未知电子负载的估计的制作方法

优先权

本公开要求于2019年6月19日提交的题为“estimationofunknownelectronicload”的美国临时申请no.62/863,809的权益，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。

本公开涉及与测试和测量系统相关的系统和方法，并且特别是涉及对附接于smu的负载进行估计或标识的源测量单元（smu）。

背景技术：

smu的一个问题是smu内用以测量电流的电路可能会干扰和/或延迟向被测设备施加电压的尝试（dut）。类似地，当试图向dut施加电流时，dut可以干扰和/或延迟施加该电流的尝试。

一般来说，在smu中难以规划和产生最佳信号响应，因为dut是由smu的用户提供的，并且因此对于smu而言是未知的。dut可以表示几种不同设备中的一种，诸如各种大小的电阻器、二极管、晶体管、电容器等，其中的一些可以具有时变和电平变化的特性。在通用smu的示例中，通常几乎不知道什么设备可能最终会连接到smu。

一些常规的smu将做出关于设备的一个或多个假设，诸如指定最大负载电容，并且然后使用各种形式的补偿电路来创建环路响应，所述环路响应在许多情况下对于在所假设的（一个或多个）参数内的负载而言是稳定的。然而，补偿电路本身可以在smu中引入不期望的行为。

本公开的实施例解决了现有技术的这些和其它缺陷。

附图说明

从下面参照所附附图对实施例的描述中，本公开的实施例的各方面、特征和优点将变得显而易见，其中：

图1是具有补偿电路的常规测试和测量仪器的示例电路；

图2是根据本公开的一些实施例的用于估计负载的测试和测量仪器的示例电路图；

图3是图示根据本公开的一些实施例的用于估计测试和测量仪器所附接的负载的示例操作的流程图；

图4是根据本公开的一些实施例的用于估计负载的测试和测量仪器的另一示例电路图；

图5是图示根据本公开实施例的smu负载估计的示例响应的一组曲线图。

具体实施方式

传统上，当设计smu时，关于负载或所附接的dut的某些参数做出假设，诸如指定最大容性或感性负载。图1图示了使用这些假设来设计的常规smu电路的示例，包括用于创建环路响应的补偿电路，所述环路响应对于在假设参数内的大多数不同类型的所附接的负载或dut而言是稳定的。

在一些实施例中，图1包括作为运算放大器u1102的输入的源v1100。运算放大器u1102还接收跨dut114的电压104，标记为vm。感测电阻器106rm用于测量通过dut114的电流。由运算放大器102输出标记为vo的电压108。补偿电路由分别标记为cc和cmin的电容器110和112表示。

然而，补偿电路可能在smu中引入不期望的行为。例如，电容器112可能导致低电流、低电容连接的dut的缓慢安定性能。电容器110可能导致电流测量的带宽有限，并且还可能引起电流过冲，电流过冲需要使用电容器112来补偿。进一步地，当跨感测电阻器106的电压与可施加到dut114的各种负载电压范围相比发生改变时，必须改变电容器110和112这两者的电容值以保持适当的比率。如果电容器110和112的电容值没有改变，那么对于电压和电流范围的某些组合，测试和测量仪器的性能将降低。

已经开发了一些方法来试图允许smu的手动调谐，以计及dut114的实际负载。这些方法允许或要求手动调谐前向积分器增益带宽和反馈补偿零极点对，以调谐输出响应。这要求用户花费大量时间来表征dut114、配置设置，并且然后要求改变不同dut的配置或者接受稍微不同的dut的非最佳配置。

使smu性能最大化的其它方法包括生成测试激励信号并将测试激励信号发送到dut114，以测量dut114的响应并开发dut114的模型。然而，如果dut114没有被设计成接收这样的测试信号，则这些测试激励信号可能会损坏dut114。所选取的测试激励信号也可能不会在最终将在测量期间被测试的相同范围内准确地激励dut114，这可能降低所创建的模型的精度。

