CC BY
196Сверхскоростная осциллография
вчера, сегодня и завтра
Владимир ДьЯконоВ, д. т. н., профессор
Статья представляет собой обзор осциллографов, начиная с первых осциллоскопов Фердинанда Брауна (1897 г.) на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) [1] и заканчивая современными моделями приборов ведущих компаний мира.
Введение
Одним из первых промышленных электронных осциллографов был прибор 224-A фирмы Dumond (США) на ЭЛТ с электростатическим отклонением и с ламповым усилителем с полосой исследуемых частот от 20 Гц до 2 МГц. Он легко преодолел частотный барьер в 1 МГц. В годы Второй мировой войны это был прорыв в области анализа высокочастотных сигналов. В нашем веке к сверхскоростным осциллографам, пожалуй, стоит относить приборы с временем нарастания переходной характеристики менее 1 нс и полосой усиливаемых частот выше 300 МГц.
Осциллограф 224-A был выпущен в 1943 г. и стоил $150. Ныне этот прибор можно приобрести почти как антиквариат за $2740 [2]. Заметно позже (в 1956 г.) компания Tektronix выпустила осциллограф с ламповым усилителем с распределенным усилением с полосой от 0 до 24 МГц стоимостью $1725 (в наше время — $17 780) [2]. Эта фирма впервые применила двойную развертку для создания «лупы времени».
В 1960-е и 1970-е годы осциллография перешла на транзисторную и микроэлектронную элементную базу. Появились первые транзисторные осциллографы с полосой частот в сотни МГц [3]. Получили быстрое развитие стробоскопические осциллографы, уверенно преодолевшие частотный барьер
Таблица. Типичные времена нарастания и полосы частот осциллографов, необходимые для исследования устройств на интегральных микросхемах
Тип интегральной микросхемы Типичное время нарастания Типичная полоса частот осциллографа
TTL 2 нс 175 МГц
CMOS 1,5 нс 230 МГц
GTL 1 нс 350 МГц
LVDS 400 пс 850 МГц
ECL 100 пс 3,5 ГГц
GaAs 40 пс 8,75 ГГц
Si-Ge гетеропереходные менее 1 пс более 350 ГГц
в 1 ГГц [5-7]. Затем (конец 1980 х — начало 1990 х) появились (и в наше время интенсивно развиваются) цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО), в том числе с полосой частот до 20 ГГц и выше [9-12]. В 2005 г. стробоскопические осциллографы достигли предела в 100 ГГц. Стоимость лучших из таких приборов с опциями в наши дни достигает $200 000.
Типы сверхскоростных осциллографов
В настоящее время сверхскоростные осциллографы можно разделить на пять типов:
• аналоговые осциллографы с подачей сигнала прямо на систему вертикального отклонения луча ЭЛТ;
• осциллографы на основе широкополосной ЭЛТ с усилителями сигналов;
• цифровые запоминающие осциллографы реального времени;
• стробоскопические осциллографы;
• оптикоэлектронные осциллографы с лазерным сканированием.
В таблице приведены данные о полупроводниковых приборах, для исследования которых необходимы сверхскоростные осциллографы.
обычные осциллографические электронно-лучевые трубки (ЭЛТ)
Аналоговые осциллографы строились на основе ЭЛТ с электростатическим отклонением электронного луча — рис. 1 [1-4]. Для получения временной зависимости сигнала канала Y в канал X подается пилообразное напряжение от генератора развертки. Есть и канал Z управления яркостью луча.
Важнейшим параметром ЭЛТ является чувствительность по отклонению по вертикали — в вольтах на 1 мм (или см). При этом нужно, чтобы электронный луч при отклонении не попадал на пластину, к которой он приближается, иначе луч поглотится ею и не попадет на покрытый люминофором экран. Поэтому предельный угол отклонения луча в ЭЛТ обычно не превышает 15°, и осциллографическая ЭЛТ, с размером экрана 10 см по диагонали и выше, оказывается довольно громоздкой и имеет длину до полуметра. К тому же она требует питания от высоковольтных источников.
Фундаментальные ограничения ЭЛТ в регистрации быстрых процессов
Вертикальную составляющую скорости, с которой луч чертит изображение синусоиды
с амплитудой А и частотой f на экране ЭЛТ, можно вычислить как:
V = —
= 2 Anf.
(1)
Тогда максимальная графическая скорость, с учетом скорости движения луча при горизонтальной развертке vz, будет равна:
.-V
v2+v2 .
Y г 1 т у шах
(2)
(3)
u(t)=E 1-е~м а sin(8í)+cos(8í)
_ Ä _
R = -42ЫС.
(5)
Если воспользоваться известным значением резонансной частоты контура:
/о =
2 п-sJlC
(6)
то можно выразить значение R через резонансную частоту контура, определяющую предельную частоту тракта отклоняющей системы:
R =
1
0,22
/0сТ2л /0С'
В общем случае регистрации графическая скорость равна:
t = 3nRC/4 = 2,2RC.
где а — чувствительность трубки по вертикальному отклонению (в см/В).
Максимальная графическая скорость при регистрации видеоимпульса имеет место на его фронтах, где максимальна скорость изменения сигнала. Расчеты показывают, что при размере осциллограммы по вертикали около 1 см и минимально возможной яркости следа от луча максимальные частоты регистрации синусоидального сигнала составляют около 3 ГГц.
На деле частотные ограничения наступают намного раньше из-за емкости пластин С (единицы-десятки пФ) и индуктивности подводящих проводов L (десятки нГ), образующих колебательный контур (рис. 2).
Если на вход такого контура подать идеальный перепад напряжения с уровнем Е, то временная зависимость напряжения на С будет иметь вид:
(4)
где а = и 8 = (1/LC-RЩL2У/2.
Расчеты показывают, что эта зависимость может иметь значительный выброс при малых к. При а/8 = 1 этот выброс составляет не более 4% от амплитуды перепада, что является вполне удовлетворительным показателем. Для этого величину к нужно выбирать согласно формуле:
Рис. 3. Широкополосная отклоняющая система в виде линии передачи
Здесь L1 и С — значения индуктивности и емкости одной секции для линий с сосредоточенными параметрами или погонные (на единицу длины) — для линии с распределенной постоянной. Обычно волновое сопротивление выбирается из диапазона от 50 до 500 Ом. Уменьшение его расширяет полосу частот отклонения, но затрудняет получение нужного уровня выходных напряжений усилителей. Задержка сигнала во времени у таких линий равна:
Нетрудно доказать, что время достижения напряжением и(^) значения Е составит:
¿з «vzä.
