DE19603642C2 - Analoge Spannungssonde mit einer Mehrzahl von Sondenkanälen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine analoge Spannungssonde mit einer Mehrzahl von Sondenkanälen.

Spannungssonden werden gewöhnlich verwendet, um analoge Testsignale von einer zu testenden Schaltung zu einem Oszil­ loskop oder zu einem anderen elektrischen oder elektroni­ schen Testgerät zu leiten. Eine derartige elektronische Son­ de muß in der Lage sein, ein elektrisches Signal auf einem Knoten oder Anschlußstift der zu testenden Schaltung zu dem Testgerät zu leiten, ohne es zu stören, d. h. mit hoher Sig­ nalintegrität. Ferner sollte dieselbe weder eine Spannung noch einen Strom an die zu testende Schaltung anlegen.

Gegenwärtige elektronische Schaltungen arbeiten bei Frequen­ zen, die sich von Null bis zu mehreren Gigahertz erstrecken. Somit müssen Testsonden, die bei einer breiten Vielfalt von Schaltungen verwendet werden können, in der Lage sein, über eine breite Frequenzbandbreite eine hohe Signalintegrität zu schaffen.

Das Gebiet der Testsonden, die Analogsignale zu einem Test­ gerät leiten, sollte von dem Gebiet der digitalen Testaus­ rüstung unterschieden werden. Bei dem letzteren ist eine ho­ he Signalintegrität kein wesentliches Ziel, da digitale Testgeräte nur den Anstieg oder Abfall eines digitalen Sig­ nals erfassen müssen.

Integrierte und hybride Schaltungen werden sowohl komplexer als auch schneller, was zu einer immer höheren Anzahl von Gehäuseanschlußleitungen führt, die sich in immer weniger Platz drängen, d. h. die Anschlußleitungen werden bei sehr engen Zwischenräumen extrem dicht. Um mit einer derart hohen Anzahl von Anschlußleitungen umzugehen, besteht eine Lösung, welche das Thema der US 5,629,617 ist, darin, eine hohe Anzahl von Multiplex-Sondenkanälen zu verwenden, wobei jeder eine unterschiedliche Anschlußleitung der zu te­ stenden Schaltung prüfen kann. Die Sonden sollten klein sein, damit auf demselben zu testenden Gerät viele verwendet werden können. Bei einem Multiplex-Sondensystem müssen alle Sondenkanäle in dem Multiplexer sehr nah zusammenkommen. Diese physische Nähe führt zu Kopplungen zwischen den Son­ den. Das heißt, daß ein Teil des Signals auf einem Sonden­ kanal auf benachbarte Sondenkanäle überkoppelt. Es wurde herausgefunden, daß diese Kopplung bei hohen Frequenzen in der Rückwärtsrichtung besonders ernst ist. Dies ist unan­ nehmbar, da die Grundanforderung einer analogen Sonde darin besteht, das Signal von der zu testenden Schaltung mit Aus­ nahme der Amplitude im wesentlichen unverändert zu leiten. Ferner wird notwendigerweise eine bestimmte Eingangskapazi­ tät in der Sondenverstärkerschaltung vorhanden sein. Eine beliebige Eingangskapazität in dem Sondenverstärker wird Re­ flexionen erzeugen, die sich auf dem Eingangskabel zurück ausbreiten. Somit erzeugen sowohl die Rückwärtskopplung zwi­ schen benachbarten Sonden, die physisch eng zusammen sind, als auch die Signalreflexion aufgrund einer Eingangskapazi­ tät eines Sondenverstärkers Signale, die sich entlang des Eingangskabels zurück ausbreiten. Bei herkömmlichen Sonden wird das Rückwärtssignal, wenn es die Sondenspitze erreicht, wieder zum Kabel reflektiert, wobei dasselbe dann an dem Verstärkereingang als ein Fehler erscheint, welcher zu einer Verschlechterung der Sondengenauigkeit und des Sondenverhal­ tens führt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine störungsarme analoge Spannungssonde zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine analoge Spannungssonde gemäß Anspruch 1 gelöst.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung schafft nicht nur eine tragbare Spannungsson­ de, die viele einzelne Sondenkanäle innerhalb eines kleinen tragbaren Sondenkörpers enthalten kann, während eine hohe Bandbreite und eine hohe Signalintegrität beibehalten wird, sondern dieselbe führt dies auf eine Art und Weise durch, die es ermöglicht, daß die Sonde relativ preiswert herge­ stellt werden kann.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des bevorzugten Ausführungsbei­ spiels eines elektronischen Sondensystems gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein teilweises Blockschaltbild eines Sondenkopfes für neun Allzweck-Einzelpunktsonden des Sondensy­ stems von Fig. 1; und

Fig. 3 ein detailliertes Schaltbild des Multiplexverstär­ kers in dem Sondenkopf von Fig. 2.

Fig. 1 zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines ana­ logen Spannungssondensystems 100 gemäß der Erfindung.

