устройство для регистрации импульсных электрических сигналов

Формула изобретения

Устройство для регистрации импульсных электрических сигналов, содержащее выполненную на диэлектрической плате с относительной диэлектрической проницаемостью 1 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 АЦП, управляющие входы ключей через элементы связи соединены с отводами микрополосковой линии строб-сигнала (МПЛСС), выполненной на диэлектрической плате с относительной диэлектрической проницаемостью 2, отличающееся тем, что ИЗМПЛ и МПЛСС выполнены на микрополосковых линиях (МПЛ), диэлектрические проницаемости плат которых связаны соотношением 1> 2, платы расположены одна над другой так, что стороны плат со сплошной металлизацией соединены друг с другом электрически и механически, а элементы связи выполнены в виде совмещенных прорезей в сплошной металлизации каждой из плат, причем в плате МПЛСС прорези сделаны непосредственно над линией строб-сигнала, а в плате ИЗМПЛ прорези расположены под соответствующим рядом контактных площадок, отстоящих от ИЗМПЛ на расстояние Y, определяемое только установочными размерами ключей.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники.

Измерение формы однократных импульсных сигналов нано- и субнаносекундной длительности может производиться как традиционными методами (например, 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 простыми. В них в 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 [3, 4].

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, в качестве которых использованы высокоскоростные диоды Шотки, 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.

Наиболее близким техническим решением к данному предложению является устройство для регистрации импульсных электрических сигналов [3], содержащее выполненную на диэлектрической плате меандровую 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 АЦП, управляющие входы ключей через элементы связи соединены с отводами прямой МПЛ строб сигнала (МПЛСС), выполненной на диэлектрической плате и расположенной параллельно оси ИЗМПЛ.

Недостатком устройства [3] является наличие меандровой линии, которая ограничивает полосу пропускания устройства и расположение ИЗМПЛ и МПЛСС в одной плоскости, что увеличивает паразитную связь между линиями, ухудшает качество выборок сигнала, приводит к необходимости установки дополнительных элементов связи (например, конденсаторов). Кроме того, имеются конструктивные проблемы размещения ряда элементов в минимальном зазоре между линиями.

Техническим результатом данного изобретения является расширение полосы пропускания, повышение частоты дискретизации устройства, повышение технологичности конструкции.

Технический результат в устройстве для регистрации импульсных электрических сигналов, содержащем выполненную на диэлектрической плате с относительной диэлектрической проницаемостью 1 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 МПЛСС, выполненной на диэлектрической плате с относительной диэлектрической проницаемостью 2, достигается тем, что ИЗМПЛ и МПЛСС выполнены на прямолинейных или кольцевых МПЛ, диэлектрические проницаемости плат которых связаны соотношением 1> 2, платы которых расположены в разных плоскостях (одна над другой), так, что стороны плат со сплошной металлизацией соединены друг с другом электрически и механически, а элементы связи выполнены в виде совмещенных прорезей в обратной металлизации каждой из плат диаметром dсв, 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 Y, определяемое установочным размером ключевых элементов (например, быстродействующих смесительных диодов).

Существо изобретения заключается в замедлении распространения регистрируемого сигнала по сравнению со строб-сигналом, что достигается благодаря различному значению диэлектрической проницаемости плат, а также в разнесении в пространстве линий распространения регистрируемого и строб-сигнала, что позволяет снизить до минимума паразитные индуктивности. Кроме того, предлагаемая конструкция обеспечивает возможность наращивания слоев, дает принципиальную возможность увеличения числа выборок и удлинения временной оси.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1.

На фиг.2 (а, б) представлено взаимное расположение линии (для случая линий кольцевой формы) и фрагмент поперечного разреза в месте расположения одной из кольцевых выборок обратной металлизации. Позиционные обозначения элементов на фиг.1,2 совпадают. Обозначения размеров с индексом 1 соответствуют ИЗМПЛ, размеры с индексом 2 соответствуют МПЛСС.

