УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 2007 года по МПК G01R29/02 

Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники.

Измерение формы однократных импульсных сигналов нано- и субнаносекундной длительности может производиться как традиционными методами (например, осциллографированием с помощью скоростных осциллографических регистраторов, так и более современными цифровыми методами - прямым аналого-цифровым преобразованием (АЦП) и масштабно-временным преобразованием (МВП) ([1, 2] - разработки заявителя).

При проведении измерений в многоканальных системах, например при исследовании лазерных установок, где требуется высокоскоростная запись: до 192 импульсных электрических сигналов [3], требуется простое недорогое надежное многоканальное цифровое устройство. Простота одного канала усилит это качество в многоканальной системе. Известные [3, 4] устройства, в которых используется масштабно-временное преобразование с динамическим запоминанием регистрируемого сигнала на секционной линии задержки, являются более простыми. В них качестве секционной линии задержки используются коаксиальная или меандровая микрополосковая линия (МПЛ) с отводами и, в последнее время, совокупность меандровой МПЛ для исследуемого сигнала и прямой МПЛ для строб-сигнала.

Известные цифровые регистраторы однократных сигналов [2-4] используют неодновременное считывание выборок сигнала, распределенного вдоль линии. Это достигается последовательной подачей на N строб-смесителей (в качестве которых использованы высокоскоростные диоды Шотки) стробирующих сигналов, полученных, например, последовательным отбором стробирующих импульсов на каждый смеситель, от распространяющегося в линии строб-импульса, сформированного методом запуска от регистрируемого сигнала, и регистрируемого сигнала, распределенного вдоль меандровой замедляющей линии. В дальнейшем выборки, запомненные на накопительных конденсаторах, уже в преобразованном масштабе времени подаются на аналого-цифровой преобразователь.

Использование совокупности меандровой и прямолинейной линий [3] позволяет, с одной стороны, упростить распределение строб импульсов, выбирающих соответствующие участки исследуемого сигнала, а с другой, уменьшить эффективное время выборки, что повышает быстродействие регистрации.

Известно устройство для регистрации импульсных электрических сигналов (разработка заявителя [5]), содержащее выполненную на диэлектрической плате информационную замедляющую микрополосковую линию (ИЗМПЛ), отводы которой через соответствующие ключи соединены с соответствующими элементами выборки и хранения, соединенными через последовательно включенные расширители и многовходовой коммутатор с соответствующими входами многоразрядного аналого-цифрового преобразователя, управляющие входы ключей через элементы связи соединены с отводами микрополосковой линии строб-сигнала (МПЛСС), выполненной на диэлектрической плате, расположенной параллельно оси ИЗМПЛ, причем ИЗМПЛ реализована на диэлектрической плате с относительной диэлектрической проницаемостью ε1>>ε2, где ε1 и ε2 - диэлектрическая проницаемость плат ИЗМПЛ и МПЛСС, причем ИЗМПЛ и МПЛСС выполнены на прямолинейных или кольцевых МПЛ, платы которых расположены в разных плоскостях (одна над другой) так, что стороны плат со сплошной обратной металлизацией соединены друг с другом электрически и механически, а элементы связи выполнены в виде совмещенных прорезей в обратной металлизации каждой из плат диаметром d_св, причем в плате МПЛСС прорези выполнены непосредственно над линией строб-сигнала, а в плате ИЗМПЛ прорези выполнены под соответствующими контактными площадками с поперечным размером d, отстоящими от ИЗМПЛ на расстояние ΔY, определяемое установочным размером ключевых элементов (например, быстродействующих смесительных диодов). Недостатком устройства [5] является сложность изготовления, обусловленная наличием двух СВЧ печатных плат с разным типом диэлектрика, а также нестабильность их точного совмещения с допуском не более 0,1 мм.

Наиболее близким техническим решением к данному предложению является устройство для регистрации импульсных электрических сигналов [3], содержащее выполненную на диэлектрической плате ИЗМПЛ, отводы которой через соответствующие ключи соединены с соответствующими элементами выборки и хранения, соединенными через последовательно включенные расширители и многовходовой коммутатор с соответствующими входами многоразрядного АЦП, управляющие входы ключей через элементы связи соединены с отводами прямой МПЛСС, выполненной на диэлектрической плате и расположенной параллельно оси ИЗМПЛ.

Недостатком устройства [3] является неудовлетворительная граничная частота, определяемая значительной паразитной связью между линиями, что связано с расположением ИЗМПЛ и МПЛСС в одной плоскости. Кроме того, имеются конструктивные проблемы размещения ряда элементов в минимальном зазоре между линиями, что снижает технологичность конструкции.

Техническим результатом данного изобретения является повышение граничной частоты устройства и повышение технологичности конструкции.

