一种测量设备和测量方法

技术领域

本申请涉及有源差分探头技术领域，具体涉及一种测量设备和测量方法。

背景技术

探头是起到连接示波器和被测电路的作用，随着被测信号的频率越来越高，对探头的性能要求也越来越高。其中，探头的输入电容是探头的重要参数，输入电容越小，探头负载效应则越小，更能真实还原被测高频信号。目前，500MHz带宽以下的无源探头的输入电容一般是10pF左右，1GHz以上的有源探头的输入电容一般小于2pF，5GHz以上的有源探头的输入电容已经到fF级别（1fF=10e-15F）。并且，差分探头的输入电容模型比单独探头的输入电容模型更加复杂，如图1和图2所示，图1示出了单端探头的输入电容模型，其中Cin为单端探头的输入电容，IN为单端探头的输入端，图2示出了差分探头的输入电容模型，其包括第一电容CX、第二电容CY1和第三电容CY2。

对于现有的电容测量设备，万用表和Fluke信号源均具有电容测量功能，但都无法测量到fF级别的电容，且由于差分探头的输入电容模型的复杂度，使得万用表和Fluke信号源也不能直接测量差分探头的输入电容。

综上，有源差分探头的输入电容的测量给生产过程中带来巨大的挑战。

发明内容

本申请提供了一种测量设备和测量方法。

根据第一方面，一种实施例中提供一种测量设备，用于测量有源差分探头的输入电容，所述测量设备包括：

开关组件，具有3种开关状态，在每种开关状态下，所述开关组件用于分别对所述有源差分探头的输入电容模型中的第一电容、第二电容和第三电容中的一个进行短路；其中，在每种开关状态下，所述开关组件具有不同的寄生电容；

测试装置，用于在所述开关组件的每种开关状态下，测量所述开关组件和所述有源差分探头的总输入电容；

处理器，用于获取在所述开关组件的每种开关状态下所述测试装置测量的总输入电容，根据每种所述开关状态对应的总输入电容和每种开关状态对应的寄生电容，计算所述有源差分探头的输入电容。

在一种实施例中，所述开关组件包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关分别具有对应的第一端和第二端，在开关闭合时，对应的第一端和第二端相连接，在开关断开是，对应的第一端和第二端断开；

所述第一开关的第一端和所述第三开关的第一端用于连接所述测试装置的输入端，所述第一开关的第二端和所述第三开关的第二端连接至公共端T1；所述第二开关的第一端和第四开关的第一端连接参考地，所述第二开关的第二端和所述第四开关的第二端连接公共端T2；所述公共端T1用于连接所述有源差分探头的差分输入P端，所述公共端T2用于连接所述有源差分探头的差分输入N端。

在一种实施例中，所述第一电容为所述有源差分探头的差分输入P端和差分输入N端之间的电容；所述第二电容为所述有源差分探头的差分输入P端和参考地之间的电容；所述第三电容为所述有源差分探头的差分输入N端和参考地之间的电容。

在一种实施例中，所述开关组件的3种开关状态为第一开关状态、第二开关状态和第三开关状态；

所述第一开关状态用于短路所述第一电容，所述第二开关状态用于短路所述第三电容，所述第三开关状态用于短路所述第二电容。

在一种实施例中，所述第一开关状态为所述第一开关闭合，所述第二开关断开，所述第三开关闭合，所述第四开关断开；

所述第二开关状态为所述第一开关闭合，所述第二开关断开，所述第三开关断开，所述第四开关闭合；

所述第三开关状态为所述第一开关断开，所述第二开关闭合，所述第三开关闭合，所述第四开关断开。

在一种实施例中，所述处理器根据每种所述开关状态对应的总输入电容和每种开关状态对应的寄生电容，计算所述有源差分探头的输入电容包括：

根据以下表达式计算所述有源差分探头的输入电容：

CIN= -0.5A+B+C-(B-C)

其中，CIN表示有源差分探头的输入电容；A= (CA-C1)/2,B= (CB-C2)/2,C= (CC-C3)/2, CA表示第一开关状态对应的所述测试装置测量的总输入电容，CB表示第二开关状态对应的所述测试装置测量的总输入电容，CC表示第三开关状态对应的所述测试装置测量的总输入电容，C1表示第一开关状态对应的寄生电容，C2表示第二开关状态对应的寄生电容，C3表示第三开关状态对应的寄生电容。

