入门级示波器的技术革新

２０１７年４月第３６卷　第４期　专题策划　入门级示波器的技术革新　陈滨慰宋民　深圳市鼎阳科技有限公司　ｌ　引言　集成电路的发展仍然遵循摩尔　定律，示波器的革新步伐也在突飞猛　进。由于搭载了Ｘｉｌｉｎｘ的Ｚｙｎｑ一７０００　ＳｏＣ作为核心处理芯片，深圳市鼎阳　科技有限公司最新推出的经济型示波　器ＳＤＳ　１　Ｏ００Ｘ－Ｅ的功能指标可以和一　些中、高端数字示波器相媲美。其具　有优异的底噪（低至５００　Ｖ），高　达１４　Ｍｐｔｓ的存储深度，ｌ４　Ｍ全采样　求。同时，Ｚｙｎｑ．７０００的ＰＳ（处理器　系统）和ＰＬ（可编程逻辑）部分之　间通过ＡＸＩ高速总线互连，可以有效　解决传统数字存储示波器中ＣＰＵ与　ＦＰＧＡ间数据传输的带宽瓶颈问题，　有利于降低数字示波器的死区时间，　异常波形。数字示波器　模拟示波器　的显著区别在于模拟示波器实时显示　波形而数字示波器则仔往死区时间，　且相对于ＡＤＣ的采集时间，死区时间　远远大于采集时间（北区时间丰要是　数据传输及处理造成）。因此数字示　波器厂商都在努力减小死　时问，以　提高波形捕获率。ＳＤＳ１０００Ｘ—Ｅ提供常　提高波形捕获率。用　片ＳｏＣ芯片替　代传统的ＣＰＵ＋ＦＰＧＡ的分立方案，　可以减少硬件布板面积，有利于将高　性能处理系统向紧凑型的入门级示波　规模式下ｌ０万帧／ｓ，顺序模式下提供　４Ｏ万帧／ｓ的波形捕获率。如此高的波　形捕获率，对于捕获率　有数百次级　别的示波器而言，示波器捕获异常波　形的能力得到上千倍的提升。图１所示　为ＳＤＳ１０００Ｘ　Ｅ捕获异常波形。　点测量运算，标配１４　Ｍ串行解码功能　以及１　Ｍ点的ＦＦＴ频谱分析等特性。　优异的参数使得这款仪器仿佛“出生　自带光环”，了传统大众对经济　型入门级示波器的认知１　器中集成。　３波形捕获率高　波形捕获率是数字示波器非常重　要的一个指标。捕获率越高，意味着　示波器能在尽可能短的时间内捕获到　２强劲的处理器　ＳＤＳｌ０００Ｘ—Ｅ中采用的ＸＣ７Ｚ０２０　ＳｏＣ芯片，具有双核ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ．Ａ９　处理器（ＰＳ）＋基于Ａｒｔｉｘ．７架构的　ＦＰＧＡ（ＰＬ），其中处理器部分支持　的最高主频为８６６　ＭＨｚ，ＦＰＧＡ部分　则包含８５ｋ逻辑单元、４．９　Ｍｂ　Ｂｌｏｃｋ　ＲＡＭ￣Ｎ２２０个ＤＳＰ　Ｓｌｉｃｅ，并提供对　常用外部存储器￣ＪＤＤＲ２／ＤＤＲ３的支　持，非常契合数字示波器中对数据进　行采集、存储和数字信号处理的需　图１　捕获异常波形　中国科技核心期刊　固夕　Ｊ挂　ｉｉ．技术一１一　４深存储　存储深度是数字示波器的另一　在采样率不　的情况，测　到　整体胥起求仍然地　波，　ｌ　波形Ｉ　有过冲震　，但　伏　失真Ｊ’。　的参数同样存在误差，特圳　间、　＂ＩＩ、ｊ　个重要指标。存储深度的大小决定保　持最高采样率的能力。示波器存储深　降时『【］ｊ、顿牢等参数。对比　『｛【｝Ｉｆ　】为　）ＳＩＯ００Ｘ一瞄　人　ｎ拧深度为ｌ４　Ｍｐｔｓ。　示波器，ｆｉ１　Ｉｌｌｓ　／ｄｉｖｌｌ　Ｊ　坫　他仍然能保　图５采样牢足够的情　１　度＝采样率×采样时间；采样时间在　固定的时基档位是不变的，昕以要提　高采样率必须提高存储深度；而示波　器是等间隔采样，哺采样点间的时间　间隔越小，采集到的波形越接近真实　波形。因此示波器采样率不足，就不　能真实地还原原始波形，表现为波形　２０　ｎｓ，频率为２．３　ｋ１Ｉｚ，Ｉ冬Ｉ６ｌ，１０　１巷　结果，上升时『ｆＪ】则高达２（）Ｌ】Ｓ，坝半　则为２．３８　ｋＨｚ，这个对比Ｉ｝：我ｆ『］深刻　持ｌ　Ｇｓａ／ｓｎ＇Ｊ采样丰，深ｆｆ：储保　ｒ　可能利川示波器的。