Технический результат в устройстве для регистрации импульсных электрических сигналов, содержащем выполненную на диэлектрической плате ИЗМПЛ, отводы которой через соответствующие ключи, выполненные на СВЧ-диодах, соединены с соответствующими элементами выборки и хранения, соединенными через последовательно включенные расширители и многовходовой коммутатор с соответствующими входами многоразрядного аналого-цифрового преобразователя, управляющие входы ключей через элементы связи соединены с отводами ПКЛСС, выполненной на той же диэлектрической плате, что ИЗМПЛ, и расположенной параллельно оси ИЗМПЛ, достигается тем, что ИЗМПЛ и ПКЛСС выполнены с разных сторон диэлектрической платы, центральный проводник ПКЛСС, расположенный в зазоре экранных проводников, образует линию с волновым сопротивлением, равным требуемому для линии строб-сигнала, один из экранных проводников ПКЛСС является обратным проводником ИЗМПЛ, центральный проводник ПКЛСС отстоит от края ИЗМПЛ (с обратной стороны платы) на расстоянии, соизмеримом с установочными габаритами СВЧ-диодов ключей, а емкостная связь между ИЗМПЛ и ПКЛСС осуществляется емкостями, образованными центральным проводником ПКЛСС и контактными площадками, расположенными над ПКЛСС в плоскости ИЗМПЛ в местах, где в ИЗМПЛ включены СВЧ-диоды ключей, причем расстояние между центрами этих площадок определяет эффективный шаг дискретизации устройства.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в снижении взаимовлияния линий информационного и строб-сигналов и в снижении паразитных индуктивностей благодаря расположению линии строб-сигнала с обратной стороны диэлектрической платы. Выполнение одними и теми же элементами конструкции различных функций и возможность вывода низкочастотных элементов устройства: расширителей и АЦП из поля взаимовлияния линий информационного и строб-сигналов оптимизируют конструкцию всего СВЧ-тракта, а также дают возможность повысить технологичность устройства.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фигуре 1. На фиг.2а - одна поверхность диэлектрической платы, на которой расположена ИЗМПЛ, на фиг.2б - фрагмент другой поверхности диэлектрической платы, на которой выполнена ПКЛСС. Позиционные обозначения элементов на фиг.1, 2 совпадают. Устройство содержит (нумерация сквозная по фиг.1 и 2): ИЗМПЛ 1, выполненную, например, на плате из высокочастотного (ВЧ) диэлектрика типа ФЛАН16 (ε1=16), ПКЛСС 2 строб-сигнала, выполненную на обратной стороне этой платы, ключи 3, элементы выборки и хранения 4, расширители импульсов 5, многовходовый коммутатор 6, многоразрядный АЦП 7. Между центральным проводником ПКЛСС 2 и контактными площадками 8 ключевых элементов образуются емкости связи С_св. На фиг.1 представлены также элементы, не участвующие в формуле изобретения, например согласованные нагрузки 9, 10 ИЗМПЛ и МПЛСС, входные коаксиально-полосковые переходы (КПП) 11, 12 этих линий, паразитные индуктивные элементы L_п. Ключи 3 могут быть выполнены на 2 встречно-включенных диодах, например высокоростных диодах Шотки типа HSCH 5314 производства фирмы Hewlett-Packard. Точка соединения диодов на соответствующей контактной площадке 8 является управляющим входом ключа и через паразитные индуктивные элементы L_п и элемент связи С_св (фиг.2б) соединена с ПКЛСС 2. При этом паразитная индуктивность цепи подачи строб-сигнала сведена к минимуму.

Разнесение в пространстве линий строб-сигнала и информационного сигнала на разные поверхности диэлектрической платы позволяет свести к минимуму взаимовлияние линий ИЗМПЛ и ПКЛСС друг на друга и вынести всю низкочастотную часть устройства, начиная от накопительной емкости и элементов выборки и хранения, и далее из поля этих линий.

Контактная площадка (на фиг.2 обозначена как С_н) каждого ключа выполняет функцию накопительной емкости С_н элемента выборки и хранения 4 за счет емкости площадки на слой обратной металлизации. В качестве накопительных конденсаторов С_н элементов выборки и хранения 4 дополнительно к емкости площадки могут быть использованы стандартные ЧИП накопительные конденсаторы небольшой емкости.

ПКЛСС 2 (фиг.2б) в качестве экранных проводников имеет проводники: проводник 13, являющийся одновременно обратным проводником ИЗМПЛ, и проводник 14, над которым расположены накопительные емкости элементов выборки и хранения 4 и элементы 5-7. Экранные проводники соединены в плоскостях входного и выходного КПП 11, 12 и нагрузок 9, 10 через элементы конструкции КПП и нагрузок соответственно. Центральный проводник ПКЛСС обозначен позицией 15, диэлектрическая плата - 16. На фиг.2а позициями 2, 13, 14, 15 штрихом обозначены невидимые элементы ПКЛСС.

