本文內(nèi)容參考并編譯自 Electronic Design 發(fā)布的文章《Soul of a Blue Machine: The Engineering Behind Tek’s New 7 Series Oscilloscope》，在保留原文技術(shù)觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本地工程應(yīng)用進(jìn)行了整理與呈現(xiàn)。帶您深入了解Tektronix全新7系列4通道示波器背后的工程設(shè)計(jì)。該產(chǎn)品具備25GHz帶寬、125Gsample/s采樣率、世界級ENOB，以及2Gsample/通道的存儲深度。

你將了解到：

■Tek全新的7系列示波器具備125Gsample/s采樣率、四個(gè)通道和25GHz帶寬，同時(shí)提供高SNR和高ENOB，可實(shí)現(xiàn)精確的波形采集與分析。

■深入了解這臺設(shè)備的整機(jī)架構(gòu)，以及其中的工程與設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

■文章后附有規(guī)格下載資料。

距離Tektronix上一次發(fā)布全新的高端示波器，已經(jīng)大約過去了七年，而它的新 7 系列并沒有令人失望。事實(shí)上，它的能力之強(qiáng)，讓我想出了一個(gè)新詞——“亞太赫茲采樣率示波器（fractional terasample scope）”，它把測試與測量儀器的競爭提升到了一個(gè)全新層級。

這臺示波器非常適合用于高速通信鏈路開發(fā)與表征、物理實(shí)驗(yàn)、射頻設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)鏈路表征與一致性測試、信號完整性分析，甚至可以說，它像第六感一樣，幫助人們揭開造物與宇宙的秘密。

Tek的7系列（圖1）具備最高125Gsample/s（GSPS）的采樣率，也就是1/8太樣本每秒；其頻率響應(yīng)在最高25GHz帶寬范圍內(nèi)保持平坦，最多支持四個(gè)輸入通道，每個(gè)通道最高可承受5V輸入，同時(shí)具有非常高的有效位數(shù)（ENOB）和信噪比（SNR）。

圖1 Tektronix 7系列示波器正在1通道和3通道上運(yùn)行16Gb/s PRBS9信號。圖中還能看到示波器的Linux和Windows10操作系統(tǒng)硬盤。旁邊放了一根香蕉作尺寸參考。

這臺“亞太赫茲采樣率示波器”令人印象深刻（稍后會進(jìn)一步介紹它出色的規(guī)格和功能）。但在任何一篇評測中，更值得占據(jù)頭版位置的，其實(shí)是這臺設(shè)備背后那些最前沿的工程設(shè)計(jì)與工藝水準(zhǔn)。

熱設(shè)計(jì)

整整70年前，《Electronic Design》曾報(bào)道過Tektronix工程師在《設(shè)計(jì)論壇：緊湊型示波器》（1955年9月，《Electronic Design》雜志）中解決的一系列設(shè)計(jì)工程難題。那篇文章中所展示的Tektronix 310示波器，規(guī)格要求是：整機(jī)重量約20磅，占用體積約3/4立方英尺。

該產(chǎn)品計(jì)劃用于現(xiàn)場環(huán)境，因此其性能必須能夠與實(shí)驗(yàn)室示波器相當(dāng)。有趣的是，Tektronix設(shè)計(jì)的第一批PCB就用在了這臺310示波器上，采用兩塊雙面紙基酚醛板設(shè)計(jì)。

在那個(gè)年代，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由電源頻率決定，而該儀器預(yù)期需在60到800周/秒（赫茲）的市電頻率下運(yùn)行（奇怪的是，當(dāng)時(shí)甚至沒有考慮50Hz）。因此，使用風(fēng)扇并不是一個(gè)現(xiàn)實(shí)選項(xiàng)。

為了滿足掃描速度和帶寬要求，功耗最初估算約為200W（310手冊中的實(shí)際量產(chǎn)規(guī)格是175W），這些熱量主要來自至少30到35只電子管、五到六組硒整流器、一個(gè)笨重的電源變壓器以及若干濾波電容。

通過制作機(jī)箱模型（與當(dāng)年200系列類似）、以電阻作為熱源、并使用熱電偶進(jìn)行溫度表征，Tek的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最終找到了合適的熱設(shè)計(jì)方案，結(jié)合“煙囪效應(yīng)”和機(jī)殼開孔，形成最終封裝設(shè)計(jì)。

Tek全新的7系列也面臨類似的散熱挑戰(zhàn)，不過它使用的器件并不是靠把金屬加熱到發(fā)紅來放大信號的。因此，為了保持最佳性能，必須將結(jié)溫維持在合理且穩(wěn)定的水平。

7系列設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面對的是高得多的功耗級別，約1,500W。這些功耗主要來自高速硅鍺（SiGe）前端ASIC、最多四顆當(dāng)時(shí)Altera提供的最大FPGA（據(jù)估算每顆約140W），以及NVIDIA和AMD處理器。