在一种实施例中，所述测试装置为矢量网络分析仪。

根据第二方面，一种实施例中提供一种测量方法，用于对有源差分探头的输入电容进行测量，包括：

在连接所述有源差分探头之前，采用测试装置测量开关组件在不同开关状态下的寄生电容；其中，所述开关组件具有3种开关状态，在每种开关状态下，所述开关组件用于分别对有源差分探头的输入电容模型中的第一电容、第二电容和第三电容中的一个进行短路；

将所述有源差分探头连接至所述开关组件，控制开关组件切换至不同的开关状态，在每种开关状态下，采用所述测试装置测量所述开关组件和所述有源差分探头的总输入电容；

根据每种所述开关状态对应的总输入电容和每种开关状态对应的寄生电容，计算所述有源差分探头的输入电容。

在一种实施例中，所述开关组件的3种开关状态为第一开关状态、第二开关状态和第三开关状态；

所述第一开关状态用于短路所述第一电容，所述第二开关状态用于短路所述第三电容，所述第三开关状态用于短路所述第二电容。

在一种实施例中，所述处理器根据每种所述开关状态对应的总输入电容和每种开关状态对应的寄生电容，计算所述有源差分探头的输入电容包括：

根据以下表达式计算所述有源差分探头的输入电容：

CIN= -0.5A+B+C-(B-C)

其中，CIN表示有源差分探头的输入电容；A= (CA-C1)/2,B= (CB-C2)/2,C= (CC-C3)/2, CA表示第一开关状态对应的所述测试装置测量的总输入电容，CB表示第二开关状态对应的所述测试装置测量的总输入电容，CC表示第三开关状态对应的所述测试装置测量的总输入电容，C1表示第一开关状态对应的寄生电容，C2表示第二开关状态对应的寄生电容，C3表示第三开关状态对应的寄生电容。

依据上述实施例的测量设备和测量方法，测量设备包括开关组件、测试装置和处理器，采用测试装置测量开关组件在不同开关状态下的寄生电容，将有源差分探头连接至开关组件，控制开关组件切换至不同的开关状态，在每种开关状态下，采用测试装置测量开关组件和有源差分探头的总输入电容，最后根据每种开关状态对应的总输入电容和每种开关状态对应的寄生电容，计算有源差分探头的输入电容，由此，实现了准确、自动、快速对有源差分探头的输入电容的测量。

附图说明

图1为单端探头的输入电容模型示意图；

图2为差分探头的输入电容模型示意图；

图3为本申请实施例提供的一种测量设备的结构示意图；

图4为一种实施例的开关组件结构示意图；

图5为第一开关状态对应的开关组件示意图；

图6为第一开关状态对应的电容模型示意图；

图7为第二开关状态对应的开关组件示意图；

图8为第二开关状态对应的电容模型示意图；

图9为第三开关状态对应的开关组件示意图；

图10为第三开关状态对应的电容模型示意图；

图11为本申请实施例提供的一种测量方法流程图。

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）。

如图2所示，有源差分探头的输入电容模型包括：第一电容CX、第二电容CY1和第三电容CY2，第一电容CX为有源差分探头的差分输入P端和差分输入N端之间的电容；第二电容CY1为有源差分探头的差分输入P端和参考地之间的电容；第三电容CY2为有源差分探头的差分输入N端和参考地之间的电容。那么，有源差分探头的输入电容为CIN=CX+CY1*CY2(CY1+CY2)。基于该公式可知，需要确定CX、CY1、CY2才能计算得到输入电容，而有源差分探头的输入电容在fF级别，所以不能使用万用表进行测量。

针对上述问题，申请人经过研究发现，可以使用矢量网络分析仪来测量被测端口的电容，然而，有源差分探头不能直接通过同轴线缆与矢量网络分析仪连接，必须经过测试治具，因此，申请人设计了一套开关组件作为测试治具，开关组件连接于矢量网络分析仪和有源差分探头之间，通过控制开关组件不同的开关状态，来测定在开关组件的每种开关状态下，开关组件和有源差分探头的总输入电容，然后将测定的电容值上传至处理器进行计算，以得到有源差分探头的输入电容。

请参考图3，本申请实施例提供了一种测量设备，测量设备100可以包括：开关组件101、测试装置102和处理器103，其中，测试装置102和开关组件101之间通过同轴线缆连接，测试装置102和处理器103之间通过通讯接口信号连接，此外，处理器103和开关组件101之间也可以通过通讯接口信号连接。在测量设备100中，开关组件101与有源差分探头102相连接。

开关组件101具有3种开关状态，在每种开关状态下，开关组件用于分别对有源差分探头的输入电容模型中的第一电容CX、第二电容CY1和第三电容CY2中的一个进行短路；其中，在每种开关状态下，开关组件101具有不同的寄生电容。需要说明的是，开关组件101的寄生电容为连接器、PCB线路和开关组件101中的开关的寄生电容总和。