(9)
(7)
Данное значение обычно и принимают за время установления отклоняющей системы с оптимальной (Гауссовой) АЧХ.
Эти расчеты (справедливые также для канала X) и учет конечной скорости движения электронов в пучке показывают, что у обычной ЭЛТ максимальная частота регистрируемых сигналов в канале Y не превышает 300 МГц, а время установления ограничено величиной не менее 1 нс. Таким образом, обычные ЭЛТ просто непригодны для сверхскоростных осциллографов.
осциллографические трубки специального назначения
Существенное повышение полосы частот осциллографических трубок было достигнуто при разработке широкополосных отклоняющих систем в виде линий передачи с бегущей волной (рис. 3). Слева показаны входы системы, справа — выходы, подключаемые к согласующим резисторам. Разделение емкости пластин и индуктивностей проводов повышает граничную частоту отклоняющей системы. Были созданы особо широкополосные отклоняющие системы на основе распределенных коаксиальных линий передачи.
В таких ЭЛТ нужно обеспечить согласование линий на входе и на выходе. Для этого сопротивления источника сигналов и нагрузки (включаемой на конце линии) выбираются равными волновому сопротивлению линий:
(8)
В СССР выпускались трубки 10ЛО101М и 13ЛО101М с отклоняющими системами в виде линий передачи, дожившие до наших дней. Они позволяли наблюдать сигналы с частотами до 1 ГГц. Трубки 13ЛО102М с отклоняющей системой на основе распределенных линий передачи обеспечивали возможность просмотра процессов с частотами до 3 ГГц.
Дальнейшее усовершенствование ЭЛТ привело к созданию трубок с последующим ускорением луча после прохождения отклоняющих систем, например, с помощью рассеивающей сетки, установленной на пути выхода электронного пучка из отклоняющей системы [1-4]. Это позволило довести чувствительность ЭЛТ до 3-5 В/см. Благодаря этому стало возможным применение широкополосных транзисторных усилителей. Осциллографы на ЭЛТ с рассеивающей сеткой выпускались фирмами CRT (Франция) и Tektronix (США). Минус этой конструкции ЭЛТ — ухудшение фокусировки.
Сверхскоростные осциллографы без усилителей
В СССР в 1960-70-е годы были созданы уникальные высокочувствительные ЭЛТ с послеотклонением луча, фокусируемого с помощью триплета квадрупольных линз [4]. Такая серийная трубка 10ЛО102М была применена в советском осциллографе С7-10А (С1-61) без усилителя с полосой частот 0-1,5 ГГц и чувствительностью по вертикали 1 или 0,5 В/см. Максимальная скорость развертки составляла 2,5 нс/см. Прибор имел большие габариты (345x490x880 мм) и массу 70 кг (!). Потребляемая мощность — 700 ВА. Он широко применялся в исследованиях в области ядерной и СВЧ-техники.
Затем была создана ЭЛТ 10Л0105А с полосой частот усиливаемых сигналов уже до 5 ГГц. Она стала основой нашего «последнего из могикан» — осциллографа С7-19 с подачей исследуемых сигналов прямо на отклоняющую систему ЭЛТ и с чувствительностью 1,7 В/см. Скорость фотозаписи у прибора близка к скорости света и достигала 250 000 км/c. Прибор обеспечивал время нарастания переходной характеристики 70 пс при входном сопротивлении 50 Ом. Он имел
регулируемую задержку ±2 нс и задержку запуска развертки 40 нс. Рабочая часть экрана — 4x6 дел (1 дел — 10 мм). Потребляемая мощность — 170 ВА, масса прибора — 30 кг, габариты 488x214x655 мм. Разработка прибора была большим достижением.
Спецификой применения таких приборов была необходимость подачи сигнала на вход через линию задержки — обычно в виде бухты коаксиального кабеля. Иначе из-за задержки запуска развертки фронт импульсов не будет виден на экране. Единственной возможностью запоминания осциллограмм является их фотографирование с помощью специальных фотоприставок.
Переход к осциллографам с транзисторными усилителями
В 60-х годах XX века окончательно сформировался переход элементной базы большинства осциллографов на транзисторы вместо ламп. Это было время бурного расцвета отечественной микроэлектроники, работающей на оборонные заказы и фундаментальные исследования. Для развития науки и техники тех лет требовались крупные и обширные научные разработки. Осциллографы стали одними из первых инструментов, которые были широко востребованы для промышленности и науки.
Были созданы осциллографы на специальных запоминающих ЭЛТ. Но они оказались чрезмерно сложными и дорогими. Номенклатура приборов была узкой и широкого применения запоминающие осциллографы так и не нашли. Их сменили цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО).
Требования к транзисторным усилителям осциллографа
В осциллографах применяются усилители постоянного напряжения (тока) без спада усиления в области низких частот. Для количественной оценки частотных искажений вводится понятие граничной частоты. Это частота, при которой модуль коэффициента усиления К(ю) уменьшается до значения К0/^2 я 0,7К0, где К0 — коэффициент усиления на нулевой частоте.
Для обычного одиночного резисторного каскада с интегрирующей кС-цепью на выходе время нарастания и спада импульсов tф = 2,2кС. В то же время граничная частота ^ = 1/2пкС Отсюда можно найти:
Іф —
2,2 0,35
2я/в /в
фии и служит основой для определения времени нарастания и спада переходной характеристики осциллографа в области малых времен в целом, на уровнях отсчета 0,1 и 0,9. Видимое на экране осциллографа время нарастания перепада с длительностью % определяется как:
*0 = 'Я
+ti
Принципы построения генераторов развертки
Генератор развертки аналогового осциллографа служит для выработки линейно-изме-няющегося напряжения развертки, которое преобразуется усилителем канала X и используется для перемещения луча по горизонтали. Коэффициент нелинейности пилообразной части напряжения развертки
_ (du/dt)m„x-(du/dt)mm 100% (du/dt) min
обычно имеет значение Кн<(5-10)% и определяет погрешность оценки временных параметров. Развертка бывает трех типов: автоколебательная; ждущая (иногда неточно именуемая однократной); универсальная. Иногда применяется «лупа времени» или двойная развертка: генератор быстрой развертки запускается с заданного места основной медленной развертки. На основной развертке просматривается весь сигнал, на быстрой — его часть.
