鼎阳SDS1102X示波器拆解分析

2019-12-04来源: elecfans关键字:SDS1102X  示波器  拆解

SDS1000X-E中采用的XC7Z020 SoC芯片,具有双核ARM Cortex-A9处理器(PS)+基于Artix-7架构的FPGA(PL),其中处理器部分支持的最高主频为866 MHz, FPGA部分则包含85k逻辑单元、4.9 Mb Block RAM和220个DSP Slice,并提供对常用外部存储器如DDR2/DDR3的支持,非常契合数字示波器中对数据进行采集、存储和数字信号处理的需求。同时,Zynq-7000的PS(处理器系统)和PL(可编程逻辑)部分之间通过AXI高速总线互连,可以有效解决传统数字存储示波器中CPU与FPGA间数据传输的带宽瓶颈问题,有利于降低数字示波器的死区时间,提高波形捕获率。用单片SoC芯片替代传统的CPU+FPGA的分立方案,也可以减少硬件布板面积,有利于将高性能处理系统向紧凑型的入门级示波器中集成。


数据采集与存储

△图 2 用Zynq-7000构架的SPO引擎

SDS1000X-E中采用的高速模-数转换(ADC)芯片,其数据接口为LVDS差分对形式,每对LVDS的速率为1 Gbps。采用的Zynq-7000芯片,其可编程IO的LVDS最高速率可达1.25 Gbps,可以保证稳定可靠地接收ADC采样到的数据。


同时,FPGA接收到的高速ADC数据需要实时地写入到存储器中,以8-bit,1 GSa/s的ADC为例,其输出数据的吞吐率为1 GByte/s。Zynq-7000支持常用的DDR2、DDR3等低成本存储器,最高DDR3接口速率可达1066 MT/s,因此,使用单片DDR3即可满足实时存储上述ADC输出数据的要求。而且,Zynq-7000支持PL共享PS的存储器,只要给PS部分预留足够的存储器带宽,剩余带宽用于存储ADC数据,无须在PL部分再外挂存储器,降低了成本。


更为重要的是,基于Zynq-7000中丰富的可编程逻辑资源(XC7Z020中为85k等效逻辑单元),SDS1000X-E集成高灵敏度、低抖动、零温漂的数字触发系统,使得其触发更为准确;各种智能触发功能如斜率、脉宽、视频、超时、欠幅、码型等,能帮助用户更精确地隔离出感兴趣的波形;总线协议触发甚至能直接用符合条件的总线事件(如I2C总线的起始位,或UART的特定数据)作为触发条件,极大地方便调试。

△图 3 模拟触发系统与数字触发系统的触发抖动对比

数据交互

随着数字示波器设计复杂性的增加和处理器处理能力的提升,总线结构日益成为系统性能的瓶颈。传统的入门级数字示波器,采用低成本的嵌入式处理器作为控制和处理核心,采用低成本的FPGA实现数据采集和存储,二者之间通过并行的本地总线互连,处理器作为主设备,FPGA作为从设备;总线上同时还连接其他处理器外设,如FLASH、USB控制器等,如图 4所示。

△图 4 传统架构的嵌入式处理器与FPGA互连

这种互连方式的最大问题是数据吞吐率低,一是因为本地总线一般是异步总线,理想的情况下一个读/写访问最少需要3个周期(1个setup周期,1个access周期和1个hold周期)。以16-bit位宽,外部总线频率100 MHz的本地总线为例,其理想的最高总线访问吞吐率为66 MB/s;二是因为读、写操作共用一套地址、数据总线,属于半双工操作;三是多个从设备会竞争总线,从而降低每个从设备的有效数据吞吐率。以1 GSa/s采样率的数字示波器为例,其采样10 M点的时间仅为10 ms,但用于传输10 M点的时间(以理想的66 MB/s总线吞吐率为例)至少要150 ms,是数据采样时间的15倍。换一种说法,即使不考虑数据处理的时间,死区时间也达到了15/16 = 93.75%。


SDS1000X-E采用Zynq SoC架构,处理器(PS)和FPGA(PL)之间采用高速AXI总线互连,可以有效地解决二者间数据传输的带宽瓶颈问题,大大提高数据吞吐率,降低示波器的死区时间。Zynq-7000中采用的4个AXI-HP端口,每个端口支持最大64-bit位宽,最高250 MHz时钟频率;同时读、写通道分开,可执行全双工操作;PS和PL之间属于点到点传输,不存在与其它设备的总线竞争。使用单个HP端口传输数据,其吞吐率都可以轻易达到双向各1 GB/s的速度,4个端口总共可达到的读、写速率一共超过8 GB/s,远远大于本地总线的传输速率。

△图 5 Zynq SoC中处理器与可编程逻辑的互连

数字信号处理

SDS1000X-E中配备了很多实用性高、性能强大的数字信号处理功能,如支持1 M点运算的FFT、增强分辨率(Eres)、14 M 全采样点的串行协议解码、14 M 全采样点的多种测量以及数学运算等,大大提高了入门级数字示波器的数字信号处理能力。


