字高通滤波器1041的参数进行说明。
一些实施例中，示波器还包括处理器106，处理器106可以用于示波器的一些数据处理等工作，还可以用于执行数字高通滤波器1041和相位延迟单元104的参数配置，请参考图11，其包括以下步骤：
步骤1601：在与电源探头101建立连接后，处理器106获取电源探头的频率响应曲线数据和示波器通道的频率响应曲线数据；其中，电源探头的频率响应曲线数据预存在电源探头中，电源探头101在出厂时会把频率响应曲线预存在电源探头10内部的存储器中，电源探头101插入示波器（此时的示波器不包含电源探头101）后，示波器内部的处理器106会通过数字接口获取电源探头10内部存储的频率响应曲线，本实施例将该频率响应曲线看成一个数字滤波器的形状，称为滤波器A。示波器内部的处理器106再获取对应示波器通道102的频率响应曲线，将该频率响应曲线作为另外一个数字滤波器的形状，称为滤波器B。
步骤1602：处理器106根据电源探头的频率响应曲线数据和示波器通道的频率响应曲线数据，确定数字高通滤波器1041的参数，并基于数字高通滤波器1041的参数对数字高通滤波器1041进行参数配置。
数字高通滤波器1041实质上为一个传递函数，例如FIR数字滤波器的传递函数的表达式如下：
；
其中，F（n）为数字高通滤波器1041的输出信号数据，x[n-m]为数字高通滤波器1041的当前输入信号数据，N是数字高通滤波器1041的阶数，x[n]为前n个输入信号数据，a 0 、a 1 、…、a m 是数字高通滤波器1041的系数，这些系数由数字高通滤波器1041的频域特征（频率响应曲线）通过傅里叶逆变换求出。也即是，确定好数字高通滤波器1041的频率响应曲线的走势后，例如图10中的E2，通过计算就可以得到数字高通滤波器1041的系数，从而确定对应的传递函数，即确定数字滤波器的参数。
基于上述可知，滤波器A和滤波器B相乘得到电源探头101和示波器通道102组成的滤波器C，该滤波器C的形状与理想低通滤波器有差异，那么增加数字高通滤波器1041与滤波器C相乘就可以得到理想低通滤波器（理想低通滤波器是在示波器的带宽内，各个频率点都是平坦的），因此，已知理想低通滤波器和滤波器C的形状，就可以得到数字高通滤波器的形状，确定数字高通滤波器形状，通过傅里叶的逆变换得到对应传递函数的系数。
步骤1603：处理器106基于数字高通滤波器1041的参数，确定数字滤波器1041的相位延迟值，并基于相位延迟值对相位补偿单元1042进行相位延迟配置。
由于FIR数字滤波器只要确保：
偶对称：a[n]=a[N-1-n]；
奇对称：a[n]=-a[N-1-n]；
那么数字高通滤波器1041的相位是线性的，即群延时是一个常数（群延时不是常数，其代表不同频率有不同相位延迟）。例如当满足奇对称时，FIR滤波器所有频率成分都有90°的相移。
在一些实施例中，相位补偿单元1042可以由全通滤波器（所有频率都可以通过，只产生相位移动。虽然说是全通，但最高频率也是有限制的，不能无限地高）实现，可以是一个奇对称FIR低通滤波器，该奇对称FIR低通滤波器的截止频率比系统带宽要高，例如电源探头加示波器的系统带宽是2GHz，FIR低通滤波器的截止频率要大于等于2GHz。
在本申请实施例中，在示波器内部加入了数字补偿模块，数字补偿模块能够对所采集的电源电压信号中的高频信号进行增益补偿得到第二信号，以使第二信号中高频信号的增益与低频信号的增益相匹配，继而改善高低频信号增益不一致的问题。
请参考图12，本申请实施例还提供了一种示波器的电源探头频率响应补偿方法，该方法在示波器中进行执行，包括以下步骤：
步骤10：示波器通道102对每个通道输入的电源电压信号进行数据采集；其中，电源电压信号由与示波器相匹配的电源探头101对被测电源进行采集得到。
步骤20：数据处理模块103对所采集的电源电压信号进行处理，得到第一信号；其中，第一信号包括具有第一频段的交流信号和/或具有第二频段的交流信号，第一频段大于第二频段；其中，第一频段属于高频段，第二频段属于低频段。
步骤30：数字补偿模块104对第一信号中具有第一频段的交流信号进行增益补偿，得到第二信号；其中，第二信号中具有第一频段的交流信号的增益与具有第二频段的交流信号的增益相匹配。
步骤40：波形映射模块105将第二信号转换为用于显示在显示界面的波形图像数据。
需要说明的是，上述方法步骤的具体实施方式已在上述示波器的功能模块中进行了详细说明，此处不再一一赘述。
以上应用了具体个例对本申请进行阐述，只是用于帮助理解本申请，并不用以限制本申请。对于本申请所属技术领域的技术人员，依据本申请的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (8)