In dieser Beschreibung bedeutet der Ausdruck "elektrisch verbunden", wenn er bei zwei elektrischen Elementen, wie z. B. einem Eingang und einem Ausgang, verwendet wird, daß ein elektrisches Signal, wie z. B. eine Spannung, ein Strom, ein analoges Signal oder ein digitales Signal, von dem einem Element zu dem anderen laufen wird. Dies wird zur Unter­ scheidung einer physischen Verbindung durch elektrische Kom­ ponenten angemerkt. Ein Eingang und ein Ausgang können bei­ spielsweise durch Drähte, Verstärker, Transistoren, Wider­ stände und weitere elektrische Komponenten physisch verbun­ den sein, wobei jedoch kein Signal von dem Eingang zu dem Ausgang laufen wird, da eine oder mehrere der Schaltungs- oder Verstärkungs-Komponenten ausgeschaltet sein kann. In diesem Fall sind der Eingang und Ausgang nicht "elektrisch verbunden". In dieser Beschreibung bezeichnet "Verstärker" eine elektronische Schaltung, die Signale ohne wesentliche Verzerrung, jedoch gewöhnlich unter Veränderung der Amplitu­ de leitet, wobei der Ausdruck "Verstärker" sowohl 1 : 1-Ver­ stärker als auch negative Verstärker und nicht nur Verstär­ ker mit positivem Gewinn bezeichnet.

Das Sondensystem 100 umfaßt drei PQFP-Sonden (PQFP = Plastic Quad Flat Pack = Kunststoff-Viererflachgehäuse), wie z. B. 101 und eine Allzwecksonde 106. Jedes PQFP 100 umfaßt einen Sondenkopf, wie z. B. 103, und zwei Koaxialkabel 115. Jeder Sondenkopf 102, 103 und 104 weist eine spezifische Anzahl von Eingängen 105 auf und ist mechanisch in einem Sondenkör­ per (nicht gezeigt) enthalten, wobei der Sondenkörper ent­ worfen ist, um ohne weiteres in einer Hand gehalten werden zu können und ohne weiteres an ein spezifisches PQFP (nicht gezeigt) gekoppelt werden zu können. Die Sondeneingänge 105 der Sondenköpfe 102 bis 104 sind entworfen, um ohne weiteres mit den Eingängen des spezifizierten PQFP elektrisch verbun­ den werden zu können. Der Sondenkopf 102 ist beispielsweise entworfen, um mit einem PQFP mit 240 Anschlußstiften verbun­ den zu werden, wobei der Sondenkopf 103 entworfen ist, um mit einem PQFP mit 208 Anschlußstiften verbunden zu werden, während der Sondenkopf 104 entworfen ist, um mit einem PQFP mit 160 Anschlußstiften verbunden zu werden. Jeder Sonden­ kopf 102, 103 und 104 umfaßt einen Multiplexer, der in der Lage ist, einen beliebigen seiner Eingänge 105 mit einem beliebigen seiner Eingänge, wie z. B. 111 und 112, oder mit beiden zu verbinden.

Das beispielhafte Sondensystem 100 umfaßt ferner einen All­ zweck-Einzelpunktsondenkopf 106, welcher 9 Sondenspitzen 108, eine Schaltungsgruppe 109 und zwei Koaxialkabel 115 enthält. Jede Sondenspitze 108 umfaßt einen Eingang 107 und ist mit der Schaltungsgruppe 109 über eine Anschlußleitung 110 verbunden, welche vorzugsweise ein Koaxialkabel mit 100 Ohm ist. Die Allzwecksonde 106 wird vorzugsweise verwendet, um Schaltungen zu prüfen, für welche kein spezifischer Son­ denkopf verfügbar ist.

Das Sondensystem 100 weist zwei Ausgänge 129 und 130 auf. Genauso besitzen die meisten Systemkomponenten, wie z. B. die Schaltungsgruppe 109, zwei Ausgänge, wie z. B. 113 und 114 für die Schaltungsgruppe 109. In jedem Fall wird ein Ausgang als der "A"-Ausgang und der andere als der "B"-Ausgang be­ zeichnet. Die Schaltungsgruppe 109 umfaßt eine integrierte Schaltung 240 (Fig. 2), die einen Multiplexverstärker 302 (Fig. 3) enthält, der eine beliebige seiner Sondenspitzen 108 mit einem oder mit beiden seinen Ausgängen 113 und 114 verbinden kann. Jeder der getrennten Wege durch die Schal­ tungsgruppe 109 oder genauso durch die Mehrzwecksonde 106, dem ein Signal von einem ausgewählten Sondeneingang 107 zu einem ausgewählten Sondenausgang 113 und 114 folgen kann, definiert einen Sondenkanal, wie z. B. 340 (Fig. 3). Somit umfaßt die Schaltungsgruppe 109, welche neun Eingänge 107 und zwei Ausgänge 113 und 114 umfaßt, mindestens achtzehn mögliche Sondenkanäle. Wenn das Sondensystem 100 als Ganzes betrachtet wird, kann jeder der Kanäle 340 durch die Mehr­ zwecksonde 106 durch einen von zwei Ausgängen 129 und 130 des Sondensystems 100 laufen, was die Anzahl der möglichen Kanäle um 2 multipliziert. Um die Diskussion zu vereinfa­ chen, wird der Kanal 340 durch die Mehrzwecksonde 106 als der beispielhafte Kanal verwendet, obwohl ebenfalls ein anderer der vielen Kanäle durch das System 100 als Ganzes, d. h. von einem der Eingänge 105, 107 zu einem der Ausgänge 129, 130 herausgenommen werden könnte.

