鼎陽SDS1102X示波器拆解分析

SDS1000X-E中采用的XC7Z020 SoC芯片，具有雙核ARM Cortex-A9處理器（PS）+基于Artix-7架構(gòu)的FPGA（PL），其中處理器部分支持的最高主頻為866 MHz， FPGA部分則包含85k邏輯單元、4.9 Mb Block RAM和220個(gè)DSP Slice，并提供對常用外部存儲(chǔ)器如DDR2/DDR3的支持，非常契合數(shù)字示波器中對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和數(shù)字信號(hào)處理的需求。同時(shí)，Zynq-7000的PS（處理器系統(tǒng)）和PL（可編程邏輯）部分之間通過AXI高速總線互連，可以有效解決傳統(tǒng)數(shù)字存儲(chǔ)示波器中CPU與FPGA間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捚款i問題，有利于降低數(shù)字示波器的死區(qū)時(shí)間，提高波形捕獲率。用單片SoC芯片替代傳統(tǒng)的CPU+FPGA的分立方案，也可以減少硬件布板面積，有利于將高性能處理系統(tǒng)向緊湊型的入門級(jí)示波器中集成。

數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

△圖 2 用Zynq-7000構(gòu)架的SPO引擎

SDS1000X-E中采用的高速模-數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）芯片，其數(shù)據(jù)接口為LVDS差分對形式，每對LVDS的速率為1 Gbps。采用的Zynq-7000芯片，其可編程IO的LVDS最高速率可達(dá)1.25 Gbps，可以保證穩(wěn)定可靠地接收ADC采樣到的數(shù)據(jù)。

同時(shí)，F(xiàn)PGA接收到的高速ADC數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)地寫入到存儲(chǔ)器中，以8-bit，1 GSa/s的ADC為例，其輸出數(shù)據(jù)的吞吐率為1 GByte/s。Zynq-7000支持常用的DDR2、DDR3等低成本存儲(chǔ)器，最高DDR3接口速率可達(dá)1066 MT/s，因此，使用單片DDR3即可滿足實(shí)時(shí)存儲(chǔ)上述ADC輸出數(shù)據(jù)的要求。而且，Zynq-7000支持PL共享PS的存儲(chǔ)器，只要給PS部分預(yù)留足夠的存儲(chǔ)器帶寬，剩余帶寬用于存儲(chǔ)ADC數(shù)據(jù)，無須在PL部分再外掛存儲(chǔ)器，降低了成本。

更為重要的是，基于Zynq-7000中豐富的可編程邏輯資源（XC7Z020中為85k等效邏輯單元），SDS1000X-E集成高靈敏度、低抖動(dòng)、零溫漂的數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)，使得其觸發(fā)更為準(zhǔn)確；各種智能觸發(fā)功能如斜率、脈寬、視頻、超時(shí)、欠幅、碼型等，能幫助用戶更精確地隔離出感興趣的波形；總線協(xié)議觸發(fā)甚至能直接用符合條件的總線事件（如I2C總線的起始位，或UART的特定數(shù)據(jù)）作為觸發(fā)條件，極大地方便調(diào)試。

△圖 3 模擬觸發(fā)系統(tǒng)與數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)的觸發(fā)抖動(dòng)對比

數(shù)據(jù)交互

隨著數(shù)字示波器設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加和處理器處理能力的提升，總線結(jié)構(gòu)日益成為系統(tǒng)性能的瓶頸。傳統(tǒng)的入門級(jí)數(shù)字示波器，采用低成本的嵌入式處理器作為控制和處理核心，采用低成本的FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，二者之間通過并行的本地總線互連，處理器作為主設(shè)備，F(xiàn)PGA作為從設(shè)備；總線上同時(shí)還連接其他處理器外設(shè)，如FLASH、USB控制器等，如圖 4所示。

△圖 4 傳統(tǒng)架構(gòu)的嵌入式處理器與FPGA互連

這種互連方式的最大問題是數(shù)據(jù)吞吐率低，一是因?yàn)楸镜乜偩€一般是異步總線，理想的情況下一個(gè)讀/寫訪問最少需要3個(gè)周期（1個(gè)setup周期，1個(gè)access周期和1個(gè)hold周期）。以16-bit位寬，外部總線頻率100 MHz的本地總線為例，其理想的最高總線訪問吞吐率為66 MB/s；二是因?yàn)樽x、寫操作共用一套地址、數(shù)據(jù)總線，屬于半雙工操作；三是多個(gè)從設(shè)備會(huì)競爭總線，從而降低每個(gè)從設(shè)備的有效數(shù)據(jù)吞吐率。以1 GSa/s采樣率的數(shù)字示波器為例，其采樣10 M點(diǎn)的時(shí)間僅為10 ms，但用于傳輸10 M點(diǎn)的時(shí)間（以理想的66 MB/s總線吞吐率為例）至少要150 ms，是數(shù)據(jù)采樣時(shí)間的15倍。換一種說法，即使不考慮數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，死區(qū)時(shí)間也達(dá)到了15/16 = 93.75%。

