Метрологическая служба ПриСТ предлагает:

Москва: +7 495 777-55-91
Санкт-Петербург: +7 812 677-75-08
Екатеринбург: +7 343 317-39-99

ИНФОРМАЦИЯ » Статьи, публикации, обзоры » Teledyne LeCroy WD-2000 – первый цифровой осциллограф реальн...

 
Teledyne LeCroy WD-2000 – первый цифровой осциллограф реального времени компании LeCroy

Автор / источник:

Уолтер ЛеКрой (Walter LeCroy)


Издавалась:


Цены / каталог / заказ:

Осциллографы LeCroy...


LeCroy WD-2000 – первый цифровой осциллограф реального времени компании LeCroy
 

LeCroy WD-2000 – первый цифровой осциллограф реального времени компании LeCroy

Вальтер ЛеКрой (Walter LeCroy)
пер. с англ. ООО "Лекрой Рус"

Компания LeCroy в 1971 году впервые представила дигитайзер WD2000 - устройство для оцифровки формы входного сигнала. За период производства WD2000 (около года) на рынке СИ мы продали около 20 единиц таких осциллографов. За исключением нескольких исследователей с экзотическими приложениями, например, для изучения  флуоресценции образцов лунного грунта под воздействием лазерного излучения, мировой рынок СИ имел слишком мало информации  об этом замечательном приборе, который возможно являлся первым в  мире  цифровым осциллографом реального времени. По сути WD2000 ещё не был осциллографом, предназначенным для сферы   общего назначения. На  тот момент  было несколько моделей быстрых аналоговых осциллографов, тем не менее,  дигитайзер WD2000 занял свою индивидуальную нишу.  Он имел длину записи во внутреннюю память, она была очень маленькой, - которая по сегодняшним меркам вызывает улыбку.

В те годы уже было выпущено  много  цифровых осциллографов, предназначенных  для измерения быстрых периодических сигналов (в виде повторяющихся высокочастотных сообщений). Эти, так называемые модели «эквивалентного времени» от компании Tektronix и Agilent (в то время Hewlett-Packard) обеспечивали сбор данных и прекрасно работали при исследовании периодических сигналов, но захват наносекундного однократного импульса  - это уже была совсем другая история и задачу. 

Сейчас я думаю о модели WD2000, как осциллографе характеризуемом числом 20.  Во-первых, он имел память глубиной 20 точек (выборок входного сигнала). Во-вторых, осциллограф  стоил около 20 тысяч долларов. И мы продали порядка 20 единиц. Главным достоинством и непревзойденной характеристикой было то, что  только этот осциллограф собирал 20 выборок сигнала с дискретом их следования 1 нс, - и было это  в 1971 году!  Другими словами, дискретизация в  1 ГГц  была нами достигнута в 1971 году. Осциллограф WD2000 мог обеспечить более высокое временное разрешение при анализе однократных сигналов, чем любой предыдущий прибор, цифровой или аналоговый.

На самых первых выставках, в которых был продемонстрирован  WD2000 мы показали выходные импульсы с выхода электронного фотоумножителя (ФЭУ) фирмы Amperex, представляющего собой фотоэлектронную  трубку с выходным усилителем. Эти импульсы имели время нарастания/фронт  ~ 2 нс и время спада/срез – порядка 10 нс.  До той поры, их никогда раньше не могли наблюдать индивидуально, даже те инженеры, которые их разработали, и те специалисты, кто выпускал данные фотоумножители. Мы пригласили несколько представителей с выставочного стенда компании Amperex, настроенных скептически и продемонстрировали им работу осциллографа. Они не могли поверить своим глазам, ибо то, что они увидели, повергло в шок -  «хвосты» импульсов не содержали гладкого распада. Вместо этого отображался послевыброс и колебание до установившегося значения, т.н. затухающий спад «Хвост дракона»/dragon-back. Как и  следовало ожидать, позже всё выяснилось. Это явление было связано с влиянием статистического набора поступающих электронов обусловленного эффектом очень большого усиления фотоумножителя. Наши друзья из Amperex отказывались верить, что их замечательные ФЭУ  выдавали такие «кривые» выходные импульсы.

Рисунок 7. Главное окно ПО «AWES»

Рисунок 1. Вид передней панели WD2000
(щелчок по изображениию - увеличение)

Обратите внимание, на кнопочный механический селектор выбора времени развертки, охватывающий время от 20 нс до 20 мс на деление, я не думаю, что верхние диапазоны часто использовались!

Для достижения быстродействия WD2000 мы использовали новый метод выборки, при котором отсчеты формы сигнала выбирались из значений тока вместо отсчетов напряжения. Выборки значений тока производятся в  режиме работы транзисторов – «с общей базой» (grounded-base mode), в котором обеспечивается их высокая скорость переключения, а значит и быстродействие. Этот метод выборки был прямым продолжением технологии наших ранних аналого-цифровых преобразователей (АЦП), сделанных в интересах исследований физики элементарных частиц*, которые требовались для выполнения  измерений общего заряда, содержащихся в отдельных фотоэлектронных импульсах.

* Прим.:  раздел  физики, часто называемый также физикой высоких энергий или субъядерной физикой.

В этих АЦП входной сигнал поступал на дифференциальный каскад, собранный по схеме с общим эмиттером, который функционировал как устройство управляющее током, направляющее сигнал к одному или нескольким выходам коллекторов. Когда транзистор дифференциальной пары находится в устойчивом открытом состоянии, то сигнал отсутствовал. Когда АЦП активировался, к базам транзисторов прикладывались различные логические уровни, которые направляли сигнал на противоположный транзистор, где он интегрировался на конденсаторе малой емкости в цепи коллектора в течении длительности импульса открывающего транзистор. Длительность импульсных сигналов, как правило, составляла от  нескольких наносекунд  до нескольких десятков наносекунд продолжительности.  Строб-импульсы сбора данных имели большую длительность. Для  устойчивого захвата импульсов она должна была быть достаточно долгой, чтобы их значения тока входного сигнала можно было проинтегрировать и измерить их полный заряд.

Когда мы начали искать пути для реализации высокоскоростной  выборки, мы обнаружили неожиданный потенциал этой старой схемы сбора данных под названием «интеграция в заданном интервале». Мы установили, что, если длительность ожидания (мертвое время) задана намного короче, чем длительность входного сигнала,  пример, - половину наносекунды (0,5 нс), то  схема функционирует как быстрый сборщик  данных (fast sampler). Для обеспечения постоянства интервала сбора данных  (что эквивалентно скважности импульса, запускающего процесс выборки),  единичные отсчеты-выборки с выхода схемы АЦП были точно пропорциональны амплитуде входного сигнала, что соблюдалось даже для довольно быстро изменяющихся сигналов. (Фактически выходная амплитуда выборок определялась законом изменения формы  sin (x) / x, где x = ωT, а T  -  это длительность строб-импульса дискретизации). Спад амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) входной схемы АЦП являлся почти плоским до тех пор, пока частота сигнала на входе  не начинала приближаться до значения  к 1/T (см. ниже рис. 2).  В  конечном итоге, именно эта простая схема с использованием выборок по току и легла в основу аппаратной реализации WD-2000.

Рисунок 2. Сравнение АЧХ

Рисунок 2. Сравнение АЧХ

Было проведено сравнение АЧХ аналого-цифрового конвертера (АЦП) по схеме с выборками по току  с традиционным методом выборки  по напряжению. Как оказалось  спад АЧХ  ниже уровня 3 дБ  схемы сбора данных с выборками по току  является менее плавным (менее пологим). Неизвестные ранее переходные волнообразные колебания формы АЧХ на более высоких частотах  изначально вызвали легкую озабоченность.

Рисунок 3. Осциллограмы импульсов (Кразв =20 нс/ длительность выборки =1 нс). Слева – импульсы с выхода ФЭУ, справа – короткий переходной импульс.