Das Sondensystem 100 umfaßt ferner eine gedruckte Schal­ tungsplatine (PCB; PCB = Printed Circuit Board) 120, welche in einen Logikanalysator 133 hineinpaßt, der entworfen ist, um eine Schnittstelle zu der Sonde zu bilden, wobei der Lo­ gikanalysator in der Technik manchmal als ein "Grundgerät" oder "main frame" bezeichnet wird. Die PCB 120 enthält eine Kanalauswahl-Programmierschaltung 121, eine Kalibrations­ steuerungsschaltung 122, eine Versatzsteuerungsschaltung 123 und eine Sondenleistungsschaltung 124, wobei die Schaltungen einen Mikroprozessor 125 und seinen zugeordneten Speicher 126 gemeinsam verwenden. Die Kanalauswahl-Programmiervor­ richtung 121 umfaßt beispielsweise den Speicher 126 und den Mikroprozessor 125, derart, daß eine in dem Speicher 126 ge­ speicherte Kanalauswahlsoftware von dem Mikroprozessor 125 verwendet wird, um Ausgangssignale zu schaffen, die bewir­ ken, daß die Programmiervorrichtung 121 auf einer Leitung 160 Daten ausgibt, um Latch-Speicher 390 (Fig. 3) in den Sondenköpfen 102 bis 104 und der Schaltungsgruppe 109 zu programmieren. Der Mikroprozessor 125 und der Speicher 126 befinden sich nicht auf der PCB 120, sie sind jedoch in dem Grundgerät 133, was durch die gestrichelte Umrandung gezeigt ist. Die Kanalauswahl-Programmiervorrichtung 121 umfaßt vor­ zugsweise ein Feld-programmierbares Gate Array (auch "Gat­ teranordnung" genannt), welches programmiert ist, um mit dem Mikroprozessor 125 und dem Speicher 126 zusammenzuwirken, um eine Serie von Datenbits zu Schieberegistern, welche die Latch-Speicher 390 (Fig. 3) aufweisen, auszugeben. Diese Da­ ten steuern die Latch-Speicher, um zu bestimmen, welche Son­ denspitze 108 oder welche Sondenspitzen mit den Ausgängen 113 und 114 verbunden werden.

Die PCB 120 umfaßt ferner einen Zweite-Ebene-Multiplexer 127. Der Multiplexer 127 ist als ein integriertes Schal­ tungschip (IC-Chip; IC = Integrated Circuit) auf der PCB 120 implementiert, wobei derselbe in der Lage ist, einen belie­ bigen seiner acht Eingänge mit entweder einem oder mit bei­ den seiner Ausgänge 129 und 130 zu verbinden. Zusätzlich um­ faßt das Sondensystem 100 eine Einrichtung 140 zum Eingeben von Steuerungssignalen, wie z. B. zum Programmieren des zwei­ te-Ebene-Multiplexers 127, der Sondenköpfe 102 bis 104 und der Schaltungsgruppe 109. Bei dem bevorzugten Ausführungs­ beispiel umfaßt die Einrichtung 140 Skalenscheiben 141 und eine Tastatur 142, obwohl fast jede Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Steuerungssignale verwendet werden könnte. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Skalenscheiben 140 auf der Vorderseite des Logikanalysators 133 positio­ niert, wobei die Tastatur eine Tastatur einer Computerar­ beitsstation ist. Der Einfachheit halber sind dieselben je­ doch als eine gemeinsame Steuerungssignal-Eingabeeinrichtung 140 gezeigt.

Die Ausgänge 113, 114 der Schaltungsgruppe 109 sind über Standard-50-Ohm-Koaxialkabel 115 mit dem Zweite-Ebene-Mul­ tiplexer 127 verbunden. Die Ausgänge 129, 130 des Zweite- Ebene-Multiplexers 127 können über 50-Ohm-Mikrostreifen- "Koaxialkabel" 149 mit einem Testgerät, wie z. B. einem Os­ zilloskop 150, verbunden werden. Die Steuerungs-PCB 120 ist mit den Sondenköpfen 102 bis 104, der Schaltungsgruppe 109 und dem Zweite-Ebene-Multiplexer 127 über ein mehradriges Kabel 160 verbunden. Das mehradrige Kabel 160 umfaßt her­ kömmliche Versorgungsleitungen, eine serielle Schnittstelle mit Daten- und Taktleitungen und andere Leitungen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Koaxialkabel 115 und die Drähte 160 in einem einzigen Kabel zusammen verbun­ den.

Die Schaltungsgruppe 109 und der Zweite-Ebene-Multiplexer 127 sind ferner in der Lage, ihre Eingänge zu zwei Trigger- Ausgängen (TrigA, TrigB), wie z. B. 118 und 119, zu multi­ plexen, obwohl diese bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht verwendet werden.

Eine analoge elektronische Sonde gemäß der Erfindung kann viele andere Formen als die in Fig. 1 gezeigte Form anneh­ men. Das spezifische gezeigte Ausführungsbeispiel wurde auf­ grund seiner Nützlichkeit beim Veranschaulichen von mehreren Möglichkeiten zum Implementieren der Erfindung in einem Sy­ stem ausgewählt, d. h. die Schaltungsgruppe 109 sowie das Sondensystem 100 als Ganzes. Die vorliegende Erfindung be­ zieht sich hauptsächlich auf die Allzwecksonde 106, weswegen nur dieser Abschnitt des Systems 100 detaillierter beschrie­ ben wird. Die anderen Teile des Sondensystems sind detail­ liert in der US 5629617 beschrieben, welche hierin durch Bezugnahme aufge­ nommen ist.