ИЗМПЛ и ПКЛСС могут иметь одинаковое или различное значения волнового сопротивления. Точное значение ширины полосков (W) каждой из линий определяется исходя из заданного волнового сопротивления Z_o и толщины платы h:

,

где t - толщина слоя металлизации, ε - диэлектрическая проницаемость, для МПЛ, и

,

где G - зазоры между центральным и экранными проводниками, для ПКЛ, по приведенным, например, в [5] графикам.

На фиг.2 (а, б) обозначены следующие параметры и размеры:

ε - относительные диэлектрические проницаемости ИЗМПЛ и ПКЛСС;

W1 и W2 - ширина полосков плат ИЗМПЛ и ПКЛСС;

t - толщина соответствующих полосков;

G - зазор между центральным и экранными проводникам ПКЛ;

ΔL - линейное расстояние между точками взятия выборок по ИЗМПЛ.

Элементом выборки и хранения 4 является накопительный конденсатор С_н, заряд с которого поступает на вход расширителя 5 (в качестве расширителей могут быть использованы зарядовые усилители на стандартных ОУ, например на счетверенных ОУ АД 824 фирмы Analog Devices) и далее на общий многовходовый коммутатор 6, подключенный к многоразрядному АЦП 7, оцифровывающему расширенный во времени эквивалент каждой выборки. В качестве многоразрядных АЦП могут быть использованы стандартные быстродействующие АЦП подходящей разрядности типа АД 90** той же фирмы.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Регистрируемый импульсный электрический сигнал поступает на ИЗМПЛ 1 и распространяется по ней. В тот момент, когда фронт сигнала приблизился к концу линии 1, на вход ПКЛСС 2 поступает строб-сигнал и распространяется, "догоняя" фронт регистрируемого сигнала. Строб-сигнал имеет вид треугольного импульса с шириной на полувысоте порядка 50-70 пс. Проходя через элементы связи на основе контактных площадок 8 на ключи 3, строб-сигнал открывает их на небольшое время и дает возможность каждой выборке регистрируемого сигнала через открытые ключи 3 зарядить накопительный конденсатор С_н элемента выборки и хранения 4. Далее первичные импульсные выборки регистрируемого сигнала с накопительных емкостей 4 (при закрытых ключах 3) поступают на входы расширителей 5, после чего расширенные до единиц микросекунд сигналы выборок, амплитуда которых пропорциональна амплитуде выборок из регистрируемого сигнала, через N-канальный коммутатор 6 поступают на входы АЦП 7, с выхода которого оцифрованные выборки поступают на обработку в ОЗУ ПК. Таким образом, зафиксированы все выборки импульсного электрического сигнала, который может быть восстановлен соответствующим считыванием и при необходимости визуализирован.

Рассмотрим более подробно работу устройства. Строб-сигнал, «догнав» в конце линии фронт исследуемого сигнала, возьмет из него N выборок с эффективным шагом дискретизации: ΔТ_эфф=ΔТ₁-ΔT₂, где

ΔT₁ - время прохождения участка ΔL регистрируемым сигналом;

ΔТ₂ - время прохождения участка ΔL строб-сигналом.

Рассчитаем основные параметры системы из ИЗМПЛ и ПКЛСС, выполненных на высокочастотном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε. Пусть ΔL - линейное расстояние между соседними выводами для считывания сигнала. Тогда эффективный шаг дискретизации Т_эф, вычисленный как разница времен прохождения сигналами участка ΔL по двум параллельным линиям, составит:

где r и а - параметры меандра, радиус и длина прямого участка, ΔL=4r (фиг.2а),

- скорость распространения волны в ИЗМПЛ,

- скорость распространения волны в ПКЛ.

В формулах (4, 5) под ε_эфm и ε_эфstr подразумеваются эффективные относительные диэлектрические проницаемости для МПЛ и ПКЛ, вычисляемые, например, по формуле [5].

Из формул (3-5) с учетом конструктивных требований к ΔL и выражений для волнового сопротивления линий (1, 2) рассчитываются все основные размеры системы из двух линий, показанные на фигуре 2.