如将在下面更详细讨论的，本公开的实施例采用用户指定的测试信号，并且可以在用户测试序列运行时在后台运行，以估计附接于测试和测量仪器的dut的负载。也就是说，本公开的实施例允许测试和测量仪器检测所连接的dut的特性，并修改测试和测量仪器的行为以驱动所连接的dut。图2图示了根据本公开的实施例的这种系统的示例电路图。

图2图示了根据本公开实施例的连接到dut200的smu的简化示例。可调电压源202向运算放大器204的输入端提供电压v1。由电流传感器206（rm）提供的反馈回路使运算放大器204的另一个输入端也达到电压v1的值。图2图示了作为感测电阻器的电流传感器206。然而，电流传感器206可以包括能够测量电流的任何器件，诸如但不限于霍尔效应传感器、对数元件等。注意，反馈回路也是通过dut200的电流的源。作为结果，跨电流传感器206的电压降与通过dut200的电流成比例。

尽管未示出，但是在一些实施例中，运算放大器204被省略，并且在电流传感器206处直接接收来自电压源的电压v1。

控制和测量单元208可以包括一个或多个处理器209，其可以指示可调电压源202输出期望值v1。控制和测量单元208还包括对电压vm210的值和通过dut200的电流进行测量的能力，这可以包括数字化测量值。如本领域技术人员应当理解的，图2中所图示的电路图是简化的电路图，并且测试和测量仪器可以包含附加的组件，诸如显示器212、存储器214和用户输入216。存储器214还可以存储用于由控制和测量单元208中的一个或多个处理器执行的指令，以诸如执行由这些指令指示的任何方法、操作和/或相关联的步骤。例如，存储器214可以包括用于如下的指令：编写协议和调试协议，包括针对已知模拟信号可视地显示协议定义的结果。如本领域普通技术人员应当理解的，存储器214可以包括一个或多个存储器，诸如但不限于处理器高速缓存、随机存取存储器（ram）、只读存储器（只读存储器）、固态存储器、（一个或多个）硬盘驱动器或任何其它存储器类型。

用户输入216耦合到控制和测量单元208。用户输入216可以包括键盘、鼠标、轨迹球、触摸屏和/或用户可用来与显示器212上的图形用户界面（gui）交互的任何其它控件。显示器212可以是数字屏幕、基于阴极射线管的显示器或用以向用户显示波形、测量值和其它数据的任何其它监视器。附加地，如本领域技术人员所理解的，还可以存在附加的组件，诸如一个或多个模数转换器。

dut200在控制和测量单元208中内在地表示为与电容器220并联的电阻器218。然而，如本领域普通技术人员应当理解的，实际附接的dut可以具有许多不同的电气组件。然而，控制和测量单元208将dut200建模为与电容器220并联的电阻器218，以估计dut200的负载，在图2中这样图示。

将dut200表示为并联的电阻器218和电容器220的假设表示对所遇到的大多数典型dut的小信号线性化。使用smu和所附接的dut200的该简化模型，可以确定动态方程（1），其提供具有两个未知分量rl和cl的一个方程，其中rl是电阻器218的电阻并且cl是电容器220的电容：

（1）。

电压vo222表示运算放大器204施加到电流传感器206上的电压。如上面所提到的，电压vm210表示电流传感器206和dut200之间的电路节点处的电压，而电阻器218的电阻rl和电容器220的电容cl通常是未知的。

如本领域普通技术人员所理解的，使用等式（1），可以确定误差函数。然后，该误差函数可以用于发展最小二乘估计，该最小二乘估计使rl和cl的估计与它们的真实值的偏差最小化。

应用最小二乘法得到两个正规方程，当rl和cl的估计收敛到它们的实际值时，这两个正规方程应该等于零。所述正规方程如下：

（2）；和

（3）。

理论上，知道在两个离散且已知的采样时间处的rm、vm和vc的值将允许计算rl和cl的唯一值。然而，在实际操作中，由于可能导致较差估计的噪声和其它干扰的存在，以及期望避免在每一步骤或递归中耗时的多次迭代，所以当用户测试序列正在运行时，本公开的实施例在后台中逐渐朝向估计的真实值步进。