Вне зависимости от типа развертки принцип создания линейно-изменяющегося напряжения базируется на заряде линейного конденсатора C от источника тока:
1 ^
«c(0 = «c(0)+^Ji(0*-
о
Если положить iC(t) = I = const, то получим:
. . ,.ч Ixt
«с(0 = ис(0)+—.
(12)
(10)
Эта простая формула довольно точно описывает соотношение между временем нарастания переходной характеристики и верхней граничной частотой АЧХ многокаскадного усилителя. В связи с этим формула (10) является одной из важнейших в осциллогра-
Отсюда видно, что напряжение на конденсаторе меняется с начального уровня иС(0) = и0 по линейному закону. Крутизна изменения напряжения равна 1/С. Она может меняться в широких пределах — обычно дискретно при изменении емкости конденсатора С и плавно при изменении тока I.
Скоростные транзисторные аналоговые осциллографы
В наследство от советских времен, когда приборы для измерения высокоскоростных процессов ценились и выпускались промышленностью, нам достался ряд широкополосных аналоговых осциллографов с транзисторными усилителями [1, 3, 4, 7]. Их складские запасы реализуются до сих пор.
Одноканальный 350-МГц осциллограф С1-108 (рис. 4) стал первым отечественным осциллографом с усилителем, у которого время нарастания переходной характеристики достигло 1 нс. Прибор обеспечивал автоматизацию измерений (метки, электронная шкала). Характеристики С1-108: входное сопротивление — 50 Ом (с активным пробником 100 кОм), экран 80x100 мм, размеры 200x280x480 мм, масса — 17 кг. Оформление прибора — вертикальное и вполне стандартное.
Еще один скоростной двухканальный осциллограф — С1-97 — также имел полосу частот 0-350 МГц и время нарастания переходной характеристики 1 нс. Коэффициент отклонения по вертикали 5 мВ/см - 0,5 В/см. Диапазон развертки по горизонтали: 1 нс/дел - 0,1 с/дел (с 10-кратной растяжкой). Погрешность измерения основная: ±4%. Каналы вертикального отклонения имеют входное сопротивление 50 Ом, 100 кОм с 4 пФ (активный пробник), 1 МОм с 2 пФ (насадка). Рабочая область экрана — 80x100 мм. Потребляемая мощность — 140 ВА, масса прибора — 18 кг, габариты 360x200x420 мм.
Одна из самых скоростных моделей — аналого-цифровой двухканальный осциллограф С1-129 с полосой частот до 1 ГГц. Имеет встроенный микропроцессор для автоматизации настроек и измерений. Скорость фотозаписи сигналов — до 200 000 км/с, калиброванный коэффициент развертки — 200 пс/дел. Время нарастания переходной характеристики прибора — 0,4 нс. Входное сопротивление квх: 50 ±1 Ом, с активным пробником квх = 100 кОм, Свх = 3,7 пФ. Коэффициенты развертки по горизонтали: 0,2 нс/дел - 100 мс/дел с погрешностью (3-4)% без растяжки и (4-5)% — с растяжкой. Габариты прибора 215x385x620 мм, масса — 21 кг.
До 1990 г. уровень развития отечественной аналоговой осциллографии в целом соответствовал мировому уровню, иногда даже превосходил его. Но после распада СССР разработки скоростных аналоговых осциллографов на ЭЛТ были практически прекращены. К сожалению, на то были причины не только технического, но и геополитического характера.
Катод
Электронные линзы
Фокусрующий электрод (усо верш е нствован н ы е префокусные линзы)
Матрица ПЗС . (прибор с зарядовой связью)
Оптоволоконная матрица Экран
интим
митті
Луч
Электрод
Отклоняющая Отклоняющая система оси Y система оси X
после ускорения
Скоростные аналоговые осциллографы AKTAKOM-IWATSU
За рубежом в наши дни выпуск скоростных аналоговых осциллографов также практически прекращен. Исключением являются осциллографы японской фирмы IWATSU, которые на российском рынке представлены под торговой маркой АКТАКОМ [6, 7]. Серия 4-канальных приборов с 10 линиями развертки и скоростной ЭЛТ. АСК-7474/ 7404/7304 имеют полосу частот вертикального отклонения 470/400/300 МГц. Приборы имеют: две развертки, быстрые функции установки, запоминание 10 установок, полную телевизионную синхронизацию с выбором заданного кадра и строки, 5-разрядный встроенный цифровой частотомер и средства курсорных измерений.
В некоторых осциллографах АКТАКОМ-IWATSU применена миниатюрная конвертирующая ЭЛТ со сканирующей ПЗС-матрицей (рис. 5). За счет малых габаритов трубки ее паразитные реактивности значительно уменьшены, а полоса расширена. Изображение создается и запоминается на внутреннем экране трубки. Затем с помощью световолоконной матрицы оно переносится на прибор с зарядовой связью (ПЗС) и отображается с помощью жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) большого размера с достаточно высоким (640x480 точек) разрешением.
Выпускаемые на основе этой трубки сверх-широкополосные аналоговые 4-канальные осциллографы AKTAKOM-IWATSU АСК-8104 и 8064 (рис. 6) имеют полосу частот, соответственно, до 1 и 0,6 ГГц, ультравысокую скорость записи, достигающую 10 дел/нс, и развертку с 15 линиями. Скорость захвата осциллограмм достигает 1 млн/с.
Рис. 6. Внешний вид сверхширокополосных осциллографов AKTAKOM-IWATSU ACK-8104 и 8064
Осциллографы обеспечивают уникально высокую яркость осциллограмм однократных и редко повторяющихся импульсов, на три порядка превосходящую ту, что дают осциллографы на обычных ЭЛТ.
