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测量仪器的变革——威视锐智能测试仪WaveXpert拆解
发布时间:2014-11-11
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测量仪器的变革——威视锐智能测试仪WaveXpert拆解
发布时间:2014-11-11
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对于硬件设计人员来说,必然会接触到各种测试仪器比如万用表、示波器、信号发生器等等。其中示波器可以说是调试或者测量时最常用到的工具。示波器将测量信号转化为电压信号在一个时域范围内记录显示,这样工程师可以观察一段时间内信号的变化,可以说大大提高工程师的效率。

示波器一般包括采集、分析、显示、存储部分。最早出现的是模拟示波器,在上世纪90年代,数字示波器随着性能提升逐渐得到广泛应用。模拟示波器虽然有一些自己的优点,比如实时采样率高,但是整个的趋势还是逐渐被数字示波器取代,例如泰克早就停产了模拟示波器。

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衡量数字示波器的重要指标一般包括带宽、采样率以及存储深度。随着技术进步,数字示波器的采样率不断提高,安捷伦推出的全球最高带宽示波器实时采样率达到了160GSa/s,可以说已经完全超越模拟示波器。一方面数字示波器的采样率等性能指标不断提升,而另一方面数字示波器还有向小型和便携的方向发展。

模拟示波器受到CRT显示管的限制,体积不能太小,而数字示波器随着半导体工艺进步和集成电路的发展体积变得更小,性能却不断提升。对于一些要求不高的场合甚至出现了手持式便携示波器。正是由于数字示波器的出现,数据的采集处理和分析显示功能可以分开,因此也出现了一种所谓虚拟示波器。也就是信号数据采集存储后通过USB传到PC,利用PC机处理能力进行分析显示,这样示波器可以做得更加小巧便携。爱板网曾经做过一款台湾Acute生产的 DS-1302 虚拟示波器拆解

虚拟示波器在便携性上的优势无与伦比,完全能够满足一般的信号测量要求。不过它需要配合电脑使用,通过USB传输数据,其实就是把示波器的主机换成了电脑,所有测量操作通过电脑上的软件进行。

在移动互联网普及的今天,手机和平板电脑的处理能力已经可以媲美PC机,各种智能硬件层出不穷。传统的示波器尤其是虚拟示波器如何适应新时代的发展也是很有意思的课题,爱板网刚刚评测过的威视锐WaveXpert智能测量仪是一个很有意义的尝试。便携、无线、云端,WaveXpert具有目前流行的智能硬件所有元素,它的内部究竟如何?爱板网工程师会慢慢道来。

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WaveXpert智能测量仪

WaveXpert作为示波器使用的话主要参数指标如下:

  • 采样率:100MHz
  • 精度:12bit
  • 通道:双通道
  • 带宽:10MHz(sine)
  • 输入阻抗:1M
  • DC耦合方式
  • 最大输入电压:-5V~+5V(x10 probe)
  • 最大输入电压:-250mV~+250mV(x1 probe)
  • 内部触发:边沿/电平
  • 屏幕分辨率:1000 points
  • 采样深度:最大达 5242880 points
  • 数据处理能力:1Mbps左右
  • 波形刷新率:30Fps
  • 死区时间:30ms左右

关于威视锐WaveXpert智能测量仪更详细的资料可以参考爱板网的评测文章。本文接下来将对WaveXpert进行拆解,进一步了解其设计方案。

WaveXpert拆解

评测中已经得知Wavexpert的发热量很大,而相应的铝合金外壳的设计非常厚道,对散热很理想,同样,爱板网工程师在拆解WaveXpert的时候也是相当简单方便,拧下4颗螺丝即可搞定。

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WaveXpert拆解全家福

值得一提的是,WaveXpert铝合金外壳的结构设计有点像智能路由器,主板与外壳是通过抽屉式结构固定,不过相对智能路由器不同的是WaveXpert的外壳更自由,通过巧妙的结构设计使上下盒盖可以相互卡住,也可以拆分。

再来看下主板,WaveXpert的主板设计倒还是给人一些惊喜,居然另有玄机。在主板的背面还有一块核心板,通过DIMM金手指接口连接,这样的设计无疑更利于给工程师提供一个可DIY、可定制的平台。如下图所示

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取下核心板,在主板的背面几乎没什么电路,所以我们还是将关注点移到WaveXpert主板正面以及核心板上。

WaveXpert主板

由于是工程样机缘故,我们在仔细观察后能发现主板上存在不少改动,如ADC输入端的跳线、DAC输出端处的跳线。另外可以看到主板上复位指示灯的焊锡已经脱落,属于断开状态,不过这些小问题并不不妨碍我们来了解WaveXpert的原理,重点我们还是关注板卡上两个核心IC器件AD转换器以及DA转换器。

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WaveXpert主板正面

WaveXpert主板核心资源:

  • ADC转换:Ti ADS4225(ADS4225数据手册 ADC转换器
  • DAC转换:ADI AD9788(AD9788数据手册) DAC转换器
  • 外设接口:电源/USB-TO-UART MicroUSB接口、MicroSD卡座、千兆以太网口、USB HOST接口、PMOD接口、JTAG接口等
  • 板载IC器件:SILABS CP2301 USB-TO-UART、Atmel AT88SC加密芯片、Liner/Ti 降压转换器

