Стробоскопическая приставка к осциллографу с полосой пропускания 1 ГГц.

Этот подключаемый модуль стробоскопического осциллографа может значительно расширить полосу отображаемых частот простого 10-мегагерцового осциллографа для повторяющихся сигналов (Рисунок 1). Используя 5-килоомный потенциометр и собственные регулировки осциллографа, скорость развертки можно менять от 1 нс/дел до 50 нс/дел. Для более медленных разверток модуль должен быть просто обойден, и осциллограф должен использоваться «как есть». Добавив плату цифрового запоминающего осциллографа и компьютер, устройство можно превратить в цифровой стробоскопический осциллограф. Несложно реализовать и другие модификации, такие как использование строба в качестве генератора с переменной задержкой. Также легко реализуется режим «синхроскопа» с компонентами внешнего запуска, установленными внутри линии задержки.

Входной сигнал VIN поступает через помещенный в отдельный корпус амплитудно-фазовый корректор, представляющий собой аттенюатор 4.6 дБ, компенсирующий полюса передаточной функции нулями [1]. По сути, конденсатор емкостью 40 пФ отводит быстрые изменения сигнала в 40-наносекундную линию задержки на кабеле RG58A/U мимо индуктивной ветви Т-образного фильтра. Как было проверено при использовании этой приставки в качестве импульсного рефлектометра, входные сопротивления двух основных портов равны 50 Ом в полосе до 1 ГГц. Частотно-зависимые потери в кабеле задержки достаточно хорошо компенсируются, что подтверждается осциллограммой A на Рисунке 2, на которой показан отклик на скачок входного напряжения, созданный с помощью герконового реле. При использовании обычного аттенюатора 4.6 дБ фронты получаются заваленными (Рисунок 2, осциллограмма B).

Хотя импульс запуска развертки извлекается индуктивной ветвью из входного сигнала, при необходимости можно подключить внешние запускающие сигналы. Эти сигналы также можно наблюдать, направив их в приставку через линию задержки. Для каждого входного импульса левый по схеме компаратор MAX961 запускает регулируемый формирователь быстрого пилообразного сигнала, включая два транзистора MPSH10 с ограничителями на диодах Шоттки. В это же время 4-вольтовый перепад на его комплементарном выходе быстро включает собственную внутреннюю защелку (вход LE), блокируя дальнейшие изменения выходного сигнала. Этот стробируемый компаратор позволяет коммутируемому источнику тока на транзисторах MPSH81 линейно и непрерывно заряжать конденсатор 82 пФ от –2 В до 2 В. Через 500 нс резистор разряжает конденсатор 1 нФ до 0 В, тем самым восстанавливая работу компаратора и повторно активируя цепь формирования пилообразного напряжения. На неинвертирующий вход компаратора строба MAX961 подается либо медленно нарастающее напряжение с выхода генератора развертки осциллографа (T), либо устанавливаемое вручную с помощью 250-омного потенциометра постоянное напряжение для режима X-Y. Это напряжение изменяется в том же диапазоне от –2 В до 2 В, который используется для сигнала горизонтального отклонения. Каждый раз, когда быстрый пилообразный сигнал пересекает это напряжение, уровень выходного напряжения компаратора меняется с 2 В на –2 В. Одновременно его комплементарный выход переключается с –2 В на 2 В. Время перехода обоих выходов из одного состояния в другое, согласно данным из технического описания микросхемы, составляет 2.3 нс. Они также симметрично управляют включенными последовательно ведущим и ведомым УВХ (устройство выборки и хранения) на диодных мостах, которые последовательно выбирают прошедший через кабель задержки входной сигнал VIN. Фактическое событие выборки происходит при переходе от слежения к удержанию. На это уходит нескольких сотен пикосекунд, в течение которых сопротивление ведущего моста на диодах Шоттки переключается с низкого на высокое. Это переключение происходит в пределах небольшой средней части приложенной 8-вольтовой ступеньки. Следовательно, время его переключения должно составлять лишь небольшую часть времени переключения компаратора строба. Защелкой компаратора строба управляет RC-цепь задержки. Пока ведомое УВХ находится в режиме слежения, эта защелка в течение 650 нс блокирует ведущее УВХ в состоянии удержания. В течение этого периода 650 нс ведущий биполярно-полевой усилитель (половина микросхемы TL082) может буферизовать выборку импульса на собственной входной емкости порядка 15 пФ. Это напряжение является уменьшенной копией выбранного напряжения, поступающего на емкостной делитель 1 мкФ/15 пФ. Параллельно емкостному делителю подключен резистивный делитель 15 МОм/1 МОм, который вместе с емкостным делителем образует законченный широкополосный частотно-корректированный аттенюатор. Поэтому ведущий мост оказывается нагруженным лишь небольшую входную емкость около 1 пФ. Поскольку сопротивление включенного моста составляет порядка 100 Ом, постоянная времени RC-цепи равна примерно 100 пс. Постоянно буферизуя запоминающий конденсатор 1 нФ, биполярно-полевой усилитель ведомого УВХ (вторая половина микросхемы TL082) формирует ступенчатое низкочастотное представление входного сигнала VIN. Для режима осциллографа это происходит на низкой промежуточной частоте, а для режима X-Y – на нулевой. Коммутационные помехи устраняются с помощью регулируемого фильтра нижних частот (ФНЧ). Усредняя выходной сигнал по любому желаемому количеству входных импульсов, это устройство значительно снижает уровень шума. Полоса пропускания этой стробоскопической приставки превышает 1 ГГц. Время ее установления составляет примерно 300 пс, что вместе с временем нарастания сигнала в герконовом реле порядка 250 пс дает измеренную на экране длительность переходного процесса 400 пс (еще раз возвращаемся к осциллограмме A на Рисунке 2). Осциллограмма C иллюстрируют калибровку временной шкалы и линейность вертикальной шкалы на примере 100-мегагерцовой синусоиды с постоянной составляющей. Для этого высокочастотного измерения использовался делитель частоты, включенный перед компаратором запуска и выборки [2]. Для отображения более высоких частот с помощью этой приставки делителю должен предшествовать прескалер, такой, например, как схема на элементах эмиттерно связанной логики, описанная в [3]. Дополнительные эксперименты подтвердили, что количество синхронизированных каналов можно довольно легко увеличить, используя стробируемый компаратор в качестве разветвителя, управляющего двумя или более аналогичными компараторами. Через отдельные линии задержки каждый из этих компараторов управляет отдельными УВХ для выборки нескольких входных сигналов.