Стробоскопические сверхскоростные осциллографы
Довольно уверенно в класс сверхскоростных осциллографов перешли стробоскопи-
Рис. 5. Устройство конвертирующей миниатюрной ЭЛТ
ческие осциллографы. В них осциллограмма периодического сигнала получается путем взятия растянутых выборок последовательно с ряда периодов периодического сигнала с малым интервалом Дtиз N периодов сигнала. В приборах применяются схемы выборки и генераторы строб-импульсов субнаносе-кундной длительности с умеренной частотой повторения. Существуют приборы со случайной выборкой.
Первые стробоскопические осциллографы появились в 60-х годах прошлого века и интенсивно развивались, в том числе в СССР [5, 6]. Так, двухканальный советский осциллограф С9-9 имел полосу частот от 0 до 19 ГГц, цифровую память и автоматическое измерение 20 параметров сигналов. Прибор имел микропроцессорное управление и самодиагностику. Это крупный и очень тяжелый прибор: габариты 605x494x253 мм, масса — 65 кг.
Осциллограф стробоскопический специальный С9-11 — это двухканальный многофункциональный прибор, позволяющий дополнительно производить измерения волнового сопротивления СВЧ линий передачи, КСВН, ослабления и S-параметров СВЧ-цепей и др. Полоса пропускания — 0-26 ГГц. Входное сопротивление — 50 Ом. Экран 120x120 мм. Прибор состоит из 2 блоков: П1 — 488x213x571 мм, масса — 28 кг; П2 — 234x182x533 мм, масса — 12 кг.
Двухканальные стробоскопические осциллографы С1-91/3 и С1-122/4 имеют полосу частот от 0 до 18 ГГц, выносной блок задержки, ЭЛТ с экраном 100x120 мм, вывод масштабов на экран с помощью знакогенератора. Габариты и масса С1-91/3 и С1-122/4 одинаковы: 228x349x590 мм и 17 кг.
Эти приборы, несмотря на достаточно большие полосы частот исследуемых сигналов, морально устарели и практически не имеют современных средств связи с ПК. Ограниченный выпуск современных двухканальных стробоскопических цифровых осциллографов TMR8105, TMR8112, TMR8120, TMR8130, TMR8140 на зарубежной элементной базе освоен небольшой петербургской фирмой «Трим» (www.trimcom.ru)
Рис. 7. Внешний вид стробоскопических осциллографов TRM81**
(рис. 7). Две последние цифры обозначения приборов указывают на верхнюю частоту сигнала: 5, 12, 20, 30 и 40 ГГц.
Приборы имеют входное сопротивление 50 Ом и чувствительность по вертикали от 5 до 200 мВ/дел, уровень шума 2 мВ (RMS), дискретность квантования 12 бит, погрешность измерений амплитуды — 1%. Коэффициенты развертки — от 0,01 до 100 нс/дел, длина осциллограммы — до 4096 точек, временная задержка — от 0,01 до 1000 нс. ЖКИ прибора имеет разрешение 640x480 точек, габариты прибора 450x250x260 мм, масса — 11 кг, потребляемая мощность — 50 Вт. Имеются все средства для совместной работы с ПК.
Еще одной удачной и вполне современной разработкой является стробоскопический осциллограф — приставка к ПК С1-24. Этот небольшой прибор (рис. 8) подключа-
Рис. 8. Стробоскопический осциллограф — приставка к ПК С1-24
ется к обычному настольному или мобильному компьютеру и образует вполне полноценный стробоскопический осциллограф.
Основные технические характеристики ПК С1-24: число каналов — 2; полоса частот — от 0 до 20 или 12,5 ГГц; время нарастания переходной характеристики 17,5 пс; входное сопротивление 50 Ом; разрядность АЦП — 14 бит с усреднением 16 бит; погрешность измерения напряжения ±1,6%; емкость записи — 4096 точек/канал; развертка — от 10 пс/дел до 2 мс/дел; погрешность измерения временных параметров 0,4% + 10 пс; габариты приставки 210х 109x377 мм; масса — 5,5 кг. Приборы имеют интерфейсы связи с ПК — USB 2.0 и LPT.
Для испытания осциллографов и других устройств во временной области с прибором С7-24 поставляется формирователь UDX-G01 40-пс перепада напряжения на туннельном диоде. На рис. 9 показаны осциллограммы синусоидального сигнала с частотой около 14 ГГц и перепада напряжения на экране осциллографа C7-24. На этом рисунке представлена реализация автоматических измерений (до 10 параметров одновременно).
фов (математические операции, спектральный анализ методом БПФ и др.), TDS8000B обеспечивает измерение импеданса и S-параметров цепей, генерацию канальных и глазковых диаграмм и PSPICE-моделирование.
Самым широкополосным прибором фирмы Agilent (www.agilent.com) является стробоскопический осциллограф 86100С DCA-J (рис. 11). Этот прибор, выпускаемый почти 10 лет, объединяет 4 инструмента в одном корпусе: цифровой анализатор коммуникационных устройств, временной рефлектометр TDR, осциллограф с полосой частот до 80 ГГц и анализатор временной нестабильности — джиттера (см. рисунок на экране).
Рис. 9. Осциллограммы синусоидального сигнала и перепада напряжения на экране ПК с приставкой С7-24
Все описанные возможности характерны для большинства современных стробоскопических осциллографов.
Зарубежные стробоскопические осциллографы
В наши дни компания Tektronix (www. tek.com) выпускает модульный цифровой стробоскопический осциллограф TDS8000B (рис. 10), имеющий полосу частот до 70 ГГц (время нарастания до 5 пс), 8 каналов (электрических и оптических со сменными модулями), длину записи до 4000 точек, развертку по горизонтали — 0,5 пс/дел - 5 мс/дел, сенсорный цветной 10-дюймовый ЖКИ с разрешением 640x480 точек. Габариты прибора 457x343x419 мм, вес — 21 кг.
