概述

2016年11月,，SIGLENT發(fā)布了新一代入門級示波器SDS1000X-E,，它的最高帶寬為200 MHz，采樣率 1 GSa/s,，標(biāo)配存儲深度14 M點(diǎn),；值得一提的是，SIGLENT將之前只在其中高端系列示波器上采用的SPO超級熒光數(shù)字示波器技術(shù),，集成到了這款入門級產(chǎn)品中,，使其具備了靈敏度高、觸發(fā)抖動小的數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng),，高達(dá)40萬幀/秒的波形捕獲率和256級輝度等級顯示,； 同時SDS1000X-E還支持豐富的數(shù)據(jù)采集和處理功能，包括智能觸發(fā),、串行總線觸發(fā)和解碼,、歷史模式（History）和順序模式 （Sequence）、豐富的測量和數(shù)學(xué)運(yùn)算,、高達(dá)1M點(diǎn)的FFT等等,，重新定義了入門級示波器。

能夠?qū)⒁恍┲?、高端?shù)字示波器才具有的指標(biāo)和功能體現(xiàn)到入門級示波器中,，得益于SIGLENT在SDS1000X-E中使用了Xilinx的Zynq-7000 SoC作為核心處理芯片。

圖1 SDS1000X-E中集成了Zynq-7000

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DSP Slice,，并提供對常用外部存儲器如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、存儲和數(shù)字信號

處理的需求,。同時,，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)向緊湊型的入門級示波器中集成。

數(shù)據(jù)采集與存儲

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,，F(xiàn)PGA接收到的高速ADC數(shù)據(jù)需要實時地寫入到存儲器中,，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即可滿足實時存儲上述ADC輸出數(shù)據(jù)的要求,。而且,，Zynq-7000支持PL共享PS的存儲器，只要給PS部分預(yù)留足夠的存儲器帶寬,，剩余帶寬用于存儲ADC數(shù)據(jù),，無須在PL部分再外掛存儲器，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,、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,、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,。

模擬觸發(fā)                                   數(shù)字觸發(fā)

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

數(shù)據(jù)交互

隨著數(shù)字示波器設(shè)計復(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實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和存儲,，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，一是因為本地總線一般是異步總線,，理想的情況下一個讀/寫訪問最少需要3個周期（1個setup周期,，1個access周期和1個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；二是因為讀,、寫操作共用一套地址,、數(shù)據(jù)總線，屬于半雙工操作,；三是多個從設(shè)備會競爭總線,，從而降低每個從設(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)的時間僅為10 ms,，但用于傳輸10 M點(diǎn)的時間（以理想的66 MB/s總線吞吐率為例）至少要150 ms,，是數(shù)據(jù)采樣時間的15倍。換一種說法,，即使不考慮數(shù)據(jù)處理的時間,，死區(qū)時間也達(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)時間,。Zynq-7000中采用的4個AXI-HP端口，每個端口支持最大64-bit位寬,，最高250 MHz時鐘頻率,；同時讀、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)字信號處理

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

Zynq-7000豐富的硬件資源,，為SDS1000X-E的數(shù)字信號處理功能提供了強(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)字信號處理,；PL部分具有220個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)字信號處理配置不同的硬件資源,。

運(yùn)算指令復(fù)雜,、適合軟件實現(xiàn)的功能,，可以在PS側(cè)實現(xiàn)，如信號上升沿的測量,；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)則實現(xiàn)復(fù)雜的窗函數(shù)計算,、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,，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雙音信號,，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正弦信號,，信號被作為一個頻率顯示出來,；而1 M點(diǎn)FFT的頻譜圖有著明顯更細(xì)致的頻譜以及信號處理增益，從水平100倍展開的圖中可以看出,，兩個相距50 kHz的正弦型號能夠被很好地區(qū)分開,。

圖61M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對相同信號的測量結(jié)果,。可以看到,，在小時基下,，二者的測量結(jié)果都較為精確,，與實際上升時間相差不大，但在大時基下,，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,，注意此時它的原始采樣率仍然有

1 GSa/s，這說明此時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的時基下的測量結(jié)果，注意此時的采樣率同樣為1 GSa/s,，但顯示的測量精度仍然達(dá)到了1 ns,，能夠較為真實地反映信號的參數(shù)。

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

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 系列超級熒光示波器,，擁有70M,、100MHz和200MHz 帶寬機(jī)型， 采樣率1GSa/s,， 標(biāo)配存儲深度達(dá)14Mpts,，最常用功能都采用人性化的一鍵式設(shè)計；采用SPO 技術(shù),，具有優(yōu)異的信號保真度：底噪低于業(yè)內(nèi)同類產(chǎn)品,，最小量程只有500μV /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?。徊ㄐ尾东@率高達(dá)400,000 幀/秒(Sequence 模式),，具有256 級輝度等級及色溫顯示,；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,，不僅可實現(xiàn)重要分析與硬件加速，同時還在單個器件上高度集成 CPU,、DSP,、ASSP 以及混合信號功能。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,，可實現(xiàn)優(yōu)異的性能功耗比和最大的設(shè)計靈活性。

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,，同時在突發(fā)傳輸中，只需要首地址,，同時分離的讀寫數(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)行時序收斂,。AXI 是AMBA 中一個新的高性能協(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)計的需求,。