鼎阳SDS1102X示波器拆解分析

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。

关于AXI总线

AXI（Advanced eXtensible Interface）是一种总线协议，该协议是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）协议中最重要的部分，是一种面向高性能、高带宽、低延迟的片内总线。它的地址/控制和数据相位是分离的，支持不对齐的数据传输，同时在突发传输中，只需要首地址，同时分离的读写数据通道、并支持Outstanding传输访问和乱序访问，并更加容易进行时序收敛。AXI 是AMBA 中一个新的高性能协议。AXI 技术丰富了现有的AMBA 标准内容，满足超高性能和复杂的片上系统（SoC）设计的需求。

硬件工程师基本功（1）—示波器使用及原理

硬件基本功（3）——示波器探头