In Fig. 2 ist die Allzwecksonde 106 gezeigt. Die Sonde 106 umfaßt einen Speicher 201, die neun Sondenspitzen 108, die Anschlußleitung 110, die Sonden-Schaltungsgruppe 109 und zwei Koaxialkabel 115. Aus Gründen der Einfachheit ist nur eine Sondenspitze 108 und ihr zugeordnetes Koaxialkabel 110 gezeigt. Die anderen neun sind durch die Beschreibung ''2 bis ''9 identifiziert. Jede Sondenspitze 108 umfaßt einen Eingang (In; In = Ein) 107 mit einer Eingangssignalleitung 205 und einer Masseleitung (Gnd; Gnd = Ground = Masse) 206. Jede Sondenspitze umfaßt ferner einen Spitzenwiderstand 210, einen Teilerwiderstand 211, einen Ausgangsimpedanz-Anpas­ sungswiderstand 212, einen Serien-Teilerkondensator 205, ei­ nen Parallel-Teilerkondensator 216 und eine Funkenstrecke 220. Die Schaltungsgruppe 109 umfaßt Widerstände 236, 237 und 238 und einen anwendungsspezifischen IC-Multiplexerchip 240.

Der Eingang 205 ist über die Widerstände 210, 211 und 212 seriell mit der Anschlußleitung 110 verbunden. Der Konden­ sator 205 ist parallel zum Widerstand 211 geschaltet. Eine Seite des Kondensators 216 ist mit dem Knoten 221 zwischen den Widerständen 211 und 212 verbunden, während die andere Seite mit der Masse verbunden ist. Die Funkenstrecke 220 ist zwischen dem Knoten 252, der sich zwischen den Widerständen 210 und 211 befindet, und der Masse plaziert. Der Speicher 201 ist über ein Kabel 202, welches ein Teil des Kabelbün­ dels 160 ist, mit dem Kalibrationssteuerungsmodul 122 ver­ bunden. Der Multiplexer-IC 240 weist achtzehn Eingänge 241 auf, obwohl bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel nur neun verwendet werden. Der Multiplexer-IC 240 kann einen beliebi­ gen seiner achtzehn Eingänge 241 mit einem beliebigen oder seinen beiden Ausgängen (VOutA, VOutB; VOut = Voltage Out = Spannung Aus) verbinden. Somit existieren in dem Multiplexer 240 36 mögliche Sondenkanäle, wie z. B. 340.

Das gezeigte Ausführungsbeispiel veranschaulicht jedoch nur ein Beispiel der Sondenkonfiguration 109. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel könnte eine beliebige Anzahl der Eingänge 241 verwendet werden. Dies erlaubt es, daß die integrierte Schaltung 240 bei einer Allzwecksonde mit einer beliebigen Anzahl von Sondenspitzen von 1 bis 18 verwendet werden kann, was im Vergleich zu dem Fall, bei dem für jede unterschied­ liche Allzwecksonde ein anwendungsspezifischer Chip herge­ stellt werden würde, die Kosten wesentlich reduziert. Zu­ sätzlich könnte der anwendungsspezifische Chip mit einer kleineren oder größeren Anzahl von Eingängen und entspre­ chenden Kanälen entworfen werden. Basierend auf der gegen­ wärtig verfügbaren Technologie bei integrierten Schaltungen könnte irgendeine Anzahl von 2 bis etwa 1000 Eingängen und entsprechenden Kanälen in einer integrierten Schaltung un­ tergebracht werden.

Die integrierte Schaltung 240 weist die vier Ausgänge 118, 119, 242 und 243 auf, wobei die ersten beiden Triggeraus­ gänge (TrigA, TrigB) und die beiden letzteren analoge Sig­ nalausgänge sind. Die Anschlußleitung 110 verbindet die Son­ denspitze 108 und den Eingang In1 des Multiplexer-IC 240. Ähnliche weitere Anschlußleitungen 110 verbinden die anderen Sondenspitzen mit den Eingängen In2 bis In9 des Multi­ plexer-IC 240. Jeder dieser Eingänge ist über einen Ab­ schlußwiderstand 236, der an die Impedanz des Koaxialkabels 110 angepaßt ist, mit der Masse verbunden. Es wird ange­ merkt, daß Massen bei dieser Offenbarung als umgekehrte Dreiecke, wie z. B. bei 235, gezeigt sind. Der Ausgang 242 des Multiplexer-IC ist über einen Widerstand 237 mit einem der Koaxialkabel 115 verbunden, während der Ausgang 243 des Multiplexer-IC über einen Widerstand 238 mit einem anderen der Koaxialkabel 115 verbunden ist. Die Leitung 244 ist die Datenverbindung von der Programmiervorrichtung 121, die zu den Schieberegister-Latch-Speichern 390 (Fig. 3) in dem Mul­ tiplexerverstärker 302 in dem IC 240 läuft und ein Teil des Kabelbündels 160 ist.