Zynq-7000丰富的硬件资源,为SDS1000X-E的数字信号处理功能提供了强大的支撑。SDS1000X-E中采用的XC7Z020 SoC芯片,PS部分具有双核ARM Cortex-A9处理器,最高主频为866 MHz, 并行协处理器NEON可以在软件层面执行数字信号处理;PL部分具有220个DSP Slice和4.9 Mb Block RAM;加上PS和PL之间数据接口极高的吞吐率,使得我们可以灵活地为不同的数字信号处理配置不同的硬件资源。


运算指令复杂、适合软件实现的功能,可以在PS侧实现,如信号上升沿的测量;需要使用大量乘累加运算,对硬件资源依赖度较高的功能,可以在PL侧实现,如示波器中常用的插值滤波。


有些复杂的功能,则可以利用PS和PL间的高数据带宽进行协同处理,例如FFT运算,在PL侧利用丰富的DSP Slice和Block RAM资源构建协处理器对基本FFT运算进行硬件加速,PS侧则实现复杂的窗函数计算、绘图、UI等操作。基于这种协同处理的架构,SDS1000X-E上的FFT支持高达1M 点的FFT,在获得极高的频谱分辨率的同时,还能大大加快频谱的刷新速度。图 6显示了在SDS1000X-E上分别进行16 k点和1 M点FFT的频谱分辨率对比。此例中我们给示波器输入了一个双音信号,其频率为100 MHz和100.05 MHz,从16 k点FFT获得的频谱图中我们无法分辨如此靠近的两个正弦信号,信号被作为一个频率显示出来;而1 M点FFT的频谱图有着明显更细致的频谱以及信号处理增益,从水平100倍展开的图中可以看出,两个相距50 kHz的正弦型号能够被很好地区分开。

△图 6  1M点FFT获得极高的频谱分辨率

类似的,在SDS1000X-E还有诸多这种PS和PL间相互协同处理而获得的高性能数字信号处理。例如,SDS1000X-E可以对14 M 全采样点进行多种测量和串行协议解码,而这是在许多中、高端示波器中都做不到的。图 7中,上方两图为某主流中端示波器对10 ns上升沿的测量结果,下方两图为SDS1000X-E对相同信号的测量结果。可以看到,在小时基下,二者的测量结果都较为精确,与实际上升时间相差不大,但在大时基下,右上图显示该示波器在100 us/div下只能显示"< 48ns"的测量结果,注意此时它的原始采样率仍然有1 GSa/s,这说明此时它的测量对象并不是原始波形数据,而是经过压缩后映射到屏幕上的数据。右下图显示SDS1000X-E在1 ms/div的时基下的测量结果,注意此时的采样率同样为1 GSa/s,但显示的测量精度仍然达到了1 ns,能够较为真实地反映信号的参数。


SDS1000X-E基于全采样点的数字信号处理以及高达14 M点的存储深度,允许用户在大时基下观察信号整体的同时,仍然能获得细节上的处理结果;同时由于其基于Zynq架构的处理方式,使得信号处理的性能和速度达到最优,具备更好的实时性和灵活性。

△图 7 压缩点测量与全采样点测量精度对比

关于SDS1000X-E

SIGLENT SDS1000X-E 系列超级荧光示波器,拥有70M、100MHz和200MHz 带宽机型, 采样率1 GSa/s, 标配存储深度达14 Mpts,最常用功能都采用人性化的一键式设计;采用SPO 技术,具有优异的信号保真度:底噪低于业内同类产品,最小量程只有500 μV /div; 创新的数字触发系统,触发灵敏度高,触发抖动小;波形捕获率高达400,000 帧/秒(Sequence 模式),具有256 级辉度等级及色温显示;支持丰富的智能触发、串行总线触发和解码;支持历史模式(History)、顺序模式 (Sequence)和增强分辨率模式(Eres);具备丰富的测量和数学运算功能;1M 点FFT 可以得到非常细致的频率分辨率;14M 全采样点的测量保证了测量精度和采样精度相同,毫无失真;是一款高性能经济型通用示波器。


关于Zynq-7000

Xilinx Zynq®-7000 全可编程 SoC (AP SoC) 系列集成 ARM® 处理器的软件可编程性与 FPGA 的硬件可编程性,不仅可实现重要分析与硬件加速,同时还在单个器件上高度集成 CPU、DSP、ASSP 以及混合信号功能。Zynq-7000 器件配备双核 ARM Cortex-A9 处理器,该处理器与基于 28nm Artix-7 或 Kintex®-7 的可编程逻辑集成,可实现优异的性能功耗比和最大的设计灵活性。

关键字:SDS1102X  示波器  拆解 编辑:什么鱼 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic481934.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:示波器的FFT能解决什么问题?
下一篇:混合信号示波器为许多复杂的测试提供了理想的解决方案