Прибор имеет обширные средства для связи с ПК: интерфейсы GPIB, RS-232, Centronix, USB, PCMCIA и Ethernet, гибкие диски, CD-ROM и DVD, открытый доступ к Windows. Помимо обычных возможностей осциллогра-
пульсов. В результате на экране получается фигура, похожая на глаз. Если «глаз» открыт, значит, сигналы на входе и выходе четко различаются и работоспособность тестируемого устройства обеспечивается. Закрытый или слишком узкий «глаз» говорит о плохом различии сигналов на входе и выходе, что ведет нередко к нарушению работы тестируемых устройств.
Построение глазковых диаграмм с масками, задающими их допустимый вид, сейчас предусмотрено у всех скоростных осциллографов. На рис. 13 показано применение осциллографа в роли СВЧ скалярного анализатора цепей: представлено построение S-параметров Э11 и S21 в диапазоне частот от 0 до 18 ГГц.
в»
Ctifarir Ij.fc-i 7t‘
■ $-Дгагеиг Кірлщк 1 і НЕ ■■ UL
■"Н-"
Ы ЧуЛГ . . .Я . ■■
Ґ тт
...ж*
(г* кЭйчг : и ■ЕЛ: ■ли .***
Другое типичное применение прибора — построение глазковых диаграмм (рис. 12). Это происходит путем построения осциллограмм с фиксированным масштабом для множества входных и инвертированных выходных им-
Рис. 13. Измерение S-параметров осциллографом Agilent 86100C DCA-J
Для приборов этой серии создано около двух десятков опций расширения и различных пробников. Имеется множество программ.
В апреле 2005 г компания LeCroy (www. lecroy.com) представила цифровые стробоскопические сверхскоростные осциллографы серии WaveExpert 9000 и SDA 100G, которые и на настоящий момент являются самыми высокочастотными осциллографами в мире. Их полоса пропускания — до 100 ГГц, а память можно нарастить до 512 Мбайт. Ныне на их основе выпускаются стробоскопические осциллографы серии WaveExpert SDA 100G (рис. 14) с полосой пропускания 100 ГГц. Они работают на основе эксклюзивной патентованной технологии когерентных
Рис. 12. Экран осциллографа Agilent 86100C DCA-J в режиме анализа джиттера
Рис. 15. Электрические и оптические модули стробоскопических осциллографов фирмы LeCroy с полосами пропускания до 20, 30, 50, 70 и 100 ГГц
интервалов стробирования (КИС) и нелинейной линии передачи (НЛЛП) для формирования строб-импульсов с довольно плоской вершиной.
Монолитная конструкция смесителей осциллографов (рис. 15) позволила увеличить частоту дискретизации по сравнению с предыдущими моделями стробоскопических осциллографов, при этом полоса частот увеличена до 100 ГГц.
Удобный пользовательский интерфейс дает возможность быстрого и легкого доступа к более чем 50 автоматическим измерениям и математическим функциям (рис. 16).
Рис. 16. Экран осциллографа WaveExpert фирмы LeCroy
Скоростные цифровые осциллографы реального времени
Цифровые осциллографы реального времени отличаются от стробоскопических высокой скоростью выборок (до 50-60 Гвыб/c), что позволяет получить достаточное число выборок даже у однократного сигнала за время его развертки. Но полоса исследуемых частот у этих осциллографов в 5-10 раз ниже, чем у стробоскопов, построенных на той же SiGe элементной базе.
Серия скоростных осциллографов TDS 6000 фирмы Tektronix имеет полосы частот от 6 до 15 ГГц, память до 32/64 Мвыб. Приборы имеют встроенный двухпроцессорный компьютер (процессоры 2,8 ГГц Pentium 4 и 583 МГц PowerPC), дисплей высокого разрешения XGA (30 см по диагонали), возможность подключения внешнего дисплея, CD-R/W на передней панели, порты USB2.0 и 1000 BaseT (сети). Выпуск этих приборов прекращен.
Рис. 17. Осциллографы DPO/TDS 7000
компании Tektronix
Более новые DPO/TDS 7000 (рис. 17) — это вполне современные осциллографы фирмы Tektronix с цифровым фосфором, имитирующим послесвечение ЭЛТ. Полоса частот приборов: 500 МГц, 1; 1,5; 2,5; 4 или 7 ГГц. Приборы имеют 4 канала (1 М0м/50 Ом), частота дискретизации — до 20 ГГц. Технология DPO/DPX обеспечивает скорость обновления более 400 000 осц/с. Масштаб по вертикали:
1 мВ/дел - 10 В/дел. Развертка по горизонтали 200 пс/дел - 40 с/дел. Вертикальное разрешение — 8 бит (в режиме усреднения — 11 бит). Погрешность измерений 1%. Система синхронизация Pinpoint имеет более 1400 режимов запуска и синхронизации и фильтры по входам. Обеспечивается 53 автоматических измерения. Размеры приборов 451x290x265 мм, масса — 15 кг, потребляемая мощность — менее 500 ВА.
Детали наглядного интерфейса осциллографов видны на рис. 18: построение осциллограмм, изображение гистограммы с распределением измерений, таблица автоматических и статистических измерений и панель управления статистическими измерениями. Приборы имеют Windows-архитектуру и встроенный ПК с ОЗУ 256 Мбайт. Есть встроенные дисководы для гибкого диска и CD-ROM, встроенный жесткий диск. Осциллограф оснащен 10-дюймовым сенсорным цветным ЖКИ. Длина записи осциллограмм — от 4 до 64 Мбайт. Выходные порты: GPIB, LAN 10/100Base-T, Centronics, USB, RS-232, VGA, Audio. DPO/TDS 7000 может работать с большим числом пробников [11] и опций.
Рис. 18. Вид экрана осциллографа DPO 7000
Рис. 19. Вид серии осциллографов DPO/DSA 70000(B) компании Tektronix
Новейшие осциллографы с цифровым фосфором и последовательные анализаторы DPO/DSA 70000B (рис. 19) сегодня самые мощные из осциллографов Tektronix с дискретизацией в реальном масштабе времени. Это новая серия 4-канальных цифровых широкополосных осциллографов с цифровым фосфором и частотой дискретизации 25 и даже 50 ГГц.