Таким образом, выполнение ПКЛСС и ИЗМПЛ на противоположных поверхностях диэлектрической платы позволяет в отличие от прототипа, с одной стороны, минимизировать расстояние между ними, с другой стороны, снимает ограничения по зазору между линиями. Это, в свою очередь, вызывает снижение до возможного минимума (десятые доли нГн) значения паразитных индуктивностей в цепях прохождения выборки сигнала от ИЗМПЛ до расширителей и влияние линий друг на друга. При этом появляется возможность повысить частоту дискретизации (путем снижения расстояния между точками взятия выборок сигнала) не менее чем до 10 ГГц и тем самым регистрировать импульсные сигналы с более короткими фронтами (не менее 100 пс), т.е. повысить граничную частоту устройства, как минимум, в 2 раза. Кроме того, снятие ограничений по зазору между линиями прохождения регистрируемого и строб-сигналов делает конструкцию предлагаемого устройства более простой и технологичной.

Источники информации

1. Патент РФ №1347858, 1985 г. "Способ дискретной регистрации формы одиночного электрического импульса и устройство для его осуществления" - разработка ФГУП НИИИТ.

2. Патент РФ №1826743, 1991 г. "Осциллографический аналого-цифровой регистратор одиночных электрических импульсов" - разработка ФГУП НИИИТ.

3. Т.Е.Макэван, Дж.Килкенни 32-ГГц регистратор однократных импульсов R&D Magazin, oct.1993 - прототип.

4. Thomas E.McEwan HIGH SPEED TRANSIENT SAMPLER US Patent №5471162, МКИ Н03К 5/125, НКИ 327/92.

5. Заявка РФ №2005108713/28 от 28.03.05 г. Устройство для регистрации импульсных электрических сигналов - разработка ФГУП НИИИТ.

6. В.И.Вольман. Справочник по расчету и конструированию СВЧ-полосковых устройств. М.: Радио и связь, 1982 г.

Предложенное изобретение относится к области измерительной техники. Техническим результатом от реализации данного изобретения является повышение граничной частоты устройства и повышение технологичности конструкции. Устройство для регистрации импульсных электрических сигналов содержит выполненную на диэлектрической плате информационную замедляющую микрополосковую линию - ИЗМПЛ, отводы которой через соответствующие ключи, выполненные на СВЧ-диодах, соединены с соответствующими элементами выборки и хранения, соединенными через последовательно включенные расширители и многовходовой коммутатор с соответствующими входами многоразрядного аналого-цифрового преобразователя, управляющие входы ключей через элементы связи соединены с отводами подвешенной компланарной линии стробирующего сигнала ПКЛСС, выполненной на той же диэлектрической плате, что ИЗМПЛ и расположенной параллельно оси ИЗМПЛ. При этом ИЗМПЛ и ПКЛСС выполнены с разных сторон диэлектрической платы, центральный проводник ПКЛСС, расположенный в зазоре экранных проводников, образует линию с волновым сопротивлением, равным требуемому для линии строб-сигнала, один из экранных проводников ПКЛСС является обратным проводником ИЗМПЛ, центральный проводник ПКЛСС отстоит от края ИЗМПЛ на расстоянии, соизмеримом с установочными габаритами СВЧ-диодов ключей, а емкостная связь между ИЗМПЛ и ПКЛСС осуществляется емкостями, образованными центральным проводником ПКЛСС и контактными площадками, расположенными над ПКЛСС в плоскости ИЗМПЛ в местах, где в ИЗМПЛ включены СВЧ-диоды ключей. 2 ил.

Устройство для регистрации импульсных электрических сигналов, содержащее выполненную на диэлектрической плате информационную замедляющую микрополосковую линию - ИЗМПЛ, отводы которой через соответствующие ключи, выполненные на СВЧ-диодах, соединены с соответствующими элементами выборки и хранения, соединенными через последовательно включенные расширители и многовходовой коммутатор с соответствующими входами многоразрядного аналого-цифрового преобразователя, управляющие входы ключей через элементы связи соединены с отводами подвешенной компланарной линии стробирующего сигнала - ПКЛСС, выполненной на той же диэлектрической плате, что ИЗМПЛ и расположенной параллельно оси ИЗМПЛ, отличающееся тем, что ИЗМПЛ и ПКЛСС выполнены с разных сторон диэлектрической платы, центральный проводник ПКЛСС, расположенный в зазоре экранных проводников, образует линию с волновым сопротивлением, равным требуемому для линии строб-сигнала, один из экранных проводников ПКЛСС является обратным проводником ИЗМПЛ, центральный проводник ПКЛСС отстоит от края ИЗМПЛ (с обратной стороны платы) на расстоянии, соизмеримом с установочными габаритами СВЧ-диодов ключей, а емкостная связь между ИЗМПЛ и ПКЛСС осуществляется емкостями, образованными центральным проводником ПКЛСС и контактными площадками, расположенными над ПКЛСС в плоскости ИЗМПЛ в местах, где в ИЗМПЛ включены СВЧ-диоды ключей, причем расстояние между центрами этих площадок определяет эффективный шаг дискретизации устройства.