Рисунок 3. Осциллограмы импульсов (Кразв =20 нс/ длительность выборки =1 нс).
Слева – импульсы с выхода ФЭУ, справа – короткий переходной импульс.

Для иллюстрации на рис.3 приведены  два изображения импульсов  реального времени сверхмалой длительности (fast pulses) на экране осциллографа WD2000 (screen shots). Число полученных выборок (точек на экране) всего 20 – не так уж и много!  Сам экран осциллографа представлял собой 3-х дюймовую электростатическую отклоняющую систему на базе ЭЛТ/CRT (электронно-лучевая трубка).  По критерию пропорциональности  длины памяти геометрическим размерам экрана, больший размер дисплея вряд ли бы был целесообразен.

Рисунок 4. «Сердце» цифрового осциллографа WD2000 – плата сбора данных (АЦП)

Рисунок 4. «Сердце» цифрового осциллографа WD2000 – плата сбора данных (АЦП)

Основным  элементом  осциллографа WD2000 являлась материнская плата, по форме, размерам и внешнему виду  напоминающая пиццу (pizza board – фото.4). Входной сигнал поступал на коаксиальный вход передней панели при помощи кабеля с сопротивлением 50 Ом и далее подавался на  усилитель, расположенный  в центре платы. Каждый из 20-и каналов имел функцию выборки единичного отсчета и сохранения данных.  Каналы были расположены по радиальному принципу (как фрагменты пиццы), с точкой схождения опросных цепей в центральном усилителе, который обеспечивал последовательный сбор отсчетов (выборок). Такая геометрия была продиктована необходимостью монтажа с соблюдением максимально короткой длины соединительных проводов. Циркуляционные цепи и элементы платы выполнены с применением большого числа высокоскоростных транзисторов типа RCA. Базовым элементом является операционный усилитель DIP для стабилизации по постоянному току быстродействующего усилителя. Входной диод в тракте каждого их каналов (пошагово-опросный) был использован для создания перепадов в виде быстрых фронтов, которые затем  обрезаются при помощи 3-х дюймового КЗ-замыкателя для создания каждого импульса выборки.

Рисунок 5. Первый макет схемы сбора данных (плата «пицца») с завершенным монтажом только одного тракта (канала выборки).

Рисунок 5. Первый макет схемы сбора данных (плата «пицца»)
с завершенным монтажом только одного тракта (канала выборки).

Обратите внимание на «продвинутые» и модные в те времена разъемы типа GR (в правом нижнем углу на фото. 5), которые мы использовали для подведения сигнала к осциллографу. Мы предельно серьезно относились к обеспечению быстродействия и достижению максимальной скорости!

Рисунок 6. Группа инженеров разработчиков, на фоне первого прототипа WD2000 в местечке West Nyack, штат Нью-Йорк (снимок датирован 1970г.). На фото сверху-вниз (против часовой стрелки): Майк Гаш (Mike Gash), Джон Портер (John Porter), Дэйв Пакетт (Dave Puckett), Брайан Ямрон (Brian Yamrone), - который до сих пор работает в компании LeCroy! и Майк Бэдесем (Mike Bedesem).

Рисунок 6. Группа инженеров разработчиков, на фоне первого прототипа WD2000
в местечке West Nyack, штат Нью-Йорк (снимок датирован 1970г.).
На фото сверху-вниз (против часовой стрелки): Майк Гаш (Mike Gash),
Джон Портер (John Porter), Дэйв Пакетт (Dave Puckett),
Брайан Ямрон (Brian Yamrone), - который до сих пор работает в компании LeCroy ! 
и Майк Бэдесем (Mike Bedesem).

Отсутствие ошибок и опечаток не гарантируется. Технические характеристики средств измерений неутвержденного типа могут быть изменены без предупреждения.
На нашем сайте работает система коррекции ошибок Orphus. Обнаружив неточность в тексте, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter. Сообщение об ошибке будет получено администратором сайта. Спасибо за помощь!