Сверхскоростные (4–100 ГГц) осциллографические системы Teledyne LeCroy класса Hi-End

Многие электронные процессы протекают с временами их развития до 1 нс (10^–9 с). Для их наблюдения вполне достаточно осциллографов с полосой частот до 1 ГГц, например, таких приборов, как недавно появившиеся 12‑разрядные осциллографы высокой четкости [1, 2], чьи возможности увеличиваются с помощью систем компьютерной математики [3]. Однако уже давно ученые и инженеры, работающие в области сверхскоростной электроники, ощущают острую потребность в осциллографах сверхвысокого быстродействия с полосой частот исследуемых сигналов до 100 ГГц [4].

Осциллографы LeCroy WaveMaster 8Zi-A, WaveMaster 8Zi-B с полосой 4–30 ГГц

Серия осциллографов LeCroy WaveMaster 8Zi-A, WaveMaster 8Zi-B с открытой архитектурой — это сверхскоростные осциллографы и анализаторы (рис. 1) последовательных данных [5]. Столь мощные представители осциллографической техники имеют полосу частот до 30 ГГц в реальном масштабе времени.

Рис. 1. Осциллограф WaveMaster/SDA 8Zi-A

Рабочее место с прибором серии WM/SDA 8Zi-A представлено на рис. 2. Это типичные стационарные лабораторные устройства, вес которых достигает 23,4–26,4 кг. Все приборы 4‑канальные, их классификационные характеристики приведены в таблице 1.

Рис. 2. Рабочее место с анализатором последовательных данных SDA 8Zi-A

Примечание. * — опциональное увеличение параметров

Основные свойства осциллографов серии WM (SDA) 8Zi-A:

• Широчайший набор мощных инструментов — измерений и математики — представлен на передней панели.
• Потоковая архитектура X‑Stream II с пропускной способностью в 10–20 раз выше, чем у других осциллографов.
• Максимальная частота дискретизации 40 ГГц (80 ГГц при объединении каналов попарно).
• Режим TriggerScan обнаруживает и захватывает большее множество аномалий за единицу времени, чем у более младших серий приборов.
• Исключительная гибкость по дальнейшему наращиванию функциональных возможностей, в том числе до максимальной осциллографической памяти 256 Мбайт.
• Скорость передачи данных от осциллографа к компьютеру: до 500 Мбайт/с.
• 750 000 измерений/с при оптимальных настройках для корректного отображения сигнала.
• 39‑см широкоформатный (16×10) WXGA цветной сенсорный экран высокого разрешения.
• Синхронизация и декодирование 37 послед. протоколов передачи данных.
• Запуск по высокоскоростным послед. протоколам: до 14,1 Гбит/c, 80 бит, NRZ, 8b/10b, 64b/66b (WM опция/SDA станд.).
• Демодуляция оптических и анализ PAM4‑сигналов (опция).
• Режим WaveScan для быстрого и простого поиска и анализа аномальных событий в длинных сигналах.
• Входы 50 Ом и 1 МОм во всех моделях для большего удобства в работе.
• Интерфейсы ProBus и ProLink для подключения всех существующих и планируемых к разработке пробников LeCroy.
• Габариты прибора: 355×467×406 мм.
• Масса 23,4 (804 Zi-A…820 Zi-A), 26,4 кг (825 Zi-A, 830 Zi-A).
• Опция осциллографа смешанных сигналов для анализа логических состояний.

Осциллографы WM 8Zi-А оснащены съемной панелью которая может через USB-кабель удаленно подключаться к осциллографическому блоку. Это позволяет разместить панель управления рядом с тестируемым устройством и не отвлекаться на настройку удаленного осциллографического блока. Панель управления тщательно оптимизирована по числу органов управления, что позволило уменьшить ее размеры (рис. 3). Следует отметить, что она несколько отличается он несменяемой панели управления осциллографов HDO4000/6000 [1, 2].

Рис. 3. Съемная панель управления

В осциллографах серии 8Zi-A (и в старших сериях 9/10Zi-A) использован патентованный метод DBI (Digital Bandwidth Interleave) частотно-чередуемого объединения отдельных полос (рис. 4). При нем полоса аналоговых сигналов разделяется напополам: одна половина подвергается дискретизации прямо, а вторая — преобразуется супергетеродинным методом в более высокие частоты и затем также подвергается дискретизации. С помощью цифровой обработки сигнала формируется единая широкая полоса пропускания ЦЗО.

Рис. 4. Реализация принципа расширения полосы частот вдвое

Простой по идее метод DBI усложняется очень большой полосой пропускания и очень высокой частотой гетеродинов. Для реализации данного метода потребовалось потратить много времени и усилий и применить сверхскоростные интегральные микросхемы на гетеропереходных SiGe-структурах (рис. 5). Технология сверхскоростных микросхем на SiGe-гетеропереходах, созданная в сотрудничестве с корпорацией IBM, обеспечивает не только широкую полосу частот, но и малый уровень шумов.

Рис. 5. Блок-схема сверхскоростного тракта входного сигнала

Расширение полосы исследуемых частот до значений выше 4 ГГц потребовало применения иных, чем популярные BNC, коаксиальных разъемов меньшего размера. Конструктивная организация аппаратных интерфейсов входов с различными коаксиальными разъемами показана на рис. 6.

Рис. 6. Конструктивная организация входов с различными коаксиальными разъемами

Модуль наиболее высокочастотного сверхширокополосного осциллографа показан на рис. 7.

Рис. 7. Модуль сверхширокополосного интерфейса

Он рассчитан на полосу частот до 45 ГГц и имеет коаксиальный разъем диаметром 2,4 мм. Осциллографы автоматически распознают, какой из модулей используется, и выводят окно с указанием об этом (рис. 8).

Рис. 8. Окно включения сверхширокополосного интерфейса

Наиболее широкополосным (полоса частот до 45 ГГц) в серии 8Zi-A был анализатор последовательных данных SDA 845Zi-A. Блок-схема его сверхширокополосного тракта входного сигнала с разделением полосы на три части показана на рис. 9. В настоящее время эта модель не выпускается, поскольку осциллографы с полосой частот выше 30 ГГц входят в серию 10Zi-A. Но Teledyne LeCroy предлагает пользователям расширить при необходимости полосу частот уже имеющихся осциллографов до 45 ГГц. Это обойдется намного дешевле, чем приобретение нового более скоростного осциллографа.

Рис. 9. Блок-схема сверхширокополосного тракта входного сигнала с разделением полосы на три части

Осциллографические системы LeCroy WaveMaster 9Zi-A с полосой 13–45 ГГц

Серия LabMaster 9Zi-A — это модульные сверхскоростные осциллографы с полосой частот 13–45 ГГц [6]. Типичный вид системы с двумя входными модулями показан на рис. 10. Классификационные характеристики систем приведены в таблице 2. Указаны значения объема памяти стандартной/расширенной опционально конфигурации и частоты дискретизации для каждого канала и при объединении каналов.

Рис. 10. Модульный осциллограф серии MasterWave 9Zi-A

Примечание. * — опциональное увеличение параметров

Основные характеристики систем LabMaster 9Zi-A:

• Стандартные полосы пропускания: 13, 16, 20, 303, 45 ГГц.
• Многоканальные измерения в СВЧ-диапа-зоне: до 20 каналов в полосе пропускания 45 ГГц, до 40 каналов в полосе пропускания 30 ГГц, до 80 каналов в полосе пропускания до 20 ГГц.
• Частота дискретизации: до 80 ГГц в полосе пропускания 30 ГГц, до 40 ГГц в полосе пропускания до 20 ГГц (опция 80 ГГц).
• Максимальный объем памяти на канал: 512 Мбайт в полосе пропускания 30 ГГц, 256 Мбайт в полосе пропускания до 20 ГГц.
• Настраиваемая конфигурация «один управляющий и несколько управляемых модулей сбора данных» для обеспечения многоканальности осциллографической системы.
• Единая архитектура построения обеспечивает возможность микширования полос пропускания (13–45 ГГц) в пределах одной осциллографической системы.
• Технология канальной синхронизации ChannelSync обеспечивает прецизионную синхронизацию процессов в многоканальной осциллографической системе.
• Режим программного увеличения разрядности ERES с 8 до 11 бит.
• Мощный встроенный компьютер в сочетании с технологией потоковой обработки данных X‑Stream II обеспечивает ускоренную обработку больших объемов данных в многоканальной системе.
• Ультранизкий уровень фазового шума и высокая временная стабильность.

