示波器與嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展
隨著單片機(jī)、可編程器件的普及，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用幾乎隨處可見，從應(yīng)用的角度看，大致可以分為五大領(lǐng)域，包括數(shù)據(jù)通信、生物電子、綠色科技、汽車電子和3C電子，在大陸和臺(tái)灣，這些領(lǐng)域甚至被認(rèn)為是新的“藍(lán)海策略”，隱藏著各種商機(jī)，尤其是綠色科技是政府和風(fēng)險(xiǎn)投資公司十分關(guān)注的對(duì)象;從技術(shù)的角度看，多功能、低功耗、微型化、網(wǎng)絡(luò)化領(lǐng)導(dǎo)著新的趨勢(shì)，iPAD以及蘋果公司推出眾多i系列產(chǎn)品基本上都和這些趨勢(shì)相吻合，只不過(guò)，其在用戶體驗(yàn)方面比業(yè)界其它同行下了更大功夫，讓其脫穎而出，并制造一個(gè)又一個(gè)神話。
安捷倫科技既是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)者，也是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用者，這兩個(gè)方面相互促進(jìn)、共同發(fā)展，以可編程器件FPGA為例，安捷倫科技提供的Xilinx FPGA內(nèi)部節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)切換測(cè)試方案是自己在使用FPGA中悟出來(lái)，先是供內(nèi)部使用，后提供給Xilinx使用，雙方共享一些IP，最終推出供業(yè)界使用的測(cè)試方案; 不是簡(jiǎn)單集成來(lái)自第三方的軟件到自己的混合信號(hào)示波器平臺(tái)，而是將多年的心得和積累轉(zhuǎn)化成測(cè)試方案，并通過(guò)混合信號(hào)示波器平臺(tái)提供給業(yè)界。
在設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式產(chǎn)品的時(shí)候，研發(fā)團(tuán)隊(duì)面臨諸多選擇，示波器的研發(fā)亦是如此，通常在初期，可能會(huì)用商業(yè)分立器件搭出來(lái)，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，前置放大器，存儲(chǔ)器等都購(gòu)買現(xiàn)成的，如果要讓性能再好一點(diǎn)，可以使用可編程器件FPGA，這樣做的好處是研發(fā)成本相對(duì)較低，缺點(diǎn)是容易被人復(fù)制，甚至引發(fā)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的官司，設(shè)計(jì)的架構(gòu)本身就決定了被別人復(fù)制的難易程度。
我們來(lái)看看國(guó)外的設(shè)計(jì)，以帶寬在60MHz至1GHz范圍之內(nèi)的便攜式混合信號(hào)示波器設(shè)計(jì)為例，安捷倫科技(當(dāng)年叫惠普)在1994至1996年間推出第一代混合信號(hào)示波器，歷經(jīng)超過(guò)十年的時(shí)間沒(méi)有第二家推出類似的產(chǎn)品，十多年后，另一示波器廠家推出自己的混合信號(hào)示波器，但你會(huì)發(fā)現(xiàn)兩家的設(shè)計(jì)架構(gòu)和核心技術(shù)完全不同，一方面這和西方國(guó)家法制健全尊重知識(shí)產(chǎn)權(quán)有關(guān)系，另一方面，也是設(shè)計(jì)架構(gòu)本身決定了難以復(fù)制。以安捷倫科技的6000系列示波器為例，其核心技術(shù)是MegaZoom(深存儲(chǔ)快響應(yīng))芯片，如圖1-1中所標(biāo)識(shí)的系統(tǒng)單芯片(SoC)所示，一個(gè)芯片中集成了多個(gè)功能，包括存儲(chǔ)控制器、波形存儲(chǔ)器、顯示存儲(chǔ)器、波形繪制功能，同時(shí)支持示波器通道和邏輯分析儀通道，MegaZoom專用芯片帶來(lái)的核心好處是波形捕獲率在同類產(chǎn)品中最高，尤其是在存儲(chǔ)深度很深，同時(shí)打開邏輯通道和串行解碼功能的時(shí)候，這也是安捷倫InfiniiVision系列示波器(5000,6000,7000)的技術(shù)立足點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)的方法關(guān)鍵是三點(diǎn)：一、將大量數(shù)據(jù)處理在該MegaZoom芯片里面完成，減輕CPU中央處理器的負(fù)擔(dān)，這樣保證總是自動(dòng)使用最深的存儲(chǔ)深度，而且波形捕獲率高達(dá)100,000波形每秒;二、一個(gè)芯片可同時(shí)處理來(lái)自示波器通道和邏輯通道的數(shù)據(jù)，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(fā)和解碼在另一片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，保證實(shí)時(shí)性，不讓解碼成為波形捕獲率率的瓶頸，同時(shí)也為將來(lái)支持新的總線類型或增強(qiáng)現(xiàn)有功能留下可能性;四、對(duì)波形參數(shù)量測(cè)通常是基于顯示的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量少，一般是1000個(gè)點(diǎn)，對(duì)需要更精確測(cè)量的場(chǎng)合，需要將示波器設(shè)置成“精確分析”模式，以便分析的存儲(chǔ)深度到10K甚至128K個(gè)點(diǎn)，如需要對(duì)所有8M點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)參量，需使用PC軟件。
MegaZoom專用芯片的原型實(shí)際上也是用FPGA實(shí)現(xiàn)的，最終采用ASIC實(shí)現(xiàn)是因?yàn)槌杀鞠鄬?duì)比較低，國(guó)產(chǎn)示波器如果也用ASIC實(shí)現(xiàn)核心功能，不僅可以降低成本，而且有助于保護(hù)自己的產(chǎn)品不被別人復(fù)制，只不過(guò)關(guān)于成本有兩個(gè)概念，一是研發(fā)成本，擁有自己的芯片無(wú)疑會(huì)提高研發(fā)成本，沒(méi)有雄厚資金支持很難投入芯片的研發(fā)(國(guó)內(nèi)只有包括華為在內(nèi)有限的幾家公司在自身產(chǎn)品中使用自己的核心芯片);另一是生產(chǎn)成本，對(duì)于量比較大的產(chǎn)品，專用芯片無(wú)疑比FPGA要節(jié)約成本(現(xiàn)在手機(jī)因量大，設(shè)計(jì)里面基本上是專用芯片，而基站因量少，則多使用FPGA)。
MSO6000 在一片MegaZoom芯片中實(shí)現(xiàn)的功能在該產(chǎn)品中是用多個(gè)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但該產(chǎn)品也有其核心技術(shù)及其立足點(diǎn)：一、在存儲(chǔ)深度或記錄長(zhǎng)度較為淺的時(shí)候，信號(hào)經(jīng)DPX技術(shù)處理，實(shí)現(xiàn)較高的波形捕獲率;二、在存儲(chǔ)深度或記錄長(zhǎng)度較為深的時(shí)候，信號(hào)繞過(guò)DPX，可實(shí)現(xiàn)對(duì)更多數(shù)據(jù)量的測(cè)量分析;三、串行信號(hào)的觸發(fā)和解碼用軟件實(shí)現(xiàn)，無(wú)需在設(shè)計(jì)硬件的時(shí)候預(yù)留任何設(shè)計(jì)空間;四、增加一搜索功能，對(duì)單次深存儲(chǔ)采集，可簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)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(shù)測(cè)量結(jié)果的搜索。
兩家公司的同類混合信號(hào)示波器產(chǎn)品可以說(shuō)是“和而不同”?？紤]到將來(lái)，兩家公司的產(chǎn)品各有變動(dòng)的可能性，但都屬于小范圍內(nèi)的改動(dòng)，因?yàn)楹诵募夹g(shù)已經(jīng)固定，對(duì)于安捷倫的MSO6000/7000系列產(chǎn)品，為進(jìn)一步鞏固其“波形捕獲率高，硬件實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析”的地位，相信可以將一部分成熟的串行總線觸發(fā)和解碼做到MegaZoom 專用芯片中，以解放更多的FPGA芯片資源來(lái)做一些其它事情，測(cè)量參數(shù)的搜索功能，也有機(jī)會(huì)加進(jìn)去。 注：這里沒(méi)有比較那種配合示波器，外加一個(gè)邏輯分析儀小盒子的所謂“混合信號(hào)示波器方案”，是因?yàn)槠溥壿嫹治鰞x部分是從第三方公司拿過(guò)來(lái)，除可同屏顯示示波器和邏輯分析儀信號(hào)外，基本上不具備混合信號(hào)示波器的其它特點(diǎn)，如：一、自動(dòng)設(shè)置(Autoscale / Autoset)可同時(shí)對(duì)示波器通道和邏輯分析儀通道起作用;二、支持混合信號(hào)觸發(fā)，即可以設(shè)置示波器通道1是上升沿，同時(shí)邏輯通道狀態(tài)是10000111的是夠觸發(fā);三、混合信號(hào)測(cè)試下的較高波形捕獲率，如MSO7000實(shí)現(xiàn)高達(dá)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(gè)皮秒級(jí)，而不是幾百個(gè)納秒。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/119046.htm