可以在每个采样点运行一次计算或确定，并且通过在每个采样点上连续或重复迭代一次，可以作出对rl和cl的估计，该估计最终收敛于实际值。

图3图示了根据本公开实施例的用于在不具有对dut200的负载的任何先验知识的情况下，估计所连接的dut200或负载的示例操作的流程图。

最初，在操作300中，为rl和cl选择任意起始值。由于理想情况下这些值应当接近预期值，所以在一些实施例中，初始的任意起始值可以由用户使用测试和测量仪器的用户输入216来选择。然而，如果不提供用户选择，则控制和测量单元208可以任意选择大的rl以及小的cl，这近似于其中测试和测量输出没有连接到任何设备的状况。所述任意值仅使用一次，并且在所图示方法的每次迭代中更新rl和cl的值。

在操作302中，同时获取电压vo222和电压vm210的值。在一些实施例中，控制和测量单元208可以知道电压vo222的输出，并且不需要对其进行测量。电压vm210可以通过使用旨在测量跨dut200的电压的模数转换器（未示出）来测量。在操作302中，电压vo222和电压vm210的值优选地应当在时间上对准，因为顺序采样会导致不正确或差的结果。

在操作304中，计算。这可以使用等式（4）来完成，其中等于电压vm210的采样之间的时间：

（4）。

在操作306中，使用所计算的的值、rl和cl的最新值以及电流传感器206的已知值rm来确定上面讨论的正规方程（2）和（3）的值。在一些实施例中，rm的值是标称值或校准值，其取决于当前范围和所使用的特定测试和测量仪器。然而，该值在每个实施例中都是已知的。在其中电流传感器206不是电阻器的情况下，所测量的电流值可以代数地代入正规方程中来替代，表示所测量的电流值。

控制和测量单元208基于正规方程（2）和（3）中的每个的结果是正的还是负的来确定下一个操作。在操作308中，控制和测量单元208确定电容方程的结果是正的还是负的。在操作310中，如果电容方程的结果是负的，则cl的当前值在负方向上步进。在操作312中，如果电容方程的结果是正的，则cl的当前值在正方向上步进。

例如，如果正规方程（2）等于+10000，则cl的值在正方向上步进，例如，从101皮法（pf）到102pf。然而，如果正规方程（2）是负的，则cl的值在负方向上步进，例如，从101pf到100pf。

类似地，在操作314中，控制和测量单元208确定电阻方程的结果是正的还是负的。在操作316中，如果电阻方程的结果是负的，则rl的当前值在负方向上步进。在操作318中，如果电阻方程的结果是正的，则rl的当前值在正方向上步进。

要使用的步长是在快速确定所附接的dut200的负载与可能由于噪声或未建模的干扰而出现的误差之间的平衡。在一些实施例中，步长可以是参数rl和cl的当前估计值的函数。例如，如果rl的当前值是大的值，则可以使用更大的步长。当rl变得更小时，可以使用更小的步长。这可以允许在宽的动态范围上具有相似的相对精度的快速收敛。在其它实施例中，不管参数rl和cl的值如何，都使用预定的步进增量。预定的步进增量可以由控制和测量单元208自动设置，或者可以由用户在用户输入216中设置。

一旦调整了rl和cl的值，控制和测量单元208就返回到操作302，并利用rl和cl的新值继续进行。如果在输出端222处存在足够的激励信号，则rl和cl的估计值应当开始向负载所表示的小信号电阻和电容的实际值收敛。如果两个参数rl和cl的假设值和/或估计值与实际值相差甚远，则一个值可能会暂时发散，直到另一个值接近正确值。继续操作应当导致两个估计值的收敛。

在一些实施例中，可以为rl和cl的估计值设置上限和下限。例如，可能存在一些值，对于这些值，rl和cl的进一步改变不会造成系统动态的显著改变。还可能存在这样的界限，在所述界限内，受这些值影响的时间常数比系统动态更慢得多或者比采样周期更快得多，以至于对这些值的进一步改变实际上分别是“恒定的”或“瞬时的”。如果负载特性改变，则将rl和cl的估计限制在有限范围内可以是有助于确保快速响应的，并且也有助于防止与数学特性相关的任何问题，诸如量化误差或除以零。