Устройство содержит (нумерация сквозная по фиг.1 и фиг.2 (а, б)): ИЗМПЛ 1, выполненную, например, на плате из высокочастотного (ВЧ) диэлектрика типа ФЛАН16 ( 1=16), замедляющую микрополосковую линию 2 строб-сигнала, выполненную на плате, например, из фторопласта армированного фольгированного, имеющего диэлектрическую проницаемость 2=2,6, ключи 3, элементы выборки и хранения 4, расширители импульсов 5, многовходовый коммутатор 6, многоразрядный АЦП 7. На чертеже представлены также элементы, не участвующие в формуле изобретения, например, согласованные нагрузки 8, 9 ИЗМПЛ и МПЛСС, выполненные в виде резисторов, входные разъемы 10, 11 этих линий, паразитные индуктивные элементы Lп. Элементами связи между МПЛСС 2 и контактными площадками 12 ключевых элементов являются выполненные в обратной металлизации 13 кольцевые прорези 14 плат 15 и 16 соответственно ИЗМПЛ 1 и МПЛСС 2, через которые образуется связь МПЛСС 2 и площадок 12 с эквивалентной емкостью Ссв. Ключи 3 могут быть выполнены на 2-х встречно включенных диодах, например высокоскоростных диодах Шотки типа HSCH 5314 производства фирмы Hewlett -Packard. Точка соединения диодов на соответствующей контактной площадке 12 является управляющим входом ключа и через паразитные индуктивные элементы Lп и эквивалентную емкость Ссв связи соединена с замедляющей МПЛСС. Выходная контактная площадка 17 каждого ключа выполняет функцию накопительной емкости Сн за счет емкости площадки на слой обратной металлизации.

ИЗМПЛ и МПЛСС могут иметь одинаковое или различное значение волнового сопротивления. Точное значение ширины полосков W каждой из линий определяется исходя из заданного волнового сопротивления Z₀ и толщины платы Н: W=f(H, Z₀, , t), где t - толщина слоя металлизации, - диэлектрическая проницаемость по приведенным, например, в [5] графикам.

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

1 и 2 - относительные диэлектрические проницаемости ИЗМПЛ и МПЛСС;

w1 и w2 - ширина полосков плат ИЗМПЛ и МПЛСС;

t1 и t2 - толщина соответствующих полосков;

h1 и h2 - толщина диэлектрика плат ИЗМПЛ и МПЛСС;

dсв - диаметр кольцевых прорезей в обратной металлизации плат;

d - размер контактных площадок (12) ключевых элементов (3);

Y - размер зазора для установки ключевых элементов (3);

L - линейное расстояние между точками взятия выборок по ИЗМПЛ.

Элементы выборки и хранения 4 состоят из последовательно соединенных накопительного конденсатора Сн и резистора развязки Rp, точка соединения которых связана с ключом; второй конец резистора Rp через соответствующий расширитель 5 и общий многовходовый коммутатор 6 подключен к многоразрядному АЦП 7, оцифровывающему расширенный во времени эквивалент каждой выборки. В качестве накопительных конденсаторов элементов выборки и хранения дополнительно к емкости площадки могут быть использованы ЧИП накопительные конденсаторы небольшой емкости. В качестве расширителей могут быть использованы зарядовые усилители на стандартных ОУ, например на счетверенных ОУ АД 824 фирмы Analog Devices.

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 информационную замедляющую микрополосковую линию 1 и распространяется по ней. В тот момент, когда фронт сигнала почти дошел до конца линии 1, на вход микрополосковой линии 2 строб-сигнала поступает строб-сигнал, задержанный относительно регистрируемого, и распространяется, "догоняя" фронт регистрируемого сигнала. Строб-сигнал имеет вид треугольного импульса с шириной на полувысоте порядка 100 пс. Проходя через элементы связи 14 на ключи 3, строб-сигнал открывает их на небольшое время и дает возможность каждой выборке регистрируемого сигнала через открытые ключи 3 зарядить накопительный конденсатор Сн элемента выборки и хранения 4. Эти импульсные выборки через резисторы развязки Rp элементов выборки и хранения 4 поступают на входы расширителей 5, после чего расширенные до единиц микросекунд сигналы выборок, амплитуда которых пропорциональна амплитуде выборок из входного 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: Tэф= Т₁- Т₂, где

T₁ - время прохождения участка L регистрируемым сигналом;

Т₂ - время прохождения участка L строб-сигналом.