在WaveXpert作为示波器使用的时候,采样的主要工作由AD芯片完成,在WaveXpert的主板上,AD采样功能的设计通过Ti的ADS4225实现,这是一款12位的双通道ADC转换器,1.8V单电压供电,最高实现125MSPS采样速率,采用QFN-64(9mm*9mm)的封装。ADS4225还具有极低的功耗277mW @ 125MSPS

SFDR,英文全称是 Spurious Free Dynamic range。意为无杂散动态范围,用于A/D转换器和D/A转换器(ADC和DAC)的指标。

除此之外,ADS4225具有高动态性能,可以通过调节增益来改善SFDR,通过内部直流偏移校正环路取消ADC的偏移,简要的工作原理如下图所示,另外有关ADS4225详细的指标可以数据手册。

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ADS4225简要的工作原理

WaveXpert板载的另一个重要IC器件就是实现信号发生器功能的DAC转换器ADS9788,其功能框图如下图所示

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ADS9788 DAC转换器特性:

  • 可调模拟输出:8.7 mA至31.7 mA,RL = 25 Ω至50 Ω
  • 低功耗精密复数NCO允许载波设置在DAC带宽内的任意位置,而增加的功耗低于<300 mW
  • 辅助DAC支持I和Q增益匹配和失调控制,包含可编程I和Q相位补偿
  • 内部数字上变频功能,多芯片同步接口
  • 高性能、低噪声锁相环(PLL)时钟倍频器
  • 数字反sinc滤波器
  • 100引脚、裸露焊盘TQFP封装

ADS9788是一个16位的高动态DAC转换器,采用0.18 μm CMOS工艺,支持1.8V和3.3V供电。ADS9788 可以实现800MSPS的采样速率,在实际产品的应用中,DAC输出经过优化,可以与模拟正交调制器无缝接口,比如ADI公司的ADL537x 系列;串行外设接口SPI允许对许多内部参数进行编程和回读;满量程输出电流可以在10 mA至30 mA范围内进行编程。

除此之外,ADS9788还具有非常突出的特点,如:

  • 利用低噪声与交调失真(IMD)特性,从基带到高中频的宽带信号可以实现高质量合成
  • 专有的DAC输出开关技术可增强动态性能
  • CMOS数据输入接口,具有可调的建立与保持功能
  • 低功耗复数32位数控振荡器(NCO)

ADS9788非常适用于无线基础设施、数字高低中频合成、宽带通信等应用领域。

WaveXpert核心板

如果说主板搭载的是与外界交互的主要接口电路设计,那么核心板就是数据的处理中心。WaveXpert核心板看起来十分小巧,类似我们平时看到的笔记本内存条。

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WaveXpert核心板

核心板板载主要器件:

核心板的主要器件为XILINX ZYNQ XC7Z010-CLG400 ,这是赛灵思ZYNQ XC7000系列中的一款入门级产品:

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ZYNQ XC7000系列

即便是如此,ZYNQ XC7Z010-CLG400的结构仍旧是非常庞大复杂,我们可以简单的理解为一个可编程的SoC,内部集成了两个ARM Cortex-A9的内核,主频为1GHz。

核心板除了赛灵思ZYNQ XC7000系列的主SoC外,还搭载了实现千兆以太网功能的MARVELL 88E1116R收发器,实现USB接口功能的Microchip USB3320C,另外核心板同样搭载了NAND FLASH以及DARAM等器件,这里就不再一一介绍了。

通过对Wavexpert的拆解,我们很容易就能绘制出其简要的原理框图,如下图所示

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Wavexpert简要硬件原理框图

当然,威视锐WaveXpert不仅仅是一个示波器,其创新的设计理念让产品成为一个多功能的电子测量仪,如通过MicroSD烧录不同的启动镜像文件配置FPGA可以实现不同功能,像信号发生器、协议分析仪、逻辑分析仪等,这也给工程师实现二次开发预留了一定的空间。

最后我们再将WaveXpert和爱板网先前评测过的Acute DS-1302虚拟示波器做个比较:

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威视锐WaveXpert VS 皇晶Acute DS-1302

小结

拆解了威视锐智能测量仪器WaveXpert工程样机,尽管WaveXpert还不是一个非常成熟产品,但是通过拆解发现它的潜力巨大。与目前虚拟示波器采用USB传输不同的是WaveXpert可以通过有线或者无线网络与PC、手机和平板相连。WaveXpert的优点在于:

  • 采样速率高达100MS/s,内部采用了最新的Zync SoC FPGA处理。
  • 可扩展二次开发能力,FPGA的可重新配置使得WaveXpert不仅可作为一台示波器,还能配置成信号发生器、逻辑分析仪以及协议分析等,实现多种仪器合一,真正是一台手中实验室。
  • 无线连接的功能使得手机平板等移动设备可以更方便测试,测试波形的存储、共享、分析更便捷。

WaveXpert可以说是一个有变革意义的产品,当然现阶段还是有很多不足。比如只有直流耦合、触发方式单一、幅值较小等等。特别是目前软件不完善,我们只是尝试了示波器和信号发生器的软件,虽然基本功能实现,但是数据处理计算还是非常简陋。可以说还有很大的潜力。

便宜、功能强大、多种测量仪器合一的设备是每一个极客或电子爱好者所梦想的。WaveXpert特别适合教学或者电子发烧友使用,它能够完全胜任一些基础的测量任务,例如极客们常用的Arduino、树莓派或者无线电使用时的信号测量。当然WaveXpert的软硬件还有很大的改进空间,针对它的使用人群,把WaveXpert完全开源是一个不错的方向,这样也许能使它成为一个真正变革性的测量仪器。

参考资料

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