上限和下限可以由用户设置。例如，如果用户意识到只有在特定范围的电容和/或电阻之间的设备正在被测试，则用户可以基于该信息设置上限和下限。例如，在其它实施例中，控制和测量单元208可以基于诸如采样率的其它因素来设置界限。

输入信号vo、vm的绝对或相对幅度和所得到的可以在信号相对稳定或安定时被测试并用于调整rl的步长，并且用于在信号转换或移动时调整cl的步长。实际上，一旦输出信号完全安定，就变得难以或不可能确定位于dut中的电容。系统中的某种程度的噪声可能有助于指示这一点，但是一旦系统安定下来，就需要一定的移动阈值来避免所估计的电容值向零移动。类似地，需要一定的输出偏置电压阈值以精确估计dut电阻值。这些测试可以有助于确保当dut没有足够的激励信号时，负载的估计值保持稳定，并且不会开始发散。

如上面所提到的，本公开的实施例不需要dut200特性的任何先验知识，并且可以发展表示所附接的dut200的线性小信号模型的估计。进一步地，没有应用用以确定dut200特性所需的任何特定表征信号。相反，只使用用户指定的测试信号作为对所附接的dut200的激励，这可以防止对dut200的损坏，因为用户指定的测试信号被确保在由用户设置的将不会损坏dut200的范围内。

本公开的实施例可以在用户测试序列运行时在后台运行，或者可以在执行所附接的dut200的测试和测量之前作为校准而发生。这允许根据所附接的dut200来优化性能，而不是在大量设备上应用单一的“典型”表征和补偿特性，这可能具有造成性能降低的变化。一旦测试和测量仪器知道负载特性，就可以使用负载特性来改进驱动负载的测试和测量仪器的性能和行为。

然而，本公开的实施例不限于可以由并联的电阻器和电容器表示的dut。在一些实施例中，dut可以由串联的电阻器和电容器表示。在其它实施例中，感性dut可以由串联的电阻器和电感器或者并联的电阻器和电感器来表示。

图4图示了模拟dut400的电路，dut400具有与电阻器404串联的电感器402。图4的许多组件与图2中图示并且在上面讨论的组件相同。照此，这些组件被给予相同的参考标号，并且不再参照图4进一步详细讨论。同样类似于图2，在一些实施例中，可以移除运算放大器204，并且电流传感器206尽管在图4中被描绘为传感器电阻器，但是可以是能够测量电流的任何设备。

由电流传感器206感测的电流是irm。在图4中，vm等于：

（5）。

使用等式5并且应用与上面针对等式1所讨论的相同的处理，针对电感器和电阻器串联的dut的正规等式是：

（6）；和

（7）。

对于电阻电流传感器206的情况，下面的等式（8）可以用于等式（5）、（6）或（7）中的任何一个：

（8）。

类似于上面讨论的实施例，正规方程（6）和（7）是正的还是负的将使电感和电阻步进的方向发生变化，如图3中讨论的。也就是说，无论负载被建模为并联或串联的电容器和电阻，还是并联或串联的电感和电阻，控制和测量单元208都可以为负载选择任意的起始值，并且然后基于电流传感器206和所测量的电压，控制和测量单元208可以基于正规方程是正的还是负的，来使负载朝向实际负载值步进。

图5图示了使用本公开的实施例的可能的示例性能改进。图5图示了在dut上的初始脉冲阶跃中存在振荡和/或过冲，随着对容性负载和阻性负载的估计朝向它们的实际值收敛，这种振荡和/或过冲被减小或消除。

图500图示了测试和测量仪器随时间的经过的设定输出电压502和实际输出电压505。如可以看到的，在初始脉冲中，实际输出电压505存在过冲和振荡，但是随着图520中的估计电容522随着时间的经过接近实际电容525，并且图530中的估计电阻532接近实际电阻535，实际输出电压505接近设定输出电压502，具有非常小的过冲和振荡。

对于测试和测量仪器输出的电流，发生同样的情况，如图510中所图示的那样。随着估计负载值随着时间的经过向实际负载值收敛，实际输出电流512中的振荡和过冲在电流限制514和516之间趋于安定。

