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測量儀器

FPGA為測試測量儀器帶來獨特性能

發(fā)布日期:2022-10-09 點擊率:84

     電子行業(yè)的設計工程師,在很多應用領域包括通信、國防、醫(yī)療和教育等等,都在使用FPGA。在調試FPGA電路的時候,他們可能不知道,安捷倫的測量儀器本身也使用了FPGA技術,并且和FPGA供應商在研發(fā)領域深入合作,甚至分享一些IP(知識產權),雙方從測量和調試的角度積累了大量的經驗。實際的設計往往會綜合使用FPGA和ASIC(專用芯片)來達到最佳效果,安捷倫在其示波器、邏輯分析儀、脈沖源、誤碼儀等產品中,正是采用這樣的綜合設計。
    
     世上沒有完美的儀器,其設計總是在某一方面優(yōu)化、在某些方面作出妥協(xié)。以基于Windows平臺的示波器為例,哪些功能通過軟件實現、哪些功能通過硬件實現,硬件部分是采用專用芯片還是FPGA,這些都是開發(fā)者需要考慮的問題。本文給出兩個例子,一是中端示波器技術創(chuàng)新集大成產品MSO9000A的設計,另一是MIPID-PHY協(xié)議分析設計。

     MSO9000A是三合一儀器,集示波器、邏輯分析、協(xié)議分析于一體,其研發(fā)團隊在設計前經多個回合討論,最終達成共識。其中重要的兩點是:1.示波器功能是基本核心,邏輯分析儀和協(xié)議分析儀是選件,每當有新的協(xié)議技術出現,該儀器必須可以升級以支持新的標準;2.協(xié)議觸發(fā)必須實現實時性,保證不漏失信號。
 
     要實現協(xié)議觸發(fā)的實時性,是決不可以用Windows甚至Linux軟件來實現的,同時又要求產品支持不同的協(xié)議種類。因此,MSO9000A設計者在示波器的前端輸入電路和觸發(fā)電路之間加入了一個FPGA芯片,對串行總線提供實時時鐘恢復,并檢測串行數據包結構,將串行數據包內容饋送到示波器的觸發(fā)電路,從而使得示波器可基于串行總線協(xié)議實現硬件觸發(fā),將來新的協(xié)議出現時,也可以通過升級來支持。用戶設置特定的協(xié)議觸發(fā)條件,MSO9000示波器通過硬件來確定何時進行觸發(fā),并執(zhí)行重復測量或單次測量。



     圖中給出了該設計的照片,該產品采用20層電路板結構,用了27個專用芯片,3個FPGA,集成到一個采集板中,然后垂直放置(注意不是水平放置)于15英寸顯示屏后面,最終的MSO9000A產品很薄,集外觀美觀、靈活、多功能特點于一體。

     圖2給出MIPI-DPHY協(xié)議分析的N4851A硬件電路照片,該電路的作用是數據中轉和轉換中心,圖中的FPGA是核心部分,N4851A中的FPGA負責捕獲和處理MIPID-PHY串行數據,然后再轉換成多路低速并行數據傳送給邏輯分析儀。該FPGA能捕獲和處理的數據速率高達800Mbps,而N4861A中的FPGA則負責將來自邏輯分析儀的并行數據轉換成高速串行MIPID-PHYCSI/DSI信號。

     FPGA在測量儀器,尤其是高性能儀器中的應用,越來越受到重視。要想讓測量儀器具有獨特之處,模擬電路部分固然重要,但在有些方面FPGA的應用可能會成為決定產品是否能為用戶接受的關鍵。安捷倫已經在一些方面做出示范,由此可以看出FPGA在行業(yè)的應用趨勢在如下幾個方面。1.復雜觸發(fā)電路的實現:如串行信號協(xié)議觸發(fā)、頻域觸發(fā)等,先鋒產品如MSO9000A的協(xié)議觸發(fā);2.深存儲數據的處理:儀器的存儲深度越來越深是必然趨勢,用FPGA處理可兼顧實時性和可程控性,先鋒產品如DSA90000A的深存儲專用加速處理芯片;3.復雜運算的處理:均衡和去嵌入等技術在5Gbps及更快的信號測試是必然要考慮的數字處理技術。因其運算量大,必然影響儀器響應速度,適合用FPGA來處理,先鋒產品如DSA90000A的N5465A和N5461A。

     和其他器件一樣,能否用好FPGA,往往取決于使用者對所用的FPGA芯片有多深入的了解。“我雖然對FPGA本身和我自身專業(yè)很熟悉,但公司多年和FPGA供應商研發(fā)部門合作,分享一些內部IP,極大地提高了我的開發(fā)效率。”負責MSO9000A的FPGA部分的開發(fā)工程師MikeBeyers說,“我在調試過程中使用的ATC是我們使用FPGA的團隊自己開發(fā),經多年和FPGA供應商一起反復優(yōu)化的,該ATC和整個FPGA調試方案,我們也對其他使用FPGA的公司開放。”


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