1.一种示波器，其特征在于，包括：
示波器通道，用于对每个通道输入的电源电压信号进行数据采集；所述电源电压信号由与所述示波器相匹配的电源探头对被测电源进行采集得到；
数据处理模块，用于对所采集的电源电压信号进行处理，得到第一信号；所述第一信号包括具有第一频段的交流信号和/或具有第二频段的交流信号，所述第一频段大于第二频段；其中，所述第一频段属于高频段，所述第二频段属于低频段；
数字补偿模块，用于对所述第一信号中具有第一频段的交流信号进行增益补偿，得到第二信号，所述第二信号中具有第一频段的交流信号的增益与具有第二频段的交流信号的增益相匹配；
波形映射模块，用于将所述第二信号转换为用于显示在显示界面的波形图像数据；
所述数字补偿模块包括：
数字高通滤波器，用于对所述第一信号进行数字高通滤波处理，得到第三信号；所述第三信号与所述第一信号具有相位延迟；
相位补偿单元，用于对所述第一信号进行相位延迟处理，得到第四信号；所述第四信号与所述第三信号具有相同的相位；
加法器，用于对所述第三信号和所述第四信号进行相加，得到所述第二信号。
2.如权利要求1所述的示波器，其特征在于，还包括：处理器；所述处理器用于：
获取所述电源探头的频率响应曲线数据和所述示波器通道的频率响应曲线数据；其中，所述电源探头的频率响应曲线数据预存在所述电源探头中，所述示波器通道的频率响应曲线数据预存在所述示波器中；
根据所述电源探头的频率响应曲线数据和所述示波器通道的频率响应曲线数据，确定所述数字高通滤波器的参数，并基于所述数字高通滤波器的参数对所述数字高通滤波器进行参数配置；
基于所述数字高通滤波器的参数，确定所述数字高通滤波器的相位延迟值，并基于所述相位延迟值对所述相位补偿单元进行相位延迟配置。
3.如权利要求1或2所述的示波器，其特征在于，所述数据处理模块包括：
模数转换器，用于对所采集的电源电压信号进行模数转换，得到数字电源电压信号；
数据预处理单元，用于对所述数字电源电压信号进行预处理，得到第一信号。
4.如权利要求1或2所述的示波器，其特征在于，还包括：
电源探头，用于获取被测电源的电源电压信号。
5.一种示波器的电源探头频率响应补偿方法，其特征在于，包括：
对每个通道输入的电源电压信号进行数据采集；所述电源电压信号由与所述示波器相匹配的电源探头对被测电源进行采集得到；
对所采集的电源电压信号进行处理，得到第一信号；所述第一信号包括具有第一频段的交流信号和/或具有第二频段的交流信号，所述第一频段大于第二频段；其中，所述第一频段属于高频段，所述第二频段属于低频段；
对所述第一信号中具有第一频段的交流信号进行增益补偿，得到第二信号，所述第二信号中具有第一频段的交流信号的增益与具有第二频段的交流信号的增益相匹配；
将所述第二信号转换为用于显示在显示界面的波形图像数据；
所述对所述第一信号中具有第一频段的交流信号进行增益补偿，得到第二信号包括：
对所述第一信号进行数字高通滤波处理，得到第三信号；所述第三信号与所述第一信号具有相位延迟；
对所述第一信号进行相位延迟处理，得到第四信号；所述第四信号与所述第三信号具有相同的相位；
对所述第三信号和所述第四信号进行相加，得到所述第二信号。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对所述第一信号进行数字高通滤波处理，得到第三信号包括：
获取所述电源探头的频率响应曲线数据和所述示波器中示波器通道的频率响应曲线数据；其中，所述电源探头的频率响应曲线数据预存在所述电源探头中，所述示波器通道的频率响应曲线数据预存在所述示波器中；
根据所述电源探头的频率响应曲线数据和所述示波器通道的频率响应曲线数据，确定数字高通滤波函数的参数，继而确定所述数字高通滤波函数；
基于所述数字高通滤波函数，对所述第一信号进行数字高通滤波处理。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对所述第一信号进行相位延迟处理，得到第四信号包括：
基于所述数字高通滤波函数的参数，确定所述第三信号与所述第一信号之间的相位延迟值，并基于所述相位延迟值对所述第一信号进行相位延迟处理。
8.如权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述对所采集的电源电压信号进行处理，得到第一信号包括：
对所采集的电源电压信号进行模数转换，得到数字电源电压信号；
对所述数字电源电压信号进行预处理，得到第一信号。
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