FPGA為測試測量?jì)x器帶來(lái)獨特性能

　　電子行業(yè)的設計工程師，在很多應用領(lǐng)域包括通信、國防、醫療和教育等等，都在使用FPGA。在調試FPGA電路的時(shí)候，他們可能不知道，安捷倫的測量?jì)x器本身也使用了FPGA技術(shù)，并且和FPGA供應商在研發(fā)領(lǐng)域深入合作，甚至分享一些IP(知識產(chǎn)權)，雙方從測量和調試的角度積累了大量的經(jīng)驗。實(shí)際的設計往往會(huì )綜合使用FPGA和ASIC(專(zhuān)用芯片)來(lái)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(chǎn)品中，正是采用這樣的綜合設計。

　　世上沒(méi)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(guò)軟件實(shí)現、哪些功能通過(guò)硬件實(shí)現，硬件部分是采用專(zhuān)用芯片還是FPGA，這些都是開(kāi)發(fā)者需要考慮的問(wèn)題。本文給出兩個(gè)例子，一是中端示波器技術(shù)創(chuàng )新集大成產(chǎn)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(jīng)多個(gè)回合討論，最終達成共識。其中重要的兩點(diǎn)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(shù)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(shí)現實(shí)時(shí)性，保證不漏失信號。

　　要實(shí)現協(xié)議觸發(fā)的實(shí)時(shí)性，是決不可以用Windows甚至Linux軟件來(lái)實(shí)現的，同時(shí)又要求產(chǎn)品支持不同的協(xié)議種類(lèi)。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(gè)FPGA芯片，對串行總線(xiàn)提供實(shí)時(shí)時(shí)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(xiàn)協(xié)議實(shí)現硬件觸發(fā)，將來(lái)新的協(xié)議出現時(shí)，也可以通過(guò)升級來(lái)支持。用戶(hù)設置特定的協(xié)議觸發(fā)條件，MSO9000示波器通過(guò)硬件來(lái)確定何時(shí)進(jìn)行觸發(fā)，并執行重復測量或單次測量。

　　圖1給出了該設計的照片，該產(chǎn)品采用20層電路板結構，用了27個(gè)專(zhuān)用芯片，3個(gè)FPGA，集成到一個(gè)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(chǎn)品很薄，集外觀(guān)美觀(guān)、靈活、多功能特點(diǎn)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(lái)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?jì)x器，尤其是高性能儀器中的應用，越來(lái)越受到重視。要想讓測量?jì)x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(huì )成為決定產(chǎn)品是否能為用戶(hù)接受的關(guān)鍵。安捷倫已經(jīng)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(gè)方面。1.復雜觸發(fā)電路的實(shí)現：如串行信號協(xié)議觸發(fā)、頻域觸發(fā)等，先鋒產(chǎn)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(lái)越深是必然趨勢，用FPGA處理可兼顧實(shí)時(shí)性和可程控性，先鋒產(chǎn)品如DSA90000A的深存儲專(zhuān)用加速處理芯片;3.復雜運算的處理：均衡和去嵌入等技術(shù)在5Gbps及更快的信號測試是必然要考慮的數字處理技術(shù)。