Приборы используют технологию цифрового фосфора DPO/DPX и обеспечивают скорость обновления осциллограмм более 250 000 осциллограмм в секунду. Они имеют Windows-архитектуру, встроенный ПК, HDD, CD-RW, 30-см сенсорный цветной ЖКИ. Длина записи: 10 Мбайт - 200 Мбайт. Масштаб по вертикали: 10 мВ/дел - 1 В/дел (вход 50 Ом), по горизонтали: 20 пс/дел. -1000 с/дел. Вертикальное разрешение — 8 бит (в режиме усреднения — 11 бит), погрешность 1%, синхронизация Pinpoint. Выходные порты: GPIB, LAN 10/100Base-T, Centronics, USB, RS-232, VGA, Audio. Габариты прибора 451x298x490 мм, масса — 20 кг.
Эти осциллографы прекрасно приспособлены для анализа сложнейших сигналов от новейших сверхскоростных последовательных шин, таких как USB3.0, PCI Express и др. На рис. 20 показан анализ передатчика сверхскоростной последовательной шины USB3.0 с применением глазковых диаграмм.
По выпуску сверхскоростных осциллографов лидирует фирма LeCroy (США). В на-
Рис. 20. Окно опции анализа последовательной шины USB3.0
Рис. 21. Внешний вид осциллографа LeCroy
серии WavePro 7 Zi
стоящее время она выпускает 10 серий цифровых осциллографов, половина из которых имеет полосу частот выше 1 ГГц. Подробные данные об осциллографах фирмы LeCroy можно найти на сайте www.lecroyscope.ru.
Новейшая серия цифровых осциллографов реального времени фирмы LeCroy WavePro 7 Zi (рис. 21) содержит ряд моделей (715Zi, 725Zi, 735Zi, 740Zi и 760Zi) с полосой частот от 1,5 до 6 ГГц и частотой дискретизации сигналов 20 Гвыб/c для каждого канала и до 30 Гвыб/c в режиме объединения каналов. Максимальный объем памяти — 256 Мб/канал.
В приборах применяется новая потоковая архитектура передачи данных X-Stream II — развитие технологии X-Stream, применяемой ранее. Она обеспечивает ускорение скорости обмена данными от 10 до 20 раз. В Х-Stream II данные передаются в виде сегментов переменной длины, что обеспечивает максимальную эффективность работы кэшпамяти процессора Intel Core 2 Quad, работающего с оперативной памятью ПК с объемом до 8 Гбайт. Передача данных от платы сбора данных на процессор производится по высокоскоростной шине PCI Express, а сам осциллограф работает под управлением 64-разрядной операционной системы Windows Vista. Прибор обеспечивает до 750 000 измерений в секунду. Интерфейсы ProBus и ProLink в моделях с полосой 4-6 ГГц обеспечивают подключение любых их множества пробников LeCroy
ЖКИ-экран большого размера (16x10 см, по диагонали — 15 дюймов) имеет большое разрешение — 1280x768 пикселей. К прибору можно подключить дополнительный внешний дисплей. Обеспечена синхронизация и декодирование всех низкоскоростных шин данных (I2C, SPI, UART-RS232, CAN, LIN, FlexRay). Приборы имеют режим WaveScan для быстрого и простого поиска и анализа аномальных событий в длинных волнах сигнала.
Частота дискретизации в реальном времени — 20 ГГц на канал и 40 ГГц в режиме объединения каналов, максимально возможный объем памяти на канал составляет 256 Мбайт. В приборах используется плата
64-разрядного ПК с 4-ядерным микропроцессором Intel Core 2 Quad, оперативной памятью с емкостью до 8 Гбайт и высокоскоростной шиной PCI Express. Осциллограф работает под управлением Windows Vista 64. Возможна работа с системами компьютерной математики, например с матричной системой MATLAB [12].
Новейшие сверхскоростные цифровые запоминающие осциллографы серии WaveMaster 8Zi WM 804Zi, WM 806Zi, WM 808Zi, WM 813Zi, WM 816Zi, WM 820Zi, WM 825Zi, WM 830Zi — самые скоростные в мире среди осциллографов реального времени. Они имеют полосы пропускания: 4; 6; 8; 13; 16; 20; 25 и даже 30 ГГц.
В старших моделях этих осциллографов реализован оригинальный способ разбивки исследуемых частот на два тракта (рис. 22). Один тракт обычный и перекрывает диапазон частот от 0 до 16 ГГц при частоте дискретизации 40 ГГц. Второй тракт использует принцип супергетеродинного радиоприемника. Он переносит спектр от 16 до 30 ГГц в область от 1 до 15 ГГц.
Рис. 22. Усилительный тракт канала с осциллографом WM/SDA8**Zi
В осциллографах используется специально разработанный монолитный аналогоцифровой преобразователь с частотой выборки 40 Гвыб/с. Обе оцифрованные полосы запоминаются в скоростной памяти, а затем складываются в цифровой форме. В результате реализуется полоса частот от 0 до 30 ГГц при частоте дискретизации, равной 80 ГГц.
Объем памяти на канал — 10 Мбайт (20 Мбайт при объединении каналов и для серии SDA). Есть опция расширения памяти до 256/512 Мбайт. Цветной сенсорный ЖК-экран приборов имеет размер по диагонали
39 см. Обеспечена поддержка второго внешнего сенсорного монитора для расширения рабочего стола и поддержка любых пробников: пассивных, активных, дифференциальных, высоковольтных, токовых, логических.
Внешний вид прибора соответствует новым канонам LeCroy — он с черной перед-
Рис. 23. Внешний вид осциллографа LeCroy
серии WM/SDA8**Zi с дополнительным дисплеем
ней панелью и белой ее окантовкой (рис. 23). На экране дисплея показаны осциллограммы исследования скоростной последовательной шины. Возможен вывод осциллограмм, глазковых диаграмм, гистограмм, различных установок, результатов автоматических измерений и т. д. Второй дисплей может использоваться отдельно от основного.
Большой размер экрана этих приборов позволяет даже при разбивке каждого экрана на две части отображать информацию об исследуемых процессах достаточно подробно и в различных видах.