Die Widerstände 210, 211, 212, 236, 237 und 238 weisen vor­ zugsweise die Werte 200 Ohm, 9,6 Kiloohm, 100 Ohm, 100 Ohm, 50 Ohm bzw. 50 Ohm auf. Die Anschlußleitungen 110 sind vor­ zugsweise 100-Ohm-Koaxialkabel. Der Widerstand 212 ist aus­ gewählt, um die Impedanz der Anschlußleitung 110 für Signale in der Rückwärtsrichtung anzupassen. Vorzugsweise liegt der Ausgangsimpedanzanpassungs-Widerstand 212 zwischen 98 und 102 Ohm für ein 100-Ohm-Koaxialkabel 110. Wenn die Anschluß­ leitung 110 ein Koaxialkabel mit einem anderem Nominalwert, wie z. B. ein 50-Ohm-Koaxialkabel, ist, dann wird der Wider­ stand 212 innerhalb weniger Prozent des Kabel-Nominalwertes sein, wie z. B. zwischen 49 und 51 Ohm für eine Anschlußlei­ tung 110 mit 50 Ohm. Die Kondensatoren 215 und 216 weisen vorzugsweise einen Wert von 400 Femtofarad bzw. 15 Picofarad auf. Vorzugsweise befindet sich der Kondensator 216 in dem Bereich von zwischen 10 Picofarad und 30 Picofarad. Die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke 220 beträgt vorzugs­ weise etwa 800 Volt. Alle Sondenspitzenkomponenten können elektrostatische Entladungsspannungen (ESD; ESD = Electro­ static Discharge) bis zur Funkenstrecken-Schwellenspannung aushalten. Es sollte angemerkt werden, daß sich aufgrund des bezüglich seiner Kapazität großen Kondensators 216 das Vor­ wärts- oder Eingangs-Signal bei hohen Frequenzen zwischen dem Kondensator 215 und dem Kondensator 216 und zusätzlich zwischen dem Widerstand 212 und dem Kabel 110 aufteilt. Rückwärtssignale, die auf dem Kabel 110 zurückkehren, werden durch den Widerstand 212 absorbiert, welcher bei hohen Fre­ quenzen über den Kondensator 216 im wesentlichen mit der Masse verbunden ist. Dies ist die Schaltung, die die Rück­ wärtssignale hauptsächlich dissipiert, die von der Schal­ tungsgruppe 109 durch das Kabel 110 zurückkommen. Das heißt, daß die Schaltung 270 mit dem Kondensator 216 und dem Wider­ stand 212 eine Rückwärtssignal-Reduktionseinrichtung zum Re­ duzieren des Rückwärtssignals in dem Sondenkanal 340 bildet. Die Schaltung 272 mit dem Kondensator 215 und dem Kondensa­ tor 216 bilden einen kapazitiven Eingangsteiler für den Son­ denkanal 340 auf. Somit wirkt der Kondensator 216 als ein Element des Hochfrequenz-Eingangsteilers 272 der Sonde für die Vorwärtssignale, d. h. als das Parallelelement, und er liefert ferner die Hochfrequenzmasse für die Rückwärtssig­ nale.

Ein detaillierter Schaltplan der Multiplexer-Verstärker­ schaltung 302 (muxamp; muxamp = MUltipleXer AMPlifier) in­ nerhalb des IC 240 ist in Fig. 3 gezeigt. Die Multiplexer- Verstärkerschaltung 302 umfaßt achtzehn Eingänge 241, Tran­ sistoren 304, 306, 308, 310, 312, 314, 324, 326 und 328, Latch-Speicher A1 bis A18, Dioden 353 bis 356, Widerstände 316, 318 und 360 bis 368, einen Kondensator 370 und einen Ausgang 322 (MuxAOut). Vorzugsweise sind alle Transistoren in dieser Schaltung und in anderen Schaltungen dieser Offen­ barung bipolare NPN-Transistoren. Die Transistoren 308 und 328 sind Neun-Emitter-Transistoren. Die Latch-Speicher A1 und A18 können irgendein Bauelement mit einem Ausgang sein, der in einem von zwei Zuständen verriegelt werden kann: ei­ nem "niederen" oder logischen "Null"-Zustand, der bei diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise etwa bei -3,0 Volt liegt, und einem "hohen" oder logischen "Eins"-Zustand, der bei diesem Ausführungsbeispiel etwa +0,0 Volt beträgt. Die Latch-Speicher sind mit Bezeichnungen bezeichnet, wie z. B. A1 und A18, die ihre relative Position in der Schaltung und in dem Schieberegister 390 angeben. Das "A" oder "B" gibt an, ob sich der Latch-Speicher in einem Kanal "A" befindet, welcher ein Kanal ist, der mit dem Ausgang "A"242 verbunden ist, oder ob derselbe in einem Kanal "B" ist, d. h. einem Ka­ nal, der mit dem Ausgang "B" 243 verbunden ist. Die Ziffer gibt die Ordnung des Latch-Speichers in dem Kanal an, z. B. Latch-Speicher A18 bezeichnet den achtzehnten Latch-Speicher des Kanals "A". Vorzugsweise besitzen die Widerstände 360 bis 368 die Werte 125 Ohm, 2 Kiloohm, 500 Ohm, 2,3 Kiloohm, 1 Kiloohm, 200 Ohm, 1,8 Kiloohm, 2 Kiloohm und 125 Kiloohm. Der Kondensator 370 weist vorzugsweise einen Wert von 0,2 Picofarad auf.