紋波的定義是指在直流電壓或電流中，疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量?！ ∷饕幸韵潞μ帲喝菀自谟秒娖魃袭a(chǎn)生諧波，而諧波會(huì)產(chǎn)生更多的危害；降低了電源的效率；較強(qiáng)的紋波會(huì)造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用電器；會(huì)干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作；會(huì)帶來(lái)噪音干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作?！ ?i>紋波、紋波系數(shù)的表示方法： 可以用有效值或峰值來(lái)表示，或者用絕對(duì)量、相對(duì)量來(lái)表示； 單位通常為：mV 例如：一個(gè)電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，其輸出為12V5A，測(cè)得紋波的有效值為10mV，這10mV就是紋波的絕對(duì)量，而相對(duì)量，即紋波系數(shù)=紋波電壓/輸出電壓=10mv/12V=0.12%。 紋波的測(cè)試方法： 以20M帶寬為限制標(biāo)準(zhǔn)，電壓設(shè)為PK-PK（也有測(cè)有效值的），去除示波器控頭上的夾子與地線（因?yàn)檫@個(gè)本身的夾子與地線會(huì)形成環(huán)路，像一個(gè)天線接收雜訊，引入一些不必要的雜訊），使用接地環(huán)（不使用接地環(huán)也可以，不過(guò)要考慮其產(chǎn)生的誤差），在探頭上并聯(lián)一個(gè)10UF電解電容與一個(gè)0.1UF瓷片電容，用示波器的探針直接進(jìn)行測(cè)試；如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn)，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測(cè)量。
如何更好的觀察波形，本質(zhì)上就是對(duì)感興趣的點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)測(cè)量、分析，如何高保真的捕獲波形，就要從示波器處理信號(hào)的過(guò)程開始說(shuō)起。 信號(hào)經(jīng)過(guò)示波器前端電路處理之后，來(lái)到ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，接下來(lái)便要進(jìn)行信號(hào)的重構(gòu)還原了，這里也就是本文的重點(diǎn)了，示波器的捕獲模式。一般有四種捕獲方式，不同的捕獲方式，適用于觀察不同的信號(hào)。接下來(lái)，就示波器對(duì)采樣點(diǎn)的處理方式，也就是示波器的捕獲模式跟大家做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。 1、標(biāo)準(zhǔn)捕獲模式 首先介紹的是標(biāo)準(zhǔn)捕獲模式，在該模式下，示波器會(huì)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣?！ ?biāo)準(zhǔn)捕獲的工作模式也最大程度的保證了信號(hào)最原始的狀態(tài)，對(duì)于大多數(shù)波形來(lái)說(shuō)，使用該模式可產(chǎn)生較佳的顯示效果，以下是ZDS2000系列示波器默認(rèn)捕獲模式?！ ?i>2、峰值捕獲模式 接下來(lái)就是峰值捕獲模式，看著名字就知道是什么意思了，就是采集一個(gè)采樣間隔信號(hào)中的最大值和最小值。 在該模式下，可有效觀察到偶爾發(fā)生的窄脈寬，在捕獲高頻率的毛刺方面非常實(shí)用，可獲取信號(hào)的包絡(luò)或可能丟失的窄脈沖，使用峰值捕獲模式會(huì)使波形顯示的噪聲比較明顯?！?i> 3、平均捕獲模式 第三個(gè)就是平均捕獲模式了，這個(gè)名字也非常容易理解，就是采集N屏信號(hào)，將它們?cè)谟|發(fā)位置對(duì)其，然后做平均運(yùn)算。 使用平均捕獲模式，在減小噪聲同時(shí)保持了原有的帶寬，將噪聲濾除有利于對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。適用于觀測(cè)周期性重復(fù)信號(hào)，其濾波效果提升了示波器的垂直分辨率。值得一提的是，平均捕獲特別適合執(zhí)行諧波分析或電源質(zhì)量分析?！ ?i>4、高分辨率捕獲模式 最后就是高分辨率捕獲模式，打個(gè)比方，其工作原理就是將一個(gè)波形分成5份，然后將一份波形的的每個(gè)點(diǎn)求平均，最終一個(gè)波形變成了5個(gè)點(diǎn)。這種處理方式可以有效改善系統(tǒng)的等效分辨率，本質(zhì)上就是一種數(shù)字濾波。用于求平均的采樣點(diǎn)數(shù)越多，分辨率提高得越多，顯示的波形更平滑，從而達(dá)到減少噪聲的目的?！ ⌒枰⒁獾氖?，高分辨率是針對(duì)一個(gè)波形相鄰的點(diǎn)做平均處理，所以該模式是對(duì)不重復(fù)的信號(hào)以犧牲帶寬的方式來(lái)提升測(cè)試精度，故不適合測(cè)試高頻信號(hào)，適用于觀察高分辨率且?guī)捿^低的波形。
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