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

鼎阳科技宣布推出四通道SDS1000X-E系列数字示波器
SDS1000X-E四通道系列搭载7英寸的显示屏,分辨率高达800*480,带宽可达200MHz;鼎阳独创的SPO 技术使其具有优异的信号保真度:底噪低于业内同类产品,最小量程低至500μV /div;不同于市面上同类产品采用的压缩点运算,其可实现14M全采样点测量运算,毫不遗漏,拒绝失真。下面就随测试测量小编一起来了解一下相关内容吧。2017年8月29日 深圳 鼎阳科技宣布推出四通道SDS1000X-E系列超级荧光示波器。SDS1000X-E四通道系列搭载7英寸的显示屏,分辨率高达800*480,带宽可达200MHz;鼎阳独创的SPO 技术使其具有优异的信号保真度:底噪低于业内同类产品,最小量程低至500μV /div;不同于
发表于 2017-08-29
如何利用示波器实现远程控制
示波器作为电子行业最常用的测量仪器之一,牵涉着大量的图片导入导出,数据处理,自动化操作等等。我们打算在这里给大家详细讲解示波器的远程控制,具体安排如下: 1 通过无线网络环境实现的远程图片存取和控制(适用于特殊场合或者远程debug) 2 基于特殊软件快速无基础实现自动化测试(适用于简易自动化测试的快速设定) 3 基于SCPI指令编程基础(要学编程,需要注意什么?)一、示波器远程控制之无线控制有很多场合不方便使用线缆连接电脑和示波器,比如办公桌离试验台较远,因为安全问题实验室需要全封闭,或者我们想在家里或者任何其他地方看一下示波器波形。如何利用示波器无线远程控制让你
发表于 2019-12-05
如何利用示波器实现远程控制
示波器和频谱仪的性能指标对比分析
分不清示波器和频谱仪的区别的人常闹笑话,为避免尴尬,本文简单总结以下四点——用实时带宽、动态范围、灵敏度、功率测量准确度,比较示波器和频谱仪的分析性能指标,来区分两者。1 实时带宽对于示波器来说,带宽通常是其测量频率范围。而频谱仪则有中频带宽、分辨带宽等带宽定义。这里,我们以能对信号进行实时分析的实时带宽作为讨论对象。对于频谱仪来说,末级模拟中频的带宽通常可以作为其信号分析的实时带宽,大多数的频谱分析的实时带宽只有几兆赫兹,通常较宽的实时带宽通常为几十兆赫兹,当然目前带宽最宽的FSW频谱仪可以达到500兆赫兹。而示波器的实时带宽为其实时取样的有效模拟带宽,一般为数百兆赫兹,高的可达数千兆赫兹。这里需要指出的是,大多数的示波器
发表于 2019-12-05
示波器和频谱仪的性能指标对比分析
示波器系统及控制
示波器包含四个不同的基本系统: 垂直系统、水平系统、触发系统和显示系统。理解每一个系统的含义,有助于您更有效地应用示波器,完成特定的测量任务。下面简要描述模拟和数字示波器的基本的系统和调节控制。模拟和数字示波器的一些控制并不相同。示波器的前面板分为三个主要的区域, 标注为垂直区、水平区和触发区。由于模式和类型(模拟或数字)不同,您的示波器也许还有其他的区域。参看图22, 当使用示波器时,为接收输入信号,需要对以下配置进行调整:信号的衰减和放大值:通过控制伏特/格,可以把信号的幅度调整到期望测量范围内。时基:通过控制秒1格,可以显示屏中每水平刻度代表的时间量,示波器触发:利用触发电平,可以稳定重复信号,或者触发单一的事件。垂直
发表于 2019-12-05
示波器系统及控制
简析示波器相关知识
自然界存在着各种形式的波,比如海浪、地震、声波、爆破、空气中传播的声音,或者身体运转的自然节律。物理世界里,能量、振动粒子和不可见的力无处不在。 即使是光(波粒二象物质)也有自己的频率,并因为频率的不同呈现出不同的颜色。示波器示波器是任何设计、制造或是维修电子设备的必备之物。当今世界瞬时万变,工程师们需要最好的工具,快速而精确地解决测量疑难。示波器的用途不仅仅局限于电子领域。示波器利用信号变换器,适用于各种各样的物理现象。信号变换器能够响应各种物理激励源,使之转变为电信号,包括声音、机械应力、压力、光、热。麦克风属于信号变换器,它实现把声音转变为电信号。由示波器收集科学数据的例子如图1所示。什么是示波器,它是如何工作的?示波器
发表于 2019-12-05
简析示波器相关知识
示波器触发源如何选择,触发的作用是什么
在“浅谈模拟示波器触发模式和功能”中我们了解了众多关于模拟示波器的触发模式,在这一篇,我们就来了解一下关于示波器的触发源,以及触发的作用什么是触发触发就是在使用示波器时,为了使扫描信号与被测信号同步,我们可以设定一些条件,将被测信号不断地与这些条件相比较,只有当被测信号满足这些条件时才启动扫描,从而使得扫描的频率与被测信号相同或存在整数倍的关系,也就是同步,这些条件就是触发条件, 如致远电子ZDS2024Plus示波器标配了22种协议触发,可以根据我的需求来设置触发方式。触发的目的是为了每次显示的时候都在波形的同一位置开始,波形可以稳定显示。一般模拟示波器有边沿触发、视频触发和市电触发,在数字示波器上有了更多的触发条件被称为
发表于 2019-12-05
示波器触发源如何选择,触发的作用是什么
小广播
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2019 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved