示波器與嵌入式系統的技術發展

混合示波器自身研發篇

隨著單片機、可編程器件的普及，嵌入式系統的應用幾乎隨處可見，從應用的角度看，大致可以分為五大領域，包括數據通信、生物電子、綠色科技、汽車電子和3C電子，在大陸和臺灣，這些領域甚至被認為是新的“藍海策略”，隱藏著各種商機，尤其是綠色科技是政府和風險投資公司十分關注的對象：從技術的角度看，多功能、低功耗、微型化、網絡化領導著新的趨勢，iPAD以及蘋果公司推出眾多i系列產品基本上都和這些趨勢相吻合，只不過，其在用戶體驗方面比業界其它同行下了更大功夫，讓其脫穎而出，并制造一個又一個神話。

安捷倫科技既是嵌入式系統技術發展的推動者，也是嵌入式系統技術的應用者，這兩個方面相互促進、共同發展，以可編程器件FPGA為例、安捷倫科技提供的Xilinx FPGA內部節點動態切換測試方案是自己在使用FPGA中悟出來，先是供內部使用，后提供給Xilinx使用，雙方共享一些IP，最終推出供業界使用的測試方案；不是簡單集成來自第三方的軟件到自己的混合信號示波器平臺，而是將多年的心得和積累轉化成測試方案，并通過混合信號示波器平臺提供給業界。

在設計一個嵌入式產品的時候，研發團隊面臨諸多選擇，示波器的研發亦是如此，通常在初期，可能會用商業分立器件搭出來，包括模數轉換器，前置放大器，存儲器等都購買現成的，如果要讓性能再好一點，可以使用可編程器件FPGA，這樣做的好處是研發成本相對較低，缺點是容易被人復制，甚至引發知識產權的官司，設計的架構本身就決定了被別人復制的難易程度。

我們來看看國外的設計、以帶寬在60MHz至1GHz范圍之內的便攜式混合信號示波器設計為例，安捷倫科技(當年叫惠普)在1994至1996年間推出第一代混合信號示波器，歷經超過十年的時間沒有第二家推出類似的產品，十多年后，另一示波器廠家推出自己的混合信號示波器，但你會發現兩家的設計架構和核心技術完全不同，一方面這和西方國家法制健全尊重知識產權有關系，另一方面，也是設計架構本身決定了難以復制。以安捷倫科技的6000系列示波器為例，其核心技術是MegaZoom(深存儲快響應)芯片，如圖1－1中所標識的系統單芯片(SoC)所示，一個芯片中集成了多個功能，包括存儲控制器、波形存儲器、顯示存儲器、波形繪制功能，同時支持示波器通道和邏輯分析儀通道，MegaZoom專用芯片帶來的核心好處是波形捕獲率在同類產品中最高，尤其是在存儲深度很深，同時打開邏輯通道和串行解碼功能的時候，這也是安捷倫InfiniiVision系列示波器(5000，6000，7000)的技術立足點。實現的方法關鍵是三點：

一、將大量數據處理在該MegaZoom芯片里面完成，減輕CPU中央處理器的負擔，這樣保證總是自動使用最深的存儲深度，而且波形捕獲率高達100，000波形每秒；

二、一個芯片可同時處理來自示波器通道和邏輯通道的數據，保證邏輯通道打開與否不影響波形捕獲率；

三、串行總線觸發和解碼在另一片FPGA芯片內部實現，保證實時性，不讓解碼成為波形捕獲率率的瓶頸，同時也為將來支持新的總線類型或增強現有功能留下可能性；

四、對波形參數量測通常是基于顯示的數據，數據量少，一股是1000個點，對需要更精確測量的場合，需要將示波器設置成“精確分析”模式，以便分析的存儲深度到10K甚至128K個點，如需要對所有8M點進行參數參量，需使用PC軟件。

MegaZoom專用芯片的原型實際上也是用FPGA實現的，最終采用ASIC實現是因為成本相對比較低，國產示波器如果也用ASIC實現核心功能，不僅可以降低成本、而且有助于保護自己的產品不被別人復制，只不過關于成本有兩個概念，一是研發成本，擁有自己的芯片無疑會提高研發成本，沒有雄厚資金支持很難投入芯片的研發(國內只有包括華為在內有限的幾家公司在自身產品中使用自己的核心芯片)；另一是生產成本，對于量比較大的產品，專用芯片無疑比FPGA要節約成本(現在手機因量大，設計里面基本上是專用芯片，而基站因量少，則多使用FPGA)。

圖2是和MSO6000或7000類似的混合信號示波器的內部照片，可以看出，MSO6000在一片MegaZoom芯片中實現的功能在該產品中是用多個芯片來實現的，但該產品也有其核心技術及其立足點：一、在存儲深度或記錄長度較為淺的時候，信號經DPX技術處理，實現較高的波形捕獲率；二、在存儲深度或記錄長度較為深的時候，信號繞過DPX，可實現對更多數據量的測量分析；三、串行信號的觸發和解碼用軟件實現，無需在設計硬件的時候預留任何設計空間；四、增加一搜索功能，對單次深存儲采集、可簡化數據分析、安捷倫的MSO6000／7000也具備搜索功能，但目前只支持串行總線解碼分析，而不支持參數測量結果的搜索。

兩家公司的同類混合信號示波器產品可以說是“和而不同”。考慮到將來，兩家公司的產品各有變動的可能性、但都屬于小范圍內的改動，因為核心技術已經固定，對于安捷倫的MSO6000／7000系列產品，為進一步鞏固其“波形捕獲率高，硬件實現信號分析”的地位，相信可以將一部分成熟的串行總線觸發和解碼做到MegaZoom專用芯片中，以解放更多的FPGA芯片資源來做一些其它事情，測量參數的搜索功能，也有機會加進去。注：這里沒有比較那種配合示波器，外加一個邏輯分析儀小盒子的所謂“混合信號示波器方案”，是因為其邏輯分析儀部分是從第三方公司拿過來，除可同屏顯示示波器和邏輯分析儀信號外，基本上不具備混合信號示波器的其它特點，如：一、自動設置(Autoscale／Autoset)可同時對示波器通道和邏輯分析儀通道起作用：二、支持混合信號觸發，即可以設置示波器通道1是上升沿，同時邏輯通道狀態是10000111的是夠觸發：三、混合信號測試下的較高波形捕獲率，如MSO7000實現高達100，000波形每秒；四、示波器和邏輯通道之間的延遲通常在幾十個皮秒級，而不是幾百個納秒。