Как и Tektronix, фирма LeCroy уделяет большое внимание развитию нового направления ЦЗО — сверхскоростных последовательных анализаторов потоков. Так, выпускается 4 модели серии 700SDA. Серия LeCroy SDA***** — это сверхскоростные последовательные анализаторы. В названии ***** — это полоса частот (18, 11, 9, 6, 5 и 3 ГГц), записанная в МГц. Все приборы этого типа 4-канальные с памятью 8 или 4 байт (для младших моделей). На рис. 24 показан внешний вид модели LeCroy SDA11000. Приборы имеют вес 27 кг, габариты 310x447x500 мм и потребляют мощность 900 ВА.
Рис. 24. Последовательный анализатор LeCroy SDA11000
В тройку «китов» — разработчиков цифровых осциллографов высокого класса — входит компания Agilent Technologies, вышедшая из недр знаменитой Hewlett Packard. Серия 4-канальных цифровых осциллографов Agilent Infiniium 80000 — это сверхшироко-полосные осциллографы с верхними частотами от 8 до 12-13 ГГц. Прибор этой серии DSO 80804A имеет верхнюю частоту 8 ГГц и частоту квантования 20 Гвыб/c при использовании одного канала и 40 Гвыб/c — при использовании двух каналов. Нестабильность запуска — менее 0,5 пс. В приборе использованы электронные аттенюаторы. Усилители канала Y минимизированы по уровню шумов.
Версия скоростных осциллографов Agilent Infiniium 90000 — приборы класса Hi End. Внешний вид осциллографа этой серии показан на рис. 25.
Основные характеристики:
• 4 канала, 13 ГГц.
• Максимальная частота дискретизации —
40 ГГц.
• Память — 0,5М точек на канал.
• Цветной сенсорный дисплей.
• Встроенный ПК построен на процессоре 3 ГГц, имеет HDD 40 Гбайт и порты USB, LAN, GPIB, RS-232.
Рис. 25. Внешний вид осциллографа серии Infiniium 90000A
Приборы имеют цветной XGA-дисплей с размером 12,1 дюйма по диагонали. Входное сопротивление — 50 Ом, чувствительность по вертикали — от 1 мВ/дел до 1 В/дел. Разрядность квантования — 8 бит (в режиме усреднения — 12 бит и выше), память — до 10 Мбайт с расширением до 1 Гбайт. Коэффициенты развертки — от 5 пс/дел до 20 с/дел. Скорость обновления осциллограмм достигает 400 000 осциллограмм в секунду. Размеры приборов 43,2x28,3x50,64 см, масса — 20 кг, потребляемая мощность — около 800 ВА. Есть порт XGA для подключения внешнего дисплея. Опционально возможна работа с системой МА^АВ [12].
Спектральный анализ у сверхскоростных осциллографов
Возможности ЦЗО существенно расширяются при включении в них средств спектрального анализа методом оконного
Фурье-пребразования. Явный прогресс в реализации спектрального анализа виден в разработках сверхскоростных осциллографов LeCroy. Расчет БПФ у этих приборов может вестись по десяткам миллионам точек, что дает ультравысокое разрешение по частоте. Специальная опция SPECTRUM позволяет осуществлять настройки БПФ, как при работе с обычным анализатором спектра [11], когда задается центральная частота, полоса обзора, полоса пропускания и т. д. В приборах реализованы автоматические измерения амплитуд ряда гармоник с выведением их данных (амплитуды и частоты) для каждого пика спектра.
Программа спектрального анализа SignalVu превращает осциллографы серий 7ООО/7ОООО компании Tektronix в полноценные анализаторы спектра реального времени (рис. 26) [1О]. Она реализует быстрое оконное преобразование Фурье с построением спектрограмм.
Рис. 26. Окно опции спектрального анализа SignalVu
Генерация и контроль лазерных фемтосекундных импульсов
За прошедшие 20-30 лет резко возросло число работ по разработке и исследованию лазеров (в основном твердотельных), генерирующих пачки импульсов пико- и даже фемтосекундной (1 фс = 10-15 с) длительностью. На рис. 27 представлена современная оптическая техника усиления лазерного излучения в виде пачки очень коротких импульсов
[13]. Генератор — это обычный импульсный лазер, который создает ультракороткие импульсы малой мощности. Обычно длительность таких импульсов составляет десятки-сотни фемтосекунд при энергии порядка 10-6 Дж.
Как для растяжения, так и для сжатия импульса используются устройства, состоящие из двух дифракционных решеток с расстоянием между их линиями около 1 мкм. Свет, падающий под углом на такую пластинку, отражается от нее, причем угол отражения зависит от частоты падающего света. Короткий лазерный импульс содержит свет с различными частотами, которые от пластинки отражаются под разными углами. Если отраженный свет направить на другую дифракционную пластинку, ориентированную по отношению к первой определенным образом, то можно добиться того, что путь, проходимый волнами с разной частотой, будет различен. В результате после отражения от второй дифракционной решетки волны с разными частотами придут в одно и то же место с различной задержкой во времени.
При некоторой ориентации дифракционных решеток друг относительно друга можно растянуть импульс и из короткого импульса сделать «чирпированный» (с переменной частотой заполнения) длинный импульс, а при другой ориентации — из длинного «чирпи-рованного» импульса сделать снова короткий, но гораздо более мощный.
Применяя описанное выше растяжение импульсов оптическим методом, можно просматривать такие импульсы с измененным временным масштабом. Но есть и еще один эффективный метод контроля формы и параметров лазерного излучения с импульсами фемтосекундного диапазона. Это метод автокорреляции (рис. 28).
Тут исследуемый лазерный импульс с тонким фемтосекундным заполнением подается на тонкое полупрозрачное зеркало и разбивается на два световых потока. Они направляются на два отражателя, один из которых имеет фиксированное положение, а другой перемещается с помощью микровинта. В ре-
импульс
Усиленный длинный импульс
Короткий мощный импульс
Рис. 27. Функциональная схема усиления лазерного излучения
/" V
Лазерное п излучение II
------►------
/
Зафи кси рован н ы й отражатель
Полупрозрачное зеркало
с
Фотоэлектри-
ческий
приемник
Перемещаемый
отражатель
Линза
Нелинейный кристалл □ Фильтр 2-й гармоники
Выход Электр, сигнала
Рис. 28. Функциональная схема устройства
для исследования импульса фемтосекундного лазера
методом автокорреляции
зультате получаются два световых потока, у одного из которых импульс сдвинут во времени, причем сдвиг может меняться при изменении положения второго отражателя. Эта конструкция по существу является давно известным интерферометром Майкельсона.
