【導(dǎo)讀】圖1是90000-X示波器的捕獲板。90000-X示波器使用磷化銦技術(shù)，其硬件帶寬可達(dá)33GHz，實(shí)時(shí)采樣率可達(dá)80GSa/s，存儲(chǔ)深度可達(dá)2GB。這些指標(biāo)都達(dá)到了業(yè)界頂尖的水平。
但是隨著采樣速率和存儲(chǔ)深度的提升，數(shù)字信號(hào)處理能力成為一大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的使用內(nèi)置計(jì)算機(jī)的Matlab軟件處理方式已經(jīng)不能滿足測(cè)試速度的要求。現(xiàn)在，90000和90000-X示波器采用FPGA硬件進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理，代表了示波器數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展的方向。
90000和90000-X示波器的FPGA執(zhí)行了如下處理，大幅度提升了示波器響應(yīng)的速度;其FPGA也集成了嵌入去嵌入和精密探頭校準(zhǔn)算法，也大幅度提升了測(cè)試精度。
1、MegaZoom處理核
MegaZoom處理核集成在FGPA內(nèi)部，它對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行管理。首先是使用乒乓處理技術(shù)，把存儲(chǔ)器分為兩部分，一部分捕獲數(shù)據(jù)時(shí)，另一部分在傳遞數(shù)據(jù)。這樣波形更新速度可提升一倍。
MegaZoom也進(jìn)行壓縮處理，進(jìn)行屏幕顯示波形數(shù)據(jù)運(yùn)算，只傳遞需要顯示的數(shù)據(jù)到示波器屏幕上，這樣刷新速率會(huì)提升許多倍。一旦需要測(cè)量數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)傳遞給內(nèi)部計(jì)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。現(xiàn)在已經(jīng)能夠用FPGA處理一部分測(cè)量參數(shù)了，只傳遞測(cè)量參數(shù)，速度又將大幅提升。
2、FPGA進(jìn)行波形參數(shù)測(cè)量
現(xiàn)在已經(jīng)把一部分測(cè)試參數(shù)用FPGA實(shí)現(xiàn)了，未來(lái)會(huì)把主要的測(cè)量參數(shù)都用FPGA實(shí)現(xiàn)，整個(gè)示波器的速度又會(huì)大幅度提升。
3、FPGA進(jìn)行正弦內(nèi)插
傳統(tǒng)的示波器的Sinx/x正弦內(nèi)插是用內(nèi)置計(jì)算機(jī)的Matlab來(lái)實(shí)現(xiàn)，一旦設(shè)置的存儲(chǔ)深度比較深，則示波器的速度會(huì)變得很慢，現(xiàn)在用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，則沒(méi)有這樣的瓶頸。
4、FPGA進(jìn)行幅度和相位修正
硬件放大器、采樣保持電路的幅頻和相頻響應(yīng)沒(méi)法做到很完美，那用FPGA進(jìn)行幅度和相位修正是理想化頻響的正當(dāng)方法。有的示波器也可以用這種修正來(lái)提升或降低示波器的帶寬。圖2是提升示波器帶寬的方法，應(yīng)用一個(gè)高通濾波器(圖2綠色曲線)，提升示波器帶寬(原來(lái)硬件帶寬曲線是紅色曲線)到更高數(shù)量級(jí)(藍(lán)色曲線)。
圖2. DSP提升示波器帶寬的方法
5、FPGA進(jìn)行觸發(fā)抖動(dòng)修正
硬件觸發(fā)器的觸發(fā)抖動(dòng)一般是1PS以上，可以用FPGA進(jìn)行觸發(fā)抖動(dòng)修正到100fs量級(jí)，這樣提升了單個(gè)波形的觸發(fā)精度。但是沒(méi)法修正雙通道的時(shí)間偏差不確定度。
6、FPGA進(jìn)行FFT運(yùn)算和頻譜觸發(fā)
用FPGA進(jìn)行FFT運(yùn)算可大幅度提升FFT處理的速度，并且可以進(jìn)行頻譜觸發(fā)。用內(nèi)置計(jì)算機(jī)的Matlab進(jìn)行FFT處理，當(dāng)內(nèi)存深度設(shè)置比較深時(shí)一般較慢，也沒(méi)法進(jìn)行頻譜觸發(fā)。
7、FPGA執(zhí)行嵌入和去嵌入處理，執(zhí)行精密探頭校準(zhǔn)參數(shù)的處理
用FPGA執(zhí)行嵌入和去嵌入處理，大幅度提升了響應(yīng)速度。
由于精密探頭校準(zhǔn)參數(shù)類似于S參數(shù)，校準(zhǔn)參數(shù)表的數(shù)據(jù)量比較大，只有用FPGA進(jìn)行處理，才能滿足速度的要求。
8、FPGA執(zhí)行協(xié)議觸發(fā)和協(xié)議譯碼
示波器做總線的協(xié)議分析是示波器應(yīng)用方向之一，但是用軟件做協(xié)議譯碼速度比較慢，用軟件只能進(jìn)行協(xié)議搜索，而不能進(jìn)行協(xié)議觸發(fā)。現(xiàn)在一些示波器如3000-X示波器已經(jīng)用處理器實(shí)現(xiàn)了這個(gè)功能，使得譯碼速度很快，而且可以進(jìn)行協(xié)議的硬件觸發(fā)。高端示波器用FPGA實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能也在研發(fā)之中。
小結(jié)：
高端示波器用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)正在不斷提升中，這必將大幅度提升示波器的響應(yīng)速度和精度。這是示波器R&D關(guān)鍵工作之一。
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