LabMaster 9Zi-A использует многоядерный процессор серверного типа (ЦПУ содержит два 6‑ядерных процессора, быстродействие 33,6 ГГц, ОЗУ 24 Гбайт, опция до 192 Гбайт). Сочетание технологии X‑Stream II и обработки сигналов многоядерным процессором обеспечивает эффективный сбор данных и мощные ресурсы для анализа множества сигналов. LabMaster 9Zi-A использует единый источник тактовой частоты 10 ГГц для поддержания высокоточной временной синхронизации по всем каналам осциллографической системы. Межканальный джиттер не превышает 325 фс.

На рис. 11 показана организация многомодульной системы на базе осциллографа LabMaster 9Zi-A. Многоканальные системы обычно монтируются на тележке (рис. 12), что позволяет создавать легко перемещаемые в пределах лаборатории или цеха мобильные рабочие места (без лестничных проходов).

Рис. 11. Организация многомодульной системы на базе осциллографа MasterWave 9Zi-A

Рис. 12. 16 канальная осциллографическая система на базе осциллографа MasterWave 9Zi-A

Осциллографические системы LeCroy WaveMaster 10Zi-A с полосой 20–100 ГГц

Наиболее высокочастотной осциллографической системой реального времени в мире является система LabMaster 10Zi-A (рис. 13) с управляющим осциллографическим модулем MCM Zi [7]. Ее модули входных сигналов, с полосой частот от 25 до рекордной 100 ГГц, выполнены на сверхскоростных микросхемах с SiGe-технологией и высокой степенью интеграции (рис. 14). В таблице 3 даны классификационные параметры осциллографических систем LabMaster 10Zi-A.

Рис. 13. Базовый вариант многомодульного сверхскоростного осциллографа WaveMaster 10Zi

Рис. 14. Модуль входных сигналов на сверхскоростных микросхемах с SiGe-технологией

Примечание. * — опциональное увеличение параметров

Основные характеристики осциллографических систем LabMaster 10Zi:

• Многоканальный вариант исполнения: до 20 каналов с полосой пропускания 100 ГГц, до 40 каналов с полосой пропускания 50, 59 или 65 ГГц, до 80 каналов с полосой пропускания до 36 ГГц.
• Максимальная частота дискретизации 240 Гвыб/с.
• Объем памяти 32 Мбайт на канал (опционально — максимально до 1536 Мбайт в зависимости от полосы пропускания (табл. 3)).
• Возможность модернизации полос пропускания.
• Многоядерный процессор серверного типа в сочетании с потоковой архитектурой X‑Stream II.
• Ультранизкий уровень фазового шума (100 фс с. к. з.).
• Высокая временная стабильность.

Управляющий осциллографический модуль LabMaster MCM-Zi дает возможность подключения до 20 модулей сбора информации (до 80 каналов в зависимости от выбранной конфигурации), обеспечивает синхронизацию по фронту, по параметрам окна, по глитчу, по ранту, по интервалам, по скорости нарастания, по подтвержденному первому, по качеству, каскадную, по последовательному протоколу 14,1 Гбит/с (опция), по длительности импульса, отложенную, по логической последовательности, по результатам измерения. Масса прибора составляет 21,4 кг, размеры — 277×462×396 мм.

Высокочастотные модули сбора информации позволяют наращивать число каналов. Например, модуль LabMaster 10-65Zi имеет 2 канала с полосой пропускания 65 ГГц или 4 канала с полосой пропускания 36 ГГц, максимальная частота дискретизации 160 ГГц на полосе >36 ГГц и 80 ГГц на полосе <36 ГГц, память 32 Мбайт на канал (опции 64, 128, 256, 512 и 1024 Мбайт), время нарастания 5,2 пс, масса 26,4 кг, размеры 202×462×660 мм.

Системы 10Zi-A обычно монтируются в стойку на тележке, образуя подвижное рабочее место (рис. 15). Осциллографы и системы реального времени LabMaster 10Zi успешно преодолели барьер по времени нарастания в 10 пс. Они предназначены для исследования и тестирования сверхбыстродействующих электронных и оптико-электронных систем и устройств, таких как крупные системы световолоконной, кабельной и сотовой связи, спутниковые и лазерные системы [3]. В осциллографических системах для обработки сигналов могут использоваться современные системы компьютерной математики, например матричные системы MATLAB [4].