岛采样率，保ｈＦ数　据的真实性。　体会到采样牢　带来的杉　Ｉ。化　局部细节丢失、失真、混叠等现象。　如图２所示，采样率不够导致脉冲消　失，因为这个脉冲过窄，介于两个采　样点间，导致无法采集。如图３所示，　采样率不够，导致波形失真，信号本　来存任的“震荡波形”不能真实地还　原。如图４所示，采样率严重不够导致　混叠，信号本来是左图中黑线表示的　弦波，测量到的信号也仍然是正弦　图５采样率足够　波，但频率发生ｌｒ改变。　。脉冲消失　图２采样率不够导致脉冲“消失”　／＼　，、、／＾＼｜　ｋｖ＂　图３采样率不足导致“失真　一图６采样率不足　５数据交互及数据处理　随着数字示波器设计复杂性的增　加和处理器处理能力的提升，总线结　构日益成为系统性能的瓶颈。传统的　入门级数字示波器，采用低成本的嵌　ｆＩ］低成本的ＦＰＧＡ伏现数据采集和存　储，　背之　通过许行的本地总线　／＼／／＼／　连，处理　作为卞设备，ＦＰＧＡ作为　从设备；总线　州时还连接其他处理　器外殴，￣［ＩＦＩ　ＡＳｔ｛、ＵＳＢ控制器等，　如罔７所示。　图４采样率不足导致“混叠　入式处理器作为挖制　处　核心，采　一２一围外电子测量技术　２０１７年４月第３６卷　第４期　目囝圜匦　口，每个端口支持最大６４一ｂｉｔ位宽，最　处理器　Ａ　５．１　ｌ　Ｍ点ＦＦＴ数据处理　ＳＤＳ１０００Ｘ—Ｅ的ＦＦＴ数据处理支　持１Ｍ个点，如此高的数据处理量带　来的好处是住获得极高的频谱分辨率　的Ｉ一】时，还能大大加快频谱的刷新速　度。图９显示＿ｒ在ＳＤＳ１　０００Ｘ—Ｅ上分　圳进行１６　ｋ点和１　Ｍ点ＦＩ　Ｔ的频谱分　高２５０　ＭＨｚ时钟频率；同时读、写通　道分开，可执行全双工操作；ＰＳ￥［１ＰＬ　之间属于点到点传输，不存在与其他　　１ＬｏｅａｌＢＵＳ　高　图７传统架构的嵌入式处理　器与ＦＰＧＡ互连　设备的总线竞争。使用单个ＨＰ端ｒ】传　输数据，其吞吐率都可以轻易达到双　向各１　ＧＢ／ｓ的速度，４个端口总共ｕ丁　达到的读、写速率一共超过８　ＧＢ／ｓ，　远远大于本地总线的传输速率。　ＳＤＳ１０００Ｘ—Ｅ配备了如此强劲的处　辨率对比。此例中我ｆ『Ｊ给示波器输　入＿ｒ一个双音信号，其频率为１　００和　ｌ（）（】．０５　ＭＨｚ，从１６　ｋ点ＦＩ叮获得的　这种互连方式的最大问题是数据　吞吐率低，一是因为本地总线一般是　异步总线，理想的情况下一个读／写　访问最少需要３个周期（１个ｓｅｔｕｐ周　期，１个ａＣＣｅＳＳ周期和１个ｈｏｌｄ周期）。　理及数据交换系统，使其获得了如下　超强的数据处理能力，从而带来示波　频谱图中我们无法分辨如此靠近的两　个　ｆｉ弦信号，信号被作为一个频率　示出来；而１　Ｍ点ＦＦＴ的频谱图有　着日Ｊｊ显更细致的频谱以及信号处理增　器功能及性能的大幅度提升。　以１６一ｂｉｔ位宽，外部总线频率１００　ＭＨｚ　的本地总线为例，其理想的最高总线　访问吞吐率为６６　ＭＢ／ｓ；二是因为　益，从水平１００倍腱开的图中可以看　｝１｜，两个相距５０　ｋＨｚ的正弦　号能够　被很好地区分开。　读、写操作共用一套地址、数据总　线，属于半双工操作；三是多个从设　备会竞争总线，从而降低每个从设备　的有效数据吞吐率。以１　ＧＳａ／ｓ采样　５．２　１４　Ｍ全采样点处理　由于ＳＤＳ１０００Ｘ　Ｅ使用了高性能　的处理平台，因此可以进行各种大　数据处理。例如，ＳＤＳｌ　０００Ｘ—Ｅ可　图８　ＰＳ与ＰＬ通过Ａｘ　Ｉ交换数据　率的数字示波器为例，其采样ｌ０　Ｍ点　的时间仅为１０　ｍｓ，但用于传输１０　Ｍ　点的时间（以理想的６６　ＭＢ／ｓ总线吞　吐率为例）至少要ｌ５０　ｍｓ，是数据采　样时间的１５倍。