Die Multiplexer-Verstärkerschaltung 302 umfaßt einen 18 : 1- Multiplexer 317, welcher die Schaltung auf der linken Seite der gestrichelten Linie 383 ist, einen Rückkopplungsverstär­ ker 319 zum Treiben des durch den Multiplexer 317 aus der Multiplexer-Verstärkerschaltung ausgewählten Signals und ei­ ne Stromquellenschaltung 388 zum Vorspannen des Ausgangs 322. Bei der in Fig. 3 gezeigten Implementation läuft die Rückkopplungsschaltung für den Verstärker 319 tatsächlich durch die Transistoren 308 und 328, welche ein Teil des Mul­ tiplexers 317 sind. Der Multiplexer 317 weist im wesentli­ chen achtzehn Verstärker, wie z. B. 342, auf, welche über Latch-Speicher 390 selektiv aktiviert werden können. Jeder Differenzverstärker, wie z. B. 342, weist zwei Transistoren, wie z. B. 304 und 308 auf, wobei deren Emitter, wie z. B. 381 und 382, verbunden sind. Diese verbundenen Emitter werden nachfolgend als "Emitterpaar" bezeichnet. Bei der gezeigten Implementation ist der Transistor 308 ein Neun-Emitter-Tran­ sistor, wobei derselbe als der zweite Transistor für die er­ sten neun Verstärker wirkt, während ein zweiter Neun-Emit­ ter-Transistor 328 als der zweite Transistor für die letzten neun Verstärker wirkt. Die Verstärkerschaltung 342, z. B. die Schaltung, die zwischen dem Eingang In1 und dem ersten Emit­ ter des Transistors 308 gezeigt ist, wird in der Multiple­ xer-Verstärkerschaltung 302 achtzehnmal wiederholt, obwohl nur die erste und die letzte, d. h. die Verstärkerschaltungen 342 bzw. 344 für die Eingänge In1 und In18 gezeigt sind. Wie es aus dem Nachfolgenden offensichtlich ist, definieren jede dieser Verstärkerschaltungen zusammen mit jeder der Mehr­ zweck-Sondenausgänge 113 und 114 einen separaten Mehrzweck­ sondenkanal 106. Da der Eingang In1 der Eingänge 241 der Multiplexer-Verstärkerschaltung 302 mit dem Eingang In1 der Sonde 216 verbunden ist, und da der Ausgang MuxAout 322 der Multiplexer-Verstärkerschaltung 302 mit dem Multiplexer-IC 242 verbunden ist, definieren der Eingang In1 und der Aus­ gang 322 einen Kanal 340 durch die Multiplexer-Verstärker­ schaltung 302 und den Multiplexer 240.

Der Eingang In1 ist mit der Basis des Transistors 304 ver­ bunden und ferner über die Diode 353 auf Masse gelegt, wobei deren Anode mit der Masse verbunden ist. Bei dieser Konfigu­ ration bietet die Diode 353 Schutz gegen übermäßige negative Spannungen, die an den Eingang In1 angelegt werden. Die Dio­ de 353 beginnt mit der Durchsteuerung, wenn die negative Spannung am Eingang etwa -0,7 Volt erreicht. Schutz gegen positive Spannungsausschläge wird durch den Kollektor/Ba­ sis-Übergang des Transistors 304 geboten, welcher, wie es in der Technik bekannt ist, im wesentlichen eine Diode ist. Der Kollektor des Transistors 304 ist mit der Masse verbunden.

Es wird angemerkt, daß bei dieser Offenbarung Spannungsquel­ len als eine Linie gezeigt sind, wobei die Spannung neben der Linie geschrieben steht, wie z. B. bei 374. Die Sonden­ leistungsversorgung 124 (Fig. 1) liefert Spannungen von +6,0 Volt, +1.35 Volt und -3,0 Volt. Der IC-Chip 240 weist ferner eine Auf-Chip-Schaltung auf, die -1,44 Volt erzeugt. Weitere Zwischenspannungen werden auf herkömmliche Art und Weise er­ reicht, indem eine oder mehrerer Dioden plaziert werden, die die Spannung zwischen der Leitung, die die geeignete Span­ nung von der Leistungsversorgung 124 führt, und dem Ab­ schnitt der Schaltung, in dem die Zwischenleistungsquelle gezeigt ist, dämpfen.

Die separate Vorspannung jedes Kanals, d. h. die separate Verbindung jedes Kanals mit der Leistungsversorgung über den Kollektor der ersten Transistoren, wie z. B. 381, verhindert es, daß benachbarte Kanäle über die Leistungsversorgung "übersprechen". Hiermit wird eine Trennung geschaffen, wenn der Kanal aus ist. Wie oben erwähnt wurde, ist der Emitter des Transistors 304 mit dem ersten Emitter des Transistors 308 verbunden. Der Knoten 380, der durch die letztere Ver­ bindung definiert ist, ist mit dem Kollektor des Transistors 306 verbunden. Die Basis des Transistors 306 ist mit dem Ausgang des Latch-Speichers A1 verbunden. Die Leitung 244 legt das Datensignal des Schieberegisters an den Latch-Spei­ cher A1 an, wobei dieses Signal über die Leitung 386 zu dem nächsten Latch-Speicher geleitet wird. Ein Taktsignal wird ferner angelegt, um den Latch-Speicher zu takten, wie es in der Technik bekannt ist. Der Latch-Speicher A1 ist getrennt von den anderen Latch-Speichern in dem Multiplexer ebenfalls auf Masse bezogen, um einen genauen, wiederholbaren Vorspan­ nungspegel für die Steuerungsschaltvorrichtung, die den Latch-Speicher A1 und den Transistor 306 aufweist, zu erzeu­ gen. Der Emitter des Transistors 306 ist über den Widerstand 360 mit der -3,0-Volt-Spannungsquelle verbunden. Wenn der Latch-Speicher A1 in seinen hohen Zustand übergeht, schaltet derselbe den Transistor 306 ein, was eine Stromquelle für die Verstärkerschaltung liefert, die durch den ersten Emit­ ter des Transistors 308 läuft und die Transistoren 304 und 308 aufweist, wodurch dieser Verstärker aktiviert wird und somit der Kanal 1 des Multiplexers "A" 317 eingeschaltet wird. Dies verbindet den diesem Kanal zugeordneten Eingang mit dem Ausgang 322 der Multiplexer-Verstärkerschaltung 302, mit dem Ausgang 113 der Mehrzwecksonde 106 und mit dem ge­ wählten Ausgang 129 oder 130 des Sondensystems 100.