Рис. 15. Многомодульная осциллографическая система WaveMaster 10Zi для исследования и тестирования световолоконных линий связи

На рис. 16 показано окно спектрального анализа с применением опции Spectrum осциллографа LM Z10i-A. Следует отметить полную идентичность пользовательского интерфейса этого и описанных выше приборов интерфейсу пользователя осциллографов высокой четкости HDO4000/6000 [1, 2]. Последние могут использоваться для обработки данных от старших версий осциллографов и обучения персонала, работающего с дорогостоящими осциллографическими системами.

Рис. 16. Пример анализа спектра (опция Spectrum) с помощью осциллографа WaveMaster 10Zi

Cтробоскопические осциллографы LeCroy WaveExpert 100H

Наивысшие частотно-временные характеристики в настоящее время имеют стробоскопические осциллографы, например последние LeCroy WaveExpert 100H с максимальной полосой исследуемых сигналов 100 ГГц [8] (рис. 17). Но это приборы более узкого назначения, чем осциллографы реального масштаба времени. Вот уже свыше пяти лет полоса частот в серийных стробоскопических осциллографах остается непревзойденной и надежды на ее увеличение связаны с применением электронно-оптических методов.

Рис. 17. Стробоскопический 100 ГГц осциллограф WaveExpert 100H

Краткие характеристики модели WaveExpert 100H:

• Базовый блок (WE 100H) со сменными стробоскопическими модулями с полосами пропускания: 20, 30, 50, 70, 100 ГГц (электрические) — рис. 18.
  
  

  Рис. 18. Cменные модули с полосами пропускания: 20, 30, 50, 70, 100 ГГц (электрические)

• Когерентная развертка для наблюдения сигналов последовательной передачи данных (опции CIS, HCIS).
• Частота следования стробимпульсов: 1 МГц для последовательной развертки и 10 МГц для когерентной.
• Объем памяти: 100 кбайт для последовательной развертки, 64 Мбайт — для когерентной развертки (опция до 512 Мбайт).
• Программный пакет для измерения параметров сигналов последовательной передачи данных (опция WE-SDA).
• Вход внешней синхронизации 0–5 ГГц, предварительный делитель частоты до 14 ГГц, выносной внешний синхронизатор до 40 ГГц (опция TPS).
• Построение глазковых диаграмм, поиск ошибок, измерение джиттера, расчет коэффициента ошибок для потоков со скоростями до 40 Гбит/с.
• Опции виртуального пробника и эмуляции глазковой диаграммы приемника.
• Цветной сенсорный ЖКИ (диагональ 26 см), «открытая» платформа.

На рис. 19 представлена осциллограмма ультракороткого импульса с длительностью около 5 пс на уровне 0,5 амплитуды. Импульс не только хорошо фиксируется, но и дает четкую и стабильную осциллограмму. Показана также четкая линия спектра этого импульса, полученная методом БПФ.

Рис. 19. Осциллограмма сверхкороткого импульса (5 пс на уровне половины амплитуды) и его спектр, вычисленный с помощью БПФ

Стробоскопические осциллографы требуют для получения одной осциллограммы множества повторяющихся сигналов, от которых берутся выборки (по одной на каждый кадр сигнала) с разными временными задержками относительно начала синхронизации. Поэтому в принципе они не пригодны для наблюдения однократных импульсов. Этот недостаток не следует переоценивать, так как практически всегда короткие импульсы повторяются, если не все время, то в пачке. Интерфейс пользователя и правила работы с осциллографом WaveExpert 100H очень похожи на правила, применяемые в осциллографах реального времени (рис. 20).

Рис. 20. Экран стробоскопического осциллографа при исследовании джиттера сигнала данных сверхскоростной последовательной линии с построенной глазковой диаграммой

Более подробную информацию о сверхскоростных осциллографических системах, описанных выше, можно найти на сайтах корпорации Teledyne LeCroy, ее российского отделения и ОАО «Прист». Автор благодарит их за предоставленную информацию по описанным приборам и системам.

Заключение

Осциллографы, и особенно многоканальные осциллографические системы с полосой от десятков до 100 ГГц, определяют предельные уровни развития современной электроники. Пока такие средства доступны лишь отдельным крупным организациям. Осциллографы и системы фирмы Teledyne LeCroy завоевали лидирующее положение в разработке сверхскоростных приборов, которые используются при создании новейших технологий и их компонентов СВЧ- и оптического диапазонов длин волн [3].