在一些实施例中，开关组件101可以由继电器、射频开关等开关器件组成。

在一些实施例中，可在测量有源差分探头的输入电容之前，先通过测试装置102对各种开关状态下的寄生电容进行测量，并将测量到的寄生电容传输至处理器103，以进行后续计算。

测试装置102用于在开关组件101的每种开关状态下，测量开关组件101和有源差分探头的总输入电容。在本实施例中，开关组件101和有源差分探头200的总输入电容是指：从与测试装置102连接的同轴线缆向开关组件101侧看进去，开关组件101和有源差分探头200的输入电容模型对应的总输入电容。

在一些实施例中，测试装置102可以为能够测量微小电容的现有测试装置，例如，矢量网络分析仪，其中，矢量网络分析仪用于测量微小电容是其公知的现有功能，因此，此处不再赘述。

处理器103用于获取在开关组件101的每种开关状态下，测试装置102测量的总输入电容，根据每种开关状态对应的总输入电容和每种开关状态对应的寄生电容，计算有源差分探头200的输入电容。

在一些实施例中，可以在开始测量有源差分探头200之前，也就是未连接有源差分探头200之前，通过测试装置102测量开关组件101在每种开关状态下的寄生电容，并将测量的寄生电容传输至处理器103。在另一些实施例中，也可以先连接有源差分探头200，通过测试装置102测定开关组件101和有源差分探头200的总输入电容，并将测量的总输入电容传输至处理器103后，再将有源差分探头断开连接，通过测试装置102测量开关组件101在每种开关状态下的寄生电容，并将测量的寄生电容传输至处理器103。

处理器103在已知开关组件101的寄生电容和总输入电容的情况下，可以计算得到不同开关状态下有源差分探头的输入电容，从而，最终得到有源差分探头的输入电容。

在一些实施例中，开关组件101具有的3中开关状态分别为第一开关状态、第二开关状态、第三开关状态，第一开关状态用于短路第一电容CX，第二开关状态用于短路第三电容CY2，第三开关状态用于短路第二电容CY1。

基于上述3中开关状态，本实施例提供了如图4所示的开关组件101，开关组件101包括：第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4；第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4分别具有对应的第一端和第二端，在开关闭合时，对应的第一端和第二端相连接，在开关断开是，对应的第一端和第二端断开。

第一开关S1的第一端和第三开关S3的第一端用于连接测试装置的输入端，第一开关S1的第二端和第三开关S3的第二端连接至公共端T1；第二开关S2的第一端和第四开关S4的第一端连接参考地，第二开关S2的第二端和第四开关S4的第二端连接公共端T2；公共端T1用于连接有源差分探头的差分输入P端，公共端T2用于连接所述有源差分探头的差分输入N端。

基于上述开关组件101的结构，那么开关状态可以为如表1所示的三种开关状态。

表1

；

其中，C1、C2、C3分别为3种开关状态对应的开关组件101的寄生电容的测量值。

下面对上述三种开关状态进行详细说明。

（1）第一开关状态（表1中的状态序号1）。

如图5所示，第一开关S1和第三开关S3闭合，第二开关S2和第四开关S4断开，那么从同轴线缆侧看进去的电容模型如图6所示，由于第一电容CX被短路，那么，此时测试装置102测量到的总输入电容CA=C1+CY1+CY2。

（2）第二开关状态（表1中的状态序号2）。

如图7所示，第一开关S1和第四开关S4闭合，第二开关S2和第三开关S3断开，那么从同轴线缆侧看进去的电容模型如图8所示，由于第三电容CY2被短路，那么，此时测试装置102测量到的总输入电容CB=C2+CX+CY1。

（3）第三开关状态（表1中的状态序号3）。

如图9所示，第一开关S1和第四开关S4断开，第二开关S2和第三开关S3闭合，那么从同轴线缆侧看进去的电容模型如图10所示，由于第二电容CY1被短路，那么，此时测试装置102测量到的总输入电容CC=C3+CX+CY2。

根据上述测量得到的3种开关状态下的总输入电容CA、CB、CC，以及寄生电容C1、C2、C3，可以得到以下方程组：

CA-C1=CY1+CY2（1）

CB-C2=CY1+CX （2）

CC-C3=CX+CY2 （3）

其中，CA表示第一开关状态对应的所述测试装置测量的总输入电容，CB表示第二开关状态对应的所述测试装置测量的总输入电容，CC表示第三开关状态对应的所述测试装置测量的总输入电容，C1表示第一开关状态对应的寄生电容，C2表示第二开关状态对应的寄生电容，C3表示第三开关状态对应的寄生电容。