Der Knoten 380 ist ebenfalls über die Diode 354 mit der Mas­ se verbunden, wobei die Kathode derselben mit der Masse ver­ bunden ist, und derselbe ist über den Widerstand 361 mit der +1,35-Volt-Spannungsversorgung verbunden. Die Kombination der Diode 354, die auf Masse gelegt ist, und der Verbindung mit der +1,35-Spannungsquelle über den Widerstand 361 zwingt den Knoten 380 und das Emitterpaar 381 und 382, mit dem der Knoten 380 verbunden ist, auf eine gesteuerte Abschaltspan­ nung, wenn der Kanal nicht angeschlossen ist, und wodurch auch das Reduzieren der Kopplung zwischen den Kanälen unter­ stützt wird. Vorzugsweise beträgt die gesteuerte Abschalt­ spannung etwa 0,75 Volt, wodurch die Basis/Emitter-Übergänge der Transistoren 304 und 308 in Sperrichtung vorgespannt werden, wenn der Latch-Speicher A1 aus ist.

Die Schaltung zwischen dem Eingang In18 und dem letzten Emitter des Transistors 328 ist in Struktur und Funktion zu der Schaltung zwischen In1 und dem ersten Emitter des Tran­ sistors 306 identisch, mit Ausnahme davon, daß sich der Latch-Speicher A18 auf einer anderen Position in dem Schie­ beregister von Latch-Speichern befindet und somit seine Funktion durch das Bit auf dieser Position bestimmt werden wird. Diese letztere Schaltung zusammen mit dem Ausgang 322 oder äquivalent mit den Ausgängen 242 und 113 definiert den achtzehnten Kanal, der dem Abschnitt "A" zugeordnet ist. Ge­ nauso definieren jede der anderen Schaltungen zwischen den anderen Eingängen In2 bis In17 und der entsprechende Emitter einen Sondenkanal.

Die Kollektoren der Transistoren 308 und 328 sind über den Widerstand 363 mit der Basis des Transistors 310, mit einer +6,0-Volt-Versorgungsquelle und über den Widerstand 362 und den Kondensator 370, die seriell verbunden sind, mit der Masse verbunden. Der Kollektor des Transistors 310 ist mit einer +2,0-Volt-Versorgungsquelle verbunden, wobei der Emit­ ter desselben mit der Basis des Transistors 312 und über den Widerstand 364 mit dem Ausgang 322 der Multiplexer-Verstär­ kerschaltung verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 312 ist mit der +1,35-Versorgungsquelle verbunden, wobei der Emitter desselben mit dem Ausgang 322 verbunden ist. Der Ausgang 322 ist ebenfalls über den Widerstand 316 mit den Basen der Transistoren 308 und 328 verbunden, um die Rück­ kopplung zu liefern. Die Basen der Transistoren 308 und 328 sind ferner über den Widerstand 318 mit der Masse und über den Widerstand 366 mit dem Versatzspannungseingang 392 ver­ bunden. Die Versatzspannung wird von dem Kalibrationssteue­ rungsmodul 122 (Fig. 1) angelegt und liefert eine Einrich­ tung zum Abgleichen der Multiplexer-Verstärkerschaltung 302 zu Kalibrationszwecken.

Der Ausgang 322 ist ebenfalls mit dem Kollektor des Transi­ stors 314 verbunden. Die Basis des Transistors 314 ist mit einer -1,44-Volt-Spannungsversorgungsquelle verbunden, wobei der Emitter desselben über den Widerstand 365 mit der -3,0- Volt-Versorgungsquelle verbunden ist. Diese Schaltung lie­ fert eine Vorspannung für die Transistoren 310 und 312 mit einem Wert, der es erlaubt, daß die Transistoren wie ge­ wünscht arbeiten.

Der Ausgang 322 der Multiplexer-Verstärkerschaltung ist über eine weitere Schaltungsanordnung (nicht gezeigt) mit dem IC-Ausgang 242 verbunden, welche den Gewinn des IC 240 ein­ stellt, wobei diese Schaltungsanordnung nicht zur vorlie­ genden Erfindung gehört und daher nicht weiter diskutiert wird. Genauso existiert eine identische Multiplexer-Verstär­ kerschaltung, die zwischen die Eingänge 241 und den Ausgang 243 geschaltet ist, wobei diese Multiplexer-Verstärkerschal­ tung genauso achtzehn Emitterpaar-Verstärker enthält, welche achtzehn "B"-Kanäle definieren.

