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FPGA为测试测量仪器带来独特性能

新品抢鲜中国仪表网2009年08月27日 09:48人气:4281

 电子行业的设计工程师,在很多应用领域包括通信、国防、医疗和教育等等,都在使用FPGA。在调试FPGA电路的时候,他们可能不知道,安捷伦的测量仪器本身也使用了FPGA技术,并且和FPGA供应商在研发领域深入合作,甚至分享一些IP(知识产权),双方从测量和调试的角度积累了大量的经验。实际的设计往往会综合使用FPGA和ASIC(专用芯片)来达到最佳效果,安捷伦在其示波器、逻辑分析仪、脉冲源、误码仪等产品中,正是采用这样的综合设计。

  世上没有完美的仪器,其设计总是在某一方面优化、在某些方面作出妥协。以基于Windows平台的示波器为例,哪些功能通过软件实现、哪些功能通过硬件实现,硬件部分是采用专用芯片还是FPGA,这些都是开发者需要考虑的问题。本文给出两个例子,一是中端示波器技术创新集大成产品MSO9000A的设计,另一是MIPID-PHY协议分析设计。

  MSO9000A是三合一仪器,集示波器、逻辑分析、协议分析于一体,其研发团队在设计前经多个回合讨论,最终达成共识。其中重要的两点是:1.示波器功能是基本核心,逻辑分析仪和协议分析仪是选件,每当有新的协议技术出现,该仪器必须可以升级以支持新的标准;2.协议触发必须实现实时性,保证不漏失信号。

  要实现协议触发的实时性,是决不可以用Windows甚至Linux软件来实现的,同时又要求产品支持不同的协议种类。因此,MSO9000A设计者在示波器的前端输入电路和触发电路之间加入了一个FPGA芯片,对串行总线提供实时时钟恢复,并检测串行数据包结构,将串行数据包内容馈送到示波器的触发电路,从而使得示波器可基于串行总线协议实现硬件触发,将来新的协议出现时,也可以通过升级来支持。用户设置特定的协议触发条件,MSO9000示波器通过硬件来确定何时进行触发,并执行重复测量或单次测量。

  图1给出了该设计的照片,该产品采用20层电路板结构,用了27个专用芯片,3个FPGA,集成到一个采集板中,然后垂直放置(注意不是水平放置)于15英寸显示屏后面,最终的MSO9000A产品很薄,集外观美观、灵活、多功能特点于一体。

  图2给出MIPI-DPHY协议分析的N4851A硬件电路照片,该电路的作用是数据中转和转换中心,图中的FPGA是核心部分,N4851A中的FPGA负责捕获和处理MIPID-PHY串行数据,然后再转换成多路低速并行数据传送给逻辑分析仪。该FPGA能捕获和处理的数据速率高达800Mbps,而N4861A中的FPGA则负责将来自逻辑分析仪的并行数据转换成高速串行MIPID-PHYCSI/DSI信号。

  FPGA在测量仪器,尤其是高性能仪器中的应用,越来越受到重视。要想让测量仪器具有独特之处,模拟电路部分固然重要,但在有些方面FPGA的应用可能会成为决定产品是否能为用户接受的关键。安捷伦已经在一些方面做出示范,由此可以看出FPGA在行业的应用趋势在如下几个方面。1.复杂触发电路的实现:如串行信号协议触发、频域触发等,先锋产品如MSO9000A的协议触发;2.深存储数据的处理:仪器的存储深度越来越深是必然趋势,用FPGA处理可兼顾实时性和可程控性,先锋产品如DSA90000A的深存储专用加速处理芯片;3.复杂运算的处理:均衡和去嵌入等技术在5Gbps及更快的信号测试是必然要考虑的数字处理技术。
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