由于CA、CB、CC、C1、C2、C3为已经测量到的值，在方程组中为常数。那么CX、CY1、CY2可以表示为以下形式：

CX=(-(CA-C1)+(CB-C2)+(CC-C3))/2

CY1=(( CA-C1)+ (CB-C2)- (CC-C3))/2

CY2=(( CA-C1)- (CB-C2)+(CC-C3))/2

令(CA-C1)/2=A, (CB-C2)/2=B, (CC-C3)/2=C

则，有源差分探头的输入电容CIN为：

CIN=CX+CY1*CY2(CY1+CY2)=-0.5A+B+C-(B-C)

上述方程组的计算在处理器103中进行实现，处理器103可以为计算机等具有数据处理能力的装置。此外，在本实施例中，开关组件101中的各个开关还可以通过处理器103进行控制。

本申请实施例提供的测量设备，在开关组件的每种开关状态下，测量开关组件和有源差分探头的总输入电容，再根据每种开关状态对应的总输入电容和每种开关状态对应的寄生电容，计算有源差分探头的输入电容，整个过程基本无需人工参与，自动化完成，测量结果准确率高，并且可对不同的有源差分探头进行重复测量使用。

基于上述实施例提供的测量设备，请参考图11，本申请实施例还提供了一种测量方法，用于测量有源差分探头的输入电容，包括步骤201至步骤203，下面详细说明。

步骤201：采用测试装置102测量开关组件101在不同开关状态下的寄生电容（C1、C2、C3）；其中，开关组件101具有3种开关状态，在每种开关状态下，开关组件用于分别对有源差分探头的输入电容模型中的第一电容、第二电容和第三电容中的一个进行短路。需要说明的是，采用测试装置102测量开关组件101在不同开关状态下的寄生电容时，有源差分探头200不连接至测试设备100。

步骤202：将有源差分探头200连接至开关组件101，控制开关组件101切换至不同的开关状态，在每种开关状态下，采用测试装置102测量开关组件101和有源差分探头200的总输入电容。

步骤203：根据每种开关状态对应的总输入电容和每种开关状态对应的寄生电容，计算有源差分探头200的输入电容。

在一些实施例中，步骤202中，控制开关组件101切换至不同的开关状态，在每种开关状态下，采用测试装置102测量开关组件101和有源差分探头200的总输入电容包括：

步骤2021：控制第一开关S1和第三开关S3闭合，第二开关S2和第四开关S4断开，第一电容CX被短路，然后，通过测试装置102测量第一开关状态对应的总输入电容CA，CA=C1+CY1+CY2。

步骤2022：控制第一开关S1和第四开关S4闭合，第二开关S2和第三开关S3断开，第三电容CY2被短路，然后，通过测试装置102测量第一开关状态对应的总输入电容CB，CB=C2+CX+CY1。

步骤2023：控制第一开关S1和第四开关S4断开，第二开关S2和第三开关S3闭合，第二电容CY1被短路，然后，通过测试装置102测量第一开关状态对应的总输入电容CC，CC=C3+CX+CY2。

在一些实施例中，根据以下表达式计算有源差分探头的输入电容：

CIN= -0.5A+B+C-(B-C)

其中，CIN表示有源差分探头的输入电容；A= (CA-C1)/2,B= (CB-C2)/2,C= (CC-C3)/2, CA表示第一开关状态对应的所述测试装置测量的总输入电容，CB表示第二开关状态对应的所述测试装置测量的总输入电容，CC表示第三开关状态对应的所述测试装置测量的总输入电容，C1表示第一开关状态对应的寄生电容，C2表示第二开关状态对应的寄生电容，C3表示第三开关状态对应的寄生电容。

在对一个有源差分探头的输入电容进行测量时，在一些实施例中，本实施例提供的测量方法可以按照步骤201至步骤203顺序执行，也可以先执行步骤202和步骤203后，再执行步骤201，对此，本实施例不作限定。

在需要对多个有源差分探头的输入电容进行测量时，步骤201只需执行一次，更换有源差分探头后，无需重复执行步骤201，直接进行步骤202至步骤203即可。其中，步骤201可以在测量方法的最开始执行一次，也可以在测量方法的最后执行一次，还可以在测量方法的中间某个流程执行一次，在执行步骤201时将当前连接的有源差分探头断开连接即可。

需要说明的是，上述方法步骤的具体实施方式在上述实施例中已进行详细说明，此处不再重复说明。

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。