示波器与嵌入式系统的技术发展

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 混合示波器自身研发篇

  随着单片机、可编程器件的普及,嵌入式系统的应用几乎随处可见,从应用的角度看,大致可以分为五大领域,包括数据通信、生物电子、绿色科技、汽车电子和3C电子,在大陆和台湾,这些领域甚至被认为是新的“蓝海策略”,隐藏着各种商机,尤其是绿色科技是政府和风险投资公司十分关注的对象;从技术的角度看,多功能、低功耗、微型化、网络化领导着新的趋势,iPAD以及苹果公司推出众多i系列产品基本上都和这些趋势相吻合,只不过,其在用户体验方面比业界其它同行下了更大功夫,让其脱颖而出,并制造一个又一个神话。

  安捷伦科技既是嵌入式系统技术发展的推动者,也是嵌入式系统技术的应用者,这两个方面相互促进、共同发展,以可编程器件FPGA为例,安捷伦科技提供的Xilinx FPGA内部节点动态切换测试方案是自己在使用FPGA中悟出来,先是供内部使用,后提供给Xilinx使用,双方共享一些IP,最终推出供业界使用的测试方案; 不是简单集成来自第三方的软件到自己的混合信号示波器平台,而是将多年的心得和积累转化成测试方案,并通过混合信号示波器平台提供给业界。

  在设计一个嵌入式产品的时候,研发团队面临诸多选择,示波器的研发亦是如此,通常在初期,可能会用商业分立器件搭出来,包括模数转换器,前置放大器,存储器等都购买现成的,如果要让性能再好一点,可以使用可编程器件FPGA,这样做的好处是研发成本相对较低,缺点是容易被人复制,甚至引发知识产权的官司,设计的架构本身就决定了被别人复制的难易程度。

我们来看看国外的设计,以带宽在60MHz至1GHz范围之内的便携式混合信号示波器设计为例,安捷伦科技(当年叫惠普)在1994至1996年间推出第一代混合信号示波器,历经超过十年的时间没有第二家推出类似的产品,十多年后,另一示波器厂家推出自己的混合信号示波器,但你会发现两家的设计架构和核心技术完全不同,一方面这和西方国家法制健全尊重知识产权有关系,另一方面,也是设计架构本身决定了难以复制。以安捷伦科技的6000系列示波器为例,其核心技术是MegaZoom(深存储快响应)芯片,如图1-1中所标识的系统单芯片(SoC)所示,一个芯片中集成了多个功能,包括存储控制器、波形存储器、显示存储器、波形绘制功能,同时支持示波器通道和逻辑分析仪通道,MegaZoom专用芯片带来的核心好处是波形捕获率在同类产品中最高,尤其是在存储深度很深,同时打开逻辑通道和串行解码功能的时候,这也是安捷伦InfiniiVision系列示波器(5000,6000,7000)的技术立足点。实现的方法关键是三点:

  一、将大量数据处理在该MegaZoom芯片里面完成,减轻CPU中央处理器的负担,这样保证总是自动使用最深的存储深度,而且波形捕获率高达100,000波形每秒;

  二、一个芯片可同时处理来自示波器通道和逻辑通道的数据,保证逻辑通道打开与否不影响波形捕获率;

  三、串行总线触发和解码在另一片FPGA芯片内部实现,保证实时性,不让解码成为波形捕获率率的瓶颈,同时也为将来支持新的总线类型或增强现有功能留下可能性;

  四、对波形参数量测通常是基于显示的数据,数据量少,一般是1000个点,对需要更精确测量的场合,需要将示波器设置成“精确分析”模式,以便分析的存储深度到10K甚至128K个点,如需要对所有8M点进行参数参量,需使用PC软件。

        MegaZoom专用芯片的原型实际上也是用FPGA实现的,最终采用ASIC实现是因为成本相对比较低,国产示波器如果也用ASIC实现核心功能,不仅可以降低成本,而且有助于保护自己的产品不被别人复制,只不过关于成本有两个概念,一是研发成本,拥有自己的芯片无疑会提高研发成本,没有雄厚资金支持很难投入芯片的研发(国内只有包括华为在内有限的几家公司在自身产品中使用自己的核心芯片);另一是生产成本,对于量比较大的产品,专用芯片无疑比FPGA要节约成本(现在手机因量大,设计里面基本上是专用芯片,而基站因量少,则多使用FPGA)。

图2是和MSO6000或7000类似的混合信号示波器的内部照片,可以看出, MSO6000 在一片MegaZoom芯片中实现的功能在该产品中是用多个芯片来实现的,但该产品也有其核心技术及其立足点:一、在存储深度或记录长度较为浅的时候,信号经DPX技术处理,实现较高的波形捕获率;二、在存储深度或记录长度较为深的时候,信号绕过DPX,可实现对更多数据量的测量分析;三、串行信号的触发和解码用软件实现,无需在设计硬件的时候预留任何设计空间;四、增加一搜索功能,对单次深存储采集,可简化数据分析,安捷伦的MSO6000/7000也具备搜索功能,但目前只支持串行总线解码分析,而不支持参数测量结果的搜索。

  两家公司的同类混合信号示波器产品可以说是“和而不同”。考虑到将来,两家公司的产品各有变动的可能性,但都属于小范围内的改动,因为核心技术已经固定,对于安捷伦的MSO6000/7000系列产品,为进一步巩固其“波形捕获率高,硬件实现信号分析”的地位,相信可以将一部分成熟的串行总线触发和解码做到MegaZoom 专用芯片中,以解放更多的FPGA芯片资源来做一些其它事情,测量参数的搜索功能,也有机会加进去。 注:这里没有比较那种配合示波器,外加一个逻辑分析仪小盒子的所谓“混合信号示波器方案”,是因为其逻辑分析仪部分是从第三方公司拿过来,除可同屏显示示波器和逻辑分析仪信号外,基本上不具备混合信号示波器的其它特点,如:一、自动设置(Autoscale / Autoset)可同时对示波器通道和逻辑分析仪通道起作用;二、支持混合信号触发,即可以设置示波器通道1是上升沿,同时逻辑通道状态是10000111的是够触发;三、混合信号测试下的较高波形捕获率,如MSO7000实现高达100,000波形每秒;四、示波器和逻辑通道之间的延迟通常在几十个皮秒级,而不是几百个纳秒。
 

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示波器与嵌入式系统的技术发展

在设计一个嵌入式产品的时候,研发团队面临诸多选择,示波器的研发亦是如此,通常在初期,可能会用商业分立器件搭出来,包括模数转换器,前置放大器,存储器等都购买现成的,如果要让性能再好一点,可以使用可编程器件FPGA,这样做的好处是研发成本相对较低,缺点是容易被人复制,甚至引发知识产权的官司,设计的架构本身就决定了被别人复制的难易程度。

基于AVR的示波器

基于AVR的示波器一个低速的基于mega32示波器,它可以用于检测5HZ信号,输入电压可在24-30V(直流)。

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