本公开的各方面可以在特别创建的硬件、固件、数字信号处理器上操作，或者在包括根据编程指令操作的处理器的特别编程的计算机上操作。这里使用的术语“控制器”或“处理器”旨在包括微处理器、微型计算机、专用集成电路（asic）和专用硬件控制器。本公开的一个或多个方面可以体现在计算机可用数据和计算机可执行指令中，诸如体现在由一个或多个计算机（包括监控模块）或其它设备执行的一个或多个程序模块中。通常，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，它们在由计算机或其它设备中的处理器执行时执行特定的任务或实现特定的抽象数据类型。计算机可执行指令可以存储在计算机可读存储介质上，计算机可读存储介质诸如硬盘、光盘、可移动存储介质、固态存储器、随机存取存储器（ram）等。如本领域技术人员应当理解的，程序模块的功能可以根据期望在各个方面进行组合或分布。此外，所述功能可以全部或部分体现在诸如集成电路和fpga等的固件或硬件等价物中。特定的数据结构可以用于更有效地实现本公开的一个或多个方面，并且这样的数据结构被设想在本文中描述的计算机可执行指令和计算机可用数据的范围内。

在某些情况下，所公开的方面可以以硬件、固件、软件或它们的任意组合来实现。所公开的方面还可以被实现为由一个或多个计算机可读存储介质携带或在其上存储的指令，所述指令可以被一个或多个处理器读取和执行。这样的指令可以被称为计算机程序产品。如本文中所讨论的，计算机可读介质是指可以由计算设备访问的任何介质。作为示例而非限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。

计算机存储介质是指可以用于存储计算机可读信息的任何介质。作为示例而非限制，计算机存储介质可以包括ram、rom、电可擦除可编程只读存储器（eeprom）、闪速存储器或其它存储器技术、压缩盘只读存储器（cd-rom）、数字视频光盘（dvd）或其它光盘存储装置、盒式磁带、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，以及以任何技术实现的任何其它易失性或非易失性、可移动或不可移动介质。计算机存储介质不包括信号本身和信号传输的暂时形式。

通信介质是指可以用于计算机可读信息的通信的任何介质。作为示例而非限制，通信介质可以包括同轴线缆、光纤线缆、空气或适合于电、光、射频（rf）、红外、声学或其它类型信号通信的任何其它介质。

示例

下面提供了本文中公开的技术的说明性示例。所述技术的实施例可以包括以下描述的示例中的任何一个或多个以及所述示例的任何组合。

示例1，一种测试和测量仪器，包括：电压源，被配置为输出源电压；电流传感器，被配置为感测通过所连接的被测设备的电流；以及一个或多个处理器，被配置为基于源电压、电流和所连接的未知被测设备的电压来确定对所连接的未知被测设备的负载的估计。

示例2是示例1的测试和测量仪器，其中所述一个或多个处理器进一步被配置为迭代地确定对负载的估计。

示例3是示例2的测试和测量仪器，其中对负载的估计包括对电阻和电容的估计或者对电阻和电感的估计。

示例4示例3的测试和测量仪器，其中所述一个或多个处理器进一步被配置为基于正规电阻方程的输出是正的还是负的来迭代地调整电阻的值，并且基于正规电容或电感方程的输出是正的还是负的来调整电容或电感的值。

示例5是示例4的测试和测量仪器，其中当正规电阻方程的输出是正的时，电阻的值被向上调整，并且其中当正规电容或电感方程的输出是正的时，电容或电感的值被向上调整。

示例6是示例5的测试和测量仪器，其中电阻的值的调整量基于电阻的当前估计值，并且其中电容或电感的值的调整量基于电容或电感的当前估计值。

示例7是示例5的测试和测量仪器，其中电阻的值的调整量是预定的增量值，并且其中电容或电感的值的调整量是预定的增量值。

示例8是示例2-7中任一项的测试和测量仪器，其中所述一个或多个处理器进一步被配置为通过为负载选择任意起始值来迭代地确定对负载的估计；同时地确定源电压和所连接的被测设备的电压；基于源电压、所连接的被测设备的电压和负载的任意起始值，确定是在正方向还是负方向上调整负载的电阻的估计值，以及是在正方向还是负方向上调整负载的电容或电感的估计值；以及正向或负向地调整电阻和电容或电感的任意起始值，使得经调整的值表示对负载的估计。