Ключевым моментом является применение нелинейного кристалла, в котором появляется вторая гармоника оптического излучения. Она выделяется фильтром и регистрируется как непрерывное излучение инерционным фотоэлектрическим приемником. При изменении времени задержки второго импульса можно снять зависимость интенсивности луча света от времени в резко увеличенном (например, в 1000 раз) масштабе. Полученная функция является автокорреляционной. Разумеется, нетрудно усовершенствовать устройство, введя компьютерное управление временной задержкой во втором канале интерферометра и коррекцию автокорреляционной функции.
Оптоэлектронный стробоскопический осциллограф
Описанный метод может быть использован для создания уникального по возможностям и разрешающей способности оптоэлектронного стробоскопического осциллографа (рис. 29) [13]. Его идея заключается в следующем. Первый импульс запускает исследуемую схему (обычно микросхему). Для этого используется специальный преобразователь лазерного импульса в электрические импульсы. Схема управляемого импульсом лазера сверхскоростного оптоэлектронного ключа показана на рис. 29а. Второй, задержанный во времени, импульс используется для бесконтактного считывания потенциала электронно-оптическим пробником той
точки исследуемой схемы, сигнал в которой исследуется (рис. 29б).
Оптоэлектронный ключ (рис. 29а) построен на основе полупроводниковой пластины из высокоомного полупроводника, на котором сформирована двухпроводная линия передачи с обрывом в одном проводе. В результате линия нормально оборвана и на ее выходе напряжение равно нулю. Облучение обрыва ультракоротким лазерным излучением резко снижает сопротивление полупроводника, и на выходе линии появляется короткий электрический импульс. Он и используется в качестве входного импульса для испытания микросхемы.
Более сложной является конструкция электронно-оптического пробника (рис. 29б). Его работа основана на применении электрооп-тического кристалла, который имеет коэффициент пропускания ультракороткого импульса лазерного излучения, зависящий от напряженности электрического поля в кристалле. Таким образом, работа такого пробника напоминает работу низковольтной ячейки Поккельса.
Функциональная схема оптоэлектронного стробоскопического осциллографа представлена на рис. 30. С выхода цифровой (ступенчатой) развертки снимаются импульсы, запускающие генератор лазерного излучения. Его импульсы излучения раздваиваются: один луч используется для создания импульса запуска исследуемой микросхемы, другой — для считывания потенциала заданной точки микросхемы с помощью электронно-оптического пробника. После заданного числа стробирова-ний на экране осциллографа по точкам формируется временная зависимость изменения потенциала в заданной точке микросхемы.
Разрешающая способность такого осциллографа определяется длительностью фемтосекундного импульса и лежит, соответственно, в фемтосекундном диапазоне. Это разрешение на несколько порядков выше, чем у современных серийных стробоскопических осциллографов. Весьма ценным является бесконтактное подключение пробника к нужной точке (или проводнику) микросхемы. Конечно, это требует наличия специального микроманипулятора.
Естественно, что это очень сложный прибор, который должен интегрироваться в очень тонкий и сложный процесс микроэлектронного производства. Пока такие осциллографы реализованы только в виде уникальных и не очень афишируемых образцов. Они открывают путь к исследованию сверхбыстрых процессов в интегральных микросхемах, в том числе построенных на основе новейших нанотехнологий.
Заключение
Электронные осциллографы за столетие своего развития расширили диапазон исследуемых частот в сотни миллионов раз и успешно освоили пикосекундный диапазон времен. Они превратились в многофункциональные цифровые системы для исследования сложнейших сигналов, длина которых доходит до 1 Гбайт, и автоматического измерения многих десятков их параметров. Приборы обеспечивают связь с ПК, а многие выполняются на ПК с открытой архитектурой. В них широко используются программные средства, в том числе системы компьютерной математики. Однако достигнутый к 2005 году частот-
ный предел в 100 ГГц пока не преодолен, и сверхскоростные осциллографы по-прежнему остаются громоздкими, тяжелыми и дорогими настольными приборами. Уже появились области (фемтосекундная лазерная техника, сверхскоростная микроэлектроника, сверхширо-кополосная связь), где нужны сверхскоростные осциллографы с полосой частот в десятки и сотни раз выше достигнутых. Возможно, что такие приборы будут основаны на принципах и технологиях исследования фемтосекундного лазерного излучения. ■
Литература
1. Дьяконов В. П. Современная осциллография и осциллографы. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.
2. Hiscocks P. H.. Oscilloscope Development 1943-1957. Ryerson University. April 2009.
3. Куркин Ю. Л., Уточкин Б. А. Элементы и узлы транзисторных скоростных осциллографов. Новосибирск: Наука, 1975.
4. Блюдин Е. К., Боднар З. М., Кравченко К. В. и др. Портативные осциллографы. М.: Советское радио, 1978.
5. Рябинин Ю. А. Стробоскопическое осциллографирование. М.: Советское радио, 1972.
6. Дьяконов В. Стробоскопические осциллографы у барьера в 100 ГГц // Ремонт и сервис. 2005. № 12.
7. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. М.: СОЛОН-Пресс, 2007.
8. Шумский И. А., Солдатов О. М. AKTAKOM-IWATSU — новая серия аналоговых осциллографов на российском рынке // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2005. № 2.
9. Шумский И. А. Основные направления развития современной осциллографии: «гонка» новых технологий на гигагерцовой дистанции // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2003. № 5.
10. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Цифровые анализаторы спектра, сигналов и логики. М.: СОЛОН-Пресс, 2008.
11. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Современные осциллографические пробники и их грамотное применение // Контрольно-измерительные системы и приборы. 2007. № 5-6. 2008. № 1.
12. Дьяконов В. П. MATLAB 6.5 SP1/7.0 + Simulink 5/6. Обработка сигналов и проектирование фильтров. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.
13. Крюков П. Лазер — замечательное достижение XX века // Квант. 2007. № 3-4.