SDS1000X-E采用Zynq SoC架構(gòu)，處理器（PS）和FPGA（PL）之間采用高速AXI總線互連，可以有效地解決二者間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捚款i問題，大大提高數(shù)據(jù)吞吐率，降低示波器的死區(qū)時(shí)間。Zynq-7000中采用的4個(gè)AXI-HP端口，每個(gè)端口支持最大64-bit位寬，最高250 MHz時(shí)鐘頻率；同時(shí)讀、寫通道分開，可執(zhí)行全雙工操作；PS和PL之間屬于點(diǎn)到點(diǎn)傳輸，不存在與其它設(shè)備的總線競爭。使用單個(gè)HP端口傳輸數(shù)據(jù)，其吞吐率都可以輕易達(dá)到雙向各1 GB/s的速度，4個(gè)端口總共可達(dá)到的讀、寫速率一共超過8 GB/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本地總線的傳輸速率。

△圖 5 Zynq SoC中處理器與可編程邏輯的互連

數(shù)字信號(hào)處理

SDS1000X-E中配備了很多實(shí)用性高、性能強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，如支持1 M點(diǎn)運(yùn)算的FFT、增強(qiáng)分辨率（Eres）、14 M 全采樣點(diǎn)的串行協(xié)議解碼、14 M 全采樣點(diǎn)的多種測量以及數(shù)學(xué)運(yùn)算等，大大提高了入門級(jí)數(shù)字示波器的數(shù)字信號(hào)處理能力。

Zynq-7000豐富的硬件資源，為SDS1000X-E的數(shù)字信號(hào)處理功能提供了強(qiáng)大的支撐。SDS1000X-E中采用的XC7Z020 SoC芯片，PS部分具有雙核ARM Cortex-A9處理器，最高主頻為866 MHz， 并行協(xié)處理器NEON可以在軟件層面執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理；PL部分具有220個(gè)DSP Slice和4.9 Mb Block RAM；加上PS和PL之間數(shù)據(jù)接口極高的吞吐率，使得我們可以靈活地為不同的數(shù)字信號(hào)處理配置不同的硬件資源。

運(yùn)算指令復(fù)雜、適合軟件實(shí)現(xiàn)的功能，可以在PS側(cè)實(shí)現(xiàn)，如信號(hào)上升沿的測量；需要使用大量乘累加運(yùn)算，對硬件資源依賴度較高的功能，可以在PL側(cè)實(shí)現(xiàn)，如示波器中常用的插值濾波。

有些復(fù)雜的功能，則可以利用PS和PL間的高數(shù)據(jù)帶寬進(jìn)行協(xié)同處理，例如FFT運(yùn)算，在PL側(cè)利用豐富的DSP Slice和Block RAM資源構(gòu)建協(xié)處理器對基本FFT運(yùn)算進(jìn)行硬件加速，PS側(cè)則實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的窗函數(shù)計(jì)算、繪圖、UI等操作?；谶@種協(xié)同處理的架構(gòu)，SDS1000X-E上的FFT支持高達(dá)1M 點(diǎn)的FFT，在獲得極高的頻譜分辨率的同時(shí)，還能大大加快頻譜的刷新速度。圖 6顯示了在SDS1000X-E上分別進(jìn)行16 k點(diǎn)和1 M點(diǎn)FFT的頻譜分辨率對比。此例中我們給示波器輸入了一個(gè)雙音信號(hào)，其頻率為100 MHz和100.05 MHz，從16 k點(diǎn)FFT獲得的頻譜圖中我們無法分辨如此靠近的兩個(gè)正弦信號(hào)，信號(hào)被作為一個(gè)頻率顯示出來；而1 M點(diǎn)FFT的頻譜圖有著明顯更細(xì)致的頻譜以及信號(hào)處理增益，從水平100倍展開的圖中可以看出，兩個(gè)相距50 kHz的正弦型號(hào)能夠被很好地區(qū)分開。