Die Implementation der Sondenschaltungsanordnung in dem Mul­ tiplexer-IC-Chip 240 ist ein Schlüsselfaktor beim Erreichen der Dichte der Schaltungsanordnung, um achtzehn oder mehr Sondenkanäle zuzulassen, von denen jeder eine hohe Signal­ integrität und eine hohe Bandbreite aufweist. Diese Imple­ mentation macht es jedoch schwierig, wenn nicht unmöglich, das Kabel 110 innerhalb der Schaltungsanordnung 240 geeignet abzuschließen, was zu Signalreflexionen von dem IC 240 zu­ rück durch das Kabel 110 führt. Darüberhinaus macht es die kleine physische Größe des IC 240 praktisch unmöglich, eine Kopplung zwischen den Eingängen 241 zu eliminieren, da die Eingänge 241 notwendigerweise so nahe aneinander angeordnet sind. Dies resultiert in einer Rückwärtskopplung zwischen den Eingängen, d. h. ein bestimmter Teil des Signals von ei­ nem Eingang in der Vorwärtsrichtung, d. h. der Richtung von der Sondenspitze 108 zu dem Multiplexer-IC 240 wird auf die benachbarten Eingänge in der Rückwärtsrichtung überkoppeln, d. h. der Richtung von dem Multiplexer-IC 240 zu der Sonden­ spitze 108. Ein Merkmal dieser Erfindung besteht darin, daß der Kondensator 216 und der Widerstand 212 zusammen die Aus­ gangsimpedanz der Sondenspitze 108 bezüglich der Signale in der Rückwärtsrichtung an die Eingangsimpedanz des Kabels 110 anpassen. Dies erlaubt es, daß jedes Signal, das von der Ka­ bel/IC-Schnittstelle reflektiert wird und von benachbarten Kanälen eingekoppelt wird, in dem Widerstand 212 und dem Kondensator 216 dissipiert wird. Wenn dieses Rückwärtssignal nicht absorbiert wird, würde es von dem fernen Ende des Son­ deneingangs 205 reflektiert werden und in den Sondenkanal 280 zurückkehren, der der ersten Sondenspitze 108 zugeordnet ist, und damit das Verhalten der Sonde 208 ernsthaft ver­ schlechtern. Somit wird durch einen wohlüberlegten und doch einfachen Entwurf, der bewirkt, daß das Rückwärtssignal von der Schaltung in der Sondenspitze entfernt wird, die Verwen­ dung einer integrierten Schaltung 240 möglich, um die Sonde zu implementieren, wodurch ein scheinbar unüberwindliches Problem gelöst worden ist.

Claims (10)

1. Analoge Spannungssonde (106) mit einer Mehrzahl von Sondenkanälen (340), dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Kanal einen Sondeneingang (107), eine Sonden­ verstärkerschaltung (342), und eine Anschlußleitung (110), die den Sondeneingang (107) mit der Sondenver­ stärkerschaltung (342) verbindet, aufweist, und
daß eine Rückwärtssignal-Reduktionseinrichtung (270) zum Reduzieren des Rückwärtssignals in den Sondenka­ nälen vorgesehen ist.

2. Analoge Spannungssonde (106) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückwärtssignal-Reduktionseinrichtung (270) eine Rückwärtssignal-Impedanzanpassungseinrichtung (212) in jedem der Kanäle (340) zum Anpassen der Impe­ danz der Anschlußleitung (110) in der Rückwärtsrichtung aufweist.

3. Analoge Spannungssonde (106) gemäß Anspruch 1 oder 2 mit einer Mehrzahl von Sondenausgängen (113, 114), da­ durch gekennzeichnet,
daß die Sondenverstärkerschaltungen (342) Teil einer integrierten Schaltung (240) sind,
daß die integrierte Schaltung eine Multiplexereinrich­ tung (302) zum Verbinden eines beliebigen der Eingänge (107) mit der Mehrzahl von Ausgängen (113, 114) auf­ weist, und
daß die Verstärker (342, 344) einen Teil der Multi­ plexereinrichtung (302) bilden.

4. Analoge Spannungssonde gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückwärtssignal-Reduktionseinrichtung (270) ei­ nen Widerstand (212) in jedem der Kanäle (340) auf­ weist, wobei der Widerstand (212) seriell zu der An­ schlußleitung (110) und einer Hochfrequenzmasse (206) geschaltet ist.

5. Analoge Spannungssonde (106) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückwärtssignal-Reduktionseinrichtung (270) ferner einen Kondensator (260) in Serie zu dem Wider­ stand (212) aufweist, wobei der Kondensator eine Hoch­ frequenzverbindung auf Masse (206) für seinen entspre­ chenden Widerstand liefert.

6. Analoge Spannungssonde (106) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
jeder der Verstärker (342) einen Verstärkereingang (241) aufweist,
jede der Anschlußleitungen (110) mit dem Verstärkerein­ gang verbunden ist, und
jeder der Kanäle (340) ferner eine Vorwärtssignal-Impe­ danzanpassungseinrichtung (236) aufweist, die mit dem Eingang (241) der Verstärkerschaltung (342) verbunden ist.

7. Analoge Spannungssonde (106) gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der Widerstände (212) einen Wert von 98 Ohm bis 102 Ohm aufweist, und
daß jeder der Kondensatoren (216) eine Kapazität von 10 Picofarad bis 30 Picofarad aufweist.

8. Analoge Spannungssonde gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der Kanäle (340) ferner einen Hochfrequenz- Eingangsteiler (272) zwischen dem Sondeneingang (107) und dem Verstärker (342) aufweist, und
daß der Kondensator (216) ein Element des Hochfre­ quenz-Eingangsteilers ist.

9. Analoge Spannungssonde (106) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der Kanäle (340) eine Sondenspitze (108) auf­ weist, und
daß die Rückwärtssignal-Reduktionseinrichtung (270) ei­ ne Rückwärtssignal-Impedanzanpassungseinrichtung (212), die in jeder der Sondenspitzen (108) positioniert ist, zum Anpassen der Impedanz der elektrischen Anschlußlei­ tung (110) in der Rückwärtsrichtung, aufweist.

10. Analoge Spannungssonde (106) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Sondenkanäle (340) zwischen 2 und 1000 liegt.