示例9是示例8的测试和测量仪器，其中所述一个或多个处理器进一步被配置为：通过同时确定来自电压源的另一输出电压和所附接的被测设备的电压来迭代地确定对负载的估计；基于输出电压、所附接的被测设备的电压以及负载的调整值，确定是在正方向还是负方向上调整电阻的估计值，以及是在正方向还是负方向上调整电容或电感的估计值；以及正向或负向地调整电阻和电容或电感的估计值，使得经调整的估计值表示对负载的精确估计。

示例10是示例8的测试和测量仪器，其中所述一个或多个处理器进一步被配置为基于上限和下限来限制电阻的调整值，并基于上限和下限来限制电容或电感的调整值。

示例11是示例10的测试和测量仪器，其中电阻和电容或电感的值的上限和下限由用户设置。

实施例12是实施例7-11中任一项的测试和测量仪器，其中所述任意起始值被选择为近似于其中未附接被测设备的状况。

示例13是用于估计耦合到测试和测量仪器的未知负载的方法，包括：获取电流传感器和被测设备之间的电路节点处的电压，其中被测设备向测试和测量仪器呈现未知负载；确定施加在电流传感器上的输出电压；使用电流传感器确定通过被测设备的电流；以及基于电路节点处的电压、电流和输出电压来确定负载的估计值。

示例14是示例13的方法，进一步包括迭代地确定负载的新估计值，所述负载包括电阻和电容或者电阻和电感。

示例15是示例14的方法，其中确定所附接的被测设备的电阻和电容或电感的新估计值包括选择电阻和电容或电感的任意起始值；同时地确定输出电压和电路节点处的电压；基于输出电压、电路节点处的电压以及电阻和电容或电感的任意起始值，确定是在正方向还是负方向上调整电阻的值，以及是在正方向还是负方向上调整电容或电感的值；以及通过正向或负向地调整任意起始值来创建电阻和电容或电感的新估计值。

示例16是示例15的方法，其中确定所附接的被测设备的电阻和电容的估计进一步包括同时地确定另一输出电压和电路节点处的电压；基于输出电压、电路节点处的电压以及电阻和电容或电感的新估计值，确定是在正方向还是负方向上调整电阻的值，以及是在正方向还是负方向上调整电容或电感的值；以及正向或负向地调整电阻和电容或电感的新估计值。

示例17是示例14-16中任一个的方法，其中基于上限和下限来限制电阻的新估计值，并且基于上限和下限来限制电容或电感的新估计值。

示例18是示例17的方法，其中电阻和电容或电感的值的上限和下限由用户设置。

实施例19是实施例14-18中任一项的方法，其中任意起始值被选择为近似于其中未附接被测设备时的状况。

示例20是示例14-19中任一个的方法，其中确定电阻和电容或电感的估计包括基于正规电阻方程的输出是正的还是负的来调整估计电阻值，以及基于正规电容或电感方程的输出是正的还是负的来调整估计电容或电感的值。

所公开主题的先前描述的版本具有许多优点，所述优点已经被描述或者对于普通技术人员来说是显而易见的。即使如此，并非在所公开的装置、系统或方法的所有版本中都要求这些优点或特征。

附加地，该书面描述提到了特定的特征。应当理解，本说明书中的公开内容包括那些特定特征的所有可能组合。当在特定方面或示例的上下文中公开特定特征时，该特征也可以在尽可能的程度上在其它方面和示例的上下文中使用。

此外，当在本申请中引用具有两个或更多个所定义的步骤或操作的方法时，所定义的步骤或操作可以以任何顺序或同时执行，除非上下文排除了那些可能性。

尽管出于说明的目的已经说明和描述了本发明的具体示例，但是应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，除了所附权利要求之外，本发明不应受到限制。