△圖 6 1M點(diǎn)FFT獲得極高的頻譜分辨率

類似的，在SDS1000X-E還有諸多這種PS和PL間相互協(xié)同處理而獲得的高性能數(shù)字信號(hào)處理。例如，SDS1000X-E可以對14 M 全采樣點(diǎn)進(jìn)行多種測量和串行協(xié)議解碼，而這是在許多中、高端示波器中都做不到的。圖 7中，上方兩圖為某主流中端示波器對10 ns上升沿的測量結(jié)果，下方兩圖為SDS1000X-E對相同信號(hào)的測量結(jié)果?？梢钥吹剑谛r(shí)基下，二者的測量結(jié)果都較為精確，與實(shí)際上升時(shí)間相差不大，但在大時(shí)基下，右上圖顯示該示波器在100 us/div下只能顯示"< 48ns"的測量結(jié)果，注意此時(shí)它的原始采樣率仍然有1 GSa/s，這說明此時(shí)它的測量對象并不是原始波形數(shù)據(jù)，而是經(jīng)過壓縮后映射到屏幕上的數(shù)據(jù)。右下圖顯示SDS1000X-E在1 ms/div的時(shí)基下的測量結(jié)果，注意此時(shí)的采樣率同樣為1 GSa/s，但顯示的測量精度仍然達(dá)到了1 ns，能夠較為真實(shí)地反映信號(hào)的參數(shù)。

SDS1000X-E基于全采樣點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)處理以及高達(dá)14 M點(diǎn)的存儲(chǔ)深度，允許用戶在大時(shí)基下觀察信號(hào)整體的同時(shí)，仍然能獲得細(xì)節(jié)上的處理結(jié)果；同時(shí)由于其基于Zynq架構(gòu)的處理方式，使得信號(hào)處理的性能和速度達(dá)到最優(yōu)，具備更好的實(shí)時(shí)性和靈活性。

△圖 7 壓縮點(diǎn)測量與全采樣點(diǎn)測量精度對比

關(guān)于SDS1000X-E

SIGLENT SDS1000X-E 系列超級(jí)熒光示波器，擁有70M、100MHz和200MHz 帶寬機(jī)型， 采樣率1 GSa/s， 標(biāo)配存儲(chǔ)深度達(dá)14 Mpts，最常用功能都采用人性化的一鍵式設(shè)計(jì)；采用SPO 技術(shù)，具有優(yōu)異的信號(hào)保真度：底噪低于業(yè)內(nèi)同類產(chǎn)品，最小量程只有500 μV /div; 創(chuàng)新的數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)，觸發(fā)靈敏度高，觸發(fā)抖動(dòng)?。徊ㄐ尾东@率高達(dá)400,000 幀/秒(Sequence 模式)，具有256 級(jí)輝度等級(jí)及色溫顯示；支持豐富的智能觸發(fā)、串行總線觸發(fā)和解碼；支持歷史模式（History）、順序模式 （Sequence）和增強(qiáng)分辨率模式（Eres）；具備豐富的測量和數(shù)學(xué)運(yùn)算功能；1M 點(diǎn)FFT 可以得到非常細(xì)致的頻率分辨率；14M 全采樣點(diǎn)的測量保證了測量精度和采樣精度相同，毫無失真；是一款高性能經(jīng)濟(jì)型通用示波器。

關(guān)于Zynq-7000

Xilinx Zynq?-7000 全可編程 SoC (AP SoC) 系列集成 ARM? 處理器的軟件可編程性與 FPGA 的硬件可編程性，不僅可實(shí)現(xiàn)重要分析與硬件加速，同時(shí)還在單個(gè)器件上高度集成 CPU、DSP、ASSP 以及混合信號(hào)功能。Zynq-7000 器件配備雙核 ARM Cortex-A9 處理器，該處理器與基于 28nm Artix-7 或 Kintex?-7 的可編程邏輯集成，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能功耗比和最大的設(shè)計(jì)靈活性。

關(guān)于AXI總線

AXI（Advanced eXtensible Interface）是一種總線協(xié)議，該協(xié)議是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）協(xié)議中最重要的部分，是一種面向高性能、高帶寬、低延遲的片內(nèi)總線。它的地址/控制和數(shù)據(jù)相位是分離的，支持不對齊的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)在突發(fā)傳輸中，只需要首地址，同時(shí)分離的讀寫數(shù)據(jù)通道、并支持Outstanding傳輸訪問和亂序訪問，并更加容易進(jìn)行時(shí)序收斂。AXI 是AMBA 中一個(gè)新的高性能協(xié)議。AXI 技術(shù)豐富了現(xiàn)有的AMBA 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，滿足超高性能和復(fù)雜的片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)計(jì)的需求。

硬件工程師基本功（1）—示波器使用及原理

硬件基本功（3）——示波器探頭