Рассчитаем основные параметры системы из двух МПЛ (МПЛСС и ИЗМПЛ), выполненных на высокочастотных диэлектриках с различными диэлектрическими проницаемостями 1 и 2. Пусть L линейное расстояние между соседними выводами для считывания сигнала. Тогда эффективный шаг дискретизации Тэф, вычисленный как разница времен прохождения сигналами участка L по двум параллельным линиям, составит:

В формулах (1, 2) под 1 и 2 подразумеваются эффективные относительные диэлектрические проницаемости, вычисляемые, например, по формулам из [5].

Как правило, в ТЗ на разработку обычно задаются Тэф и длительность цифровой развертки - Тцр, поэтому расстояние L определяется из формулы (1). При этом полная длина линий сигнала и строб-сигнала L, в отличие от системы с меандровой линией, одинакова и равна:

В то же время для системы с меандром длина меандровой линии сигнала будет в Nz раз больше длины линии строб-сигнала, причем коэффициент Nz равен коэффициенту замедления ИЗМПЛ: Nz=Тсиг/Тстр, где Тсиг и Тстр - время распространения по линиям сигнала и строба между точками взятия выборок. Это в свою очередь, обусловит рост потерь на затухание в проводниках Ап в Nz раз, которые для полосковой линии оцениваются по формуле, приведенной в [5]: где w - ширина проводника и L - длина линии выражены в одних единицах длины, Z - волновое сопротивление МПЛ, Ом. С ростом потерь, при увеличении длины линии снижается полоса пропускания линии исследуемого сигнала, ограничивая временное разрешение, что характерно для прототипа. Из формулы (3), подставляя в нее Ап=3 дБ (затухание на частоте, равной граничной Fгр), и длины ИЗМПЛ для предлагаемого устройства и прототипа, получаем:

Таким образом, в предлагаемом устройстве достигается расширение полосы пропускания не менее чем в Nz² раз при условии, что основным фактором потерь в ИЗМПЛ являются потери на затухание. Пространственное разнесение в разные слои линий сигнала и строба снимает ограничения по зазору между МПЛСС и ИЗМПЛ, присущие прототипу. Это, в свою очередь, позволяет снизить до возможного минимума (десятые доли нГн) значения паразитных индуктивностей в цепях прохождения выборки сигнала от ИЗМПЛ до расширителей. При этом появляется возможность повысить частоту дискретизации не менее чем до 10 ГГц (путем снижения расстояния между точками выборок регистрируемого сигнала) и тем самым регистрировать импульсные сигналы с короткими фронтами (порядка 100 пс).

Изготовление микрополосковой линии распространения регистрируемого сигнала существенно проще, чем изготовление меандровой линии, что обеспечивает улучшение технологичности изготовления устройства.

Кроме того, предлагаемая конструкция имеет следующие достоинства:

- Предлагаемое устройство может быть выполнено на кольцевой конфигурации ИЗМПЛ и МПЛСС, что снижает габариты устройства и позволяет не применять редкие СВЧ диэлектрики с высоким значением диэлектрической проницаемости. Например, в качестве материала для ИЗМПЛ можно использовать серийный СВЧ диэлектрик ФЛАН-16 ( =16), a в качестве материала для МПЛСС СВЧ диэлектрик ФАФ ( =2,6).

- Патентуемая конструкция связи МПЛСС и ИЗМПЛ позволяет минимизировать влияние линий друг на друга, а следовательно, повысить качество считанного сигнала, снизить искажения строб-сигнала и исследуемого сигнала при распространении.

- Конструкция предлагаемого устройства позволяет наращиванием слоев расширить временную ось путем увеличения числа точек считанного сигнала (при сохранении высокой частоты дискретизации). Длительность временной оси: Твр=Тцр·k, где k - число слоев, каждый из которых имеет длительность цифровой разверки Тцр.

Таким образом, предлагаемое устройство, обладая достоинствами прототипа, имеет по сравнению с ним преимущества, заключающиеся в расширении полосы пропускания, как минимум, в 2 раза, повышении частоты дискретизации, улучшении технологичности изготовления устройства.

ЛИТЕРАТУРА

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

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

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 Н 03 К 5/125, НКИ 327/92.

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