换一种说法，即使不　以对１４　Ｍ全采样点进行多种测量和　考虑数据处理的时间，死区时间占比　也达到了１５／１６＝９３．７５％。　ＳＤＳ１０００Ｘ—Ｅ采用Ｚｙｎｑ　ＳｏＣ架　构，处理器（ＰＳ）和ＦＰＧＡ（ＰＬ）　之间采用高速ＡＸＩ总线互连，可以有　效地解决二者间数据传输的带宽瓶颈　问题，大大提高数据吞吐率，降低示　波器的死区时间，架构如图８所示。　Ｚｙｎｑ．７０００中采用的４个ＡＸＩ—ＨＰ端　图９　ＦＦＴ数据处理对比　中国科技核心期刊　司外电了测量技术一３一　串行协议解码，而这是任　：多中、　高端示波器　ｆＩ都做　到的。如【刳ｌＯＮ　示，上方两　为某｛＝流ｌｆＩ端，】　波器对　ｌ０　ｎｓ　Ｌ升沿的测　结粜，卜方两图为　ＳＤＳＩＯＯＯＸ—ｆｃ对相『州信　的钡０　结果。　可以看到，　小时荩　：者的测量　结果都较为精确，　际Ｉ：外时间相　ｌ　示　差小大，ｆＩｉ化火时艇卜，　该永波１器　１００　ＬＪ　ｓ／ｄｉＶ卜　Ｉ能　示　“＜４８　ｎｓ”的测　结果，　意此时　图ｌ０压缩点测量与全采样点测量精度对比　它的原始采样率仍然有ｌ　ＧＳａ／ｓ，这　说明此时它的测量对象ｊｔ－，Ｉ￣是原始波　形数据，而是经过　缩　映射到屏幕　上的数据。打卜　，￣ＳＤＳｌ０００Ｘ—Ｅ在　１　ｍｓ／ｄｉｖ的时鼹卜的测最结　，注意　此时的采样率　样为ｌ　ＧＳａ／ｓ，但显示　的测量精度仍然达到ｒ　１　Ｉ１Ｓ，能够较　为真实地反映信号的参数。　ｌ　１所示　为ＳＤＳ１０００Ｘ—Ｅ　２０　ｍｓ／ｄｉｖｌｂｆ基仍然　以ｌ４　Ｍ点的存储深度分析１１Ｃ信号。　图１　１　１４　Ｍ存储深度下分析串行信号　６数字触发　示波器模拟触发的缺点是触发　统，具有更高的触发　敏度，制｛发抖　动小于ｌ００　ｐｓ。图１２所永为上　‘沿　有８　Ｉ３．Ｓ的快沿信号数字触发和模｝ｆｌ龟虫　发的比较。　７极低的本底噪声　示波器小底噪声的火小，决定　不够稳定，而鼎阳科技的ＳＰＯ２．０技　术则完美解决触发不稳定的问题。　ＳＤＳ１０００Ｘ—Ｅ采用了创新的数字触发系　分析小幅度　‘１ｆ％＇Ｅ力，呔噪毯小，　测试分析小幅度ｆ占　的能力越强。　ＳＤＳｌ０００Ｘ—Ｅ，　个带宽的情况卜，最　小雁　幸当ｆ　￣＇５００　０Ｉ　Ｖ　（１ｉｖ，最小呔噪　可达５００　Ｖ，这计Ｊ　分析　佚缄圳　的信号是非常彳Ｔ川，　级圳的小波　器ｒｆ１咳参数也是非常优　的。卡¨比　其他品棹的示波器住１　ｍＶ／ｄｉｖ档似　下仍然强制扦启带宽是极人的提　升。囝１　３所永为示波　小按仟『ＪｆＪ信　图１　２触发抖动对比　的耷底噪　。　一４一ｍ外电ｒ－测　技术　￡核心矮　２０１７年４月第３６卷第４期　日囝圜　除以上优点，ＳＤＳｌ　０００Ｘ—Ｅ还　支持大量的智能触发（边沿、斜率、　脉宽、窗口、欠幅、间隔、超时、　码型、高清视频等）；ＩＩ　Ｃ、ＳＰ１、　ＵＡＲＴ、ＣＡＮ、ＬＩＮ等串行信号的　触发及解码；２５６级辉度等级及色温　显示；历史模式（Ｈｉｓｔｏｒｙ）、顺序　模式（Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）和增强分辨率模　式（ｇｒｅｓ）；以及大量的数算功　能。因此ＳＤＳ　１　０００Ｘ．Ｅ是一款功能完　备，技术先进的入门示波器。　８结论　示波器的技术进步来源于科技　的日新月异。定位为人门级示波器的　中国科技核心期刊　图１３示波器本底噪声　ＳＤＳ１Ｏ００Ｘ—Ｅ也拥有着许多中高端示　技术新功能应用干其所研发的产品中，　波器才具备的功能特性。随着电子工　让每一位工程师都拥有专业级别的测试　业的发展，鼎阳科技必将把越来越多新　测量仪器一直都是我们不变的追求。　网外电Ｆ测量技术一５一