考慮到這類機(jī)器可能會“成群”安裝在機(jī)架中，用于物理實(shí)驗(yàn)等高通道數(shù)應(yīng)用，工程團(tuán)隊(duì)決定必須采用強(qiáng)制風(fēng)冷。他們很聰明地意識到，真正為散熱片降溫的是空氣質(zhì)量流量，而不是通常為了制造“大風(fēng)量”而采用的高風(fēng)速——那種高風(fēng)速聽起來就像氣墊船起飛一樣吵。

所有高功率半導(dǎo)體器件都配備了大面積導(dǎo)熱擴(kuò)散器，并通過散熱鰭片與流動空氣耦合。冷卻路徑設(shè)計(jì)為：冷空氣從設(shè)備底部和前側(cè)進(jìn)入，從后部排出，由兩個(gè)8英寸風(fēng)扇推動空氣流動（圖2）。

圖2 Tek 7系列示波器的爆炸圖，顯示了前面板總成和四個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊。

這一設(shè)計(jì)策略效果非常好。機(jī)器運(yùn)行時(shí)非常安靜，排出的空氣只是微微發(fā)溫，而不是滾燙到讓好奇的編輯縮手——這是因?yàn)榇竺娣e風(fēng)扇掃風(fēng)帶來了更低的熱流密度。

機(jī)械設(shè)計(jì)巧思

這臺設(shè)備的體積不小，尺寸約為12.85×22.1×17.9英寸 (326.4 × 560 × 454mm) ，重量約83.7磅（38kg），具體視配置而定。由于尺寸和重量較大，設(shè)備安裝了類似“抬棺把手”的搬運(yùn)把手，以便兩人安全抬起并移動，避免受傷。能夠把一臺7系列“搬上工作臺”，大概會成為工程師在健身房里的最新炫耀方式。底部和側(cè)面的進(jìn)風(fēng)口，以及后部排風(fēng)口，與這套把手結(jié)構(gòu)配合得也很好。

7系列提供機(jī)架安裝套件（圖3），還提供一種“翻轉(zhuǎn)安裝套件（flip kit）”，允許兩臺設(shè)備在機(jī)架中“底對底”安裝。這樣可以讓最多八個(gè)輸入通道更靠近位于兩臺設(shè)備垂直中間平面附近的電路或系統(tǒng)。

圖3 兩臺機(jī)架安裝的Tek 7系列示波器，以及Tektronix AWG70000任意波形發(fā)生器（AWG）。

構(gòu)建“海量輸入”的示波器系統(tǒng)

機(jī)架安裝能力使得數(shù)十臺設(shè)備可以被配置為多通道測試/監(jiān)測系統(tǒng)。這與Tek數(shù)十年前在內(nèi)華達(dá)核試驗(yàn)場的配置非常相似：當(dāng)時(shí)，一百多臺示波器前都裝有膠片相機(jī)（圖4），等待來自爆炸的觸發(fā)信號，以記錄示波器屏幕上顯示的單次脈沖事件，并由每臺示波器的膠片相機(jī)拍攝下來。

圖4 數(shù)十臺Tek示波器組成的陣列，每臺都帶有屏幕膠片相機(jī)，用于在內(nèi)華達(dá)核爆試驗(yàn)中捕獲單次事件。

據(jù)Tek博物館介紹，有一次試驗(yàn)中防爆門失效，結(jié)果Tek還因此獲得了第二筆訂單——替換現(xiàn)場所有示波器和相機(jī)。

對于現(xiàn)代這種大型數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)陣列，Tek在7系列上設(shè)計(jì)了一套超高頻采集同步系統(tǒng)，使得多臺設(shè)備在采樣時(shí)間上保持相干性，并相對于觸發(fā)事件實(shí)現(xiàn)最小延遲。

這一能力可以在機(jī)器背面看到（圖5）。它使用了sync in、sync out、sample clock in和sample clock out接口。盡管《Electronic Design》在采訪中了解過這一能力，而且它確實(shí)是真實(shí)存在且經(jīng)過工程實(shí)現(xiàn)的，但詳細(xì)內(nèi)容大概已經(jīng)觸及“專有機(jī)密”的邊界，因此沒有完全展開。

圖5 Tek 7系列背部視圖，可見頂部中央的硬盤托架、雙8英寸散熱風(fēng)扇、多機(jī)同步采樣接口以及其他信號與數(shù)據(jù)接口。

如果你想進(jìn)一步了解如何利用它構(gòu)建數(shù)十通道采樣系統(tǒng)，用于物理實(shí)驗(yàn)、亞原子粒子研究、瞬態(tài)事件記錄，或其他高速、多通道、快上升沿或短持續(xù)時(shí)間事件/傳感器采集，最好還是直接聯(lián)系Tektronix。

示波器的電氣設(shè)計(jì)

整機(jī)基于全新的前面板架構(gòu)（再次見圖2）。每個(gè)通道都使用TCA292D TekConnect轉(zhuǎn)接頭，包含一個(gè)2.92mm射頻連接器，可連接用戶信號線、光纖等。每個(gè)輸入適配器都存有其獨(dú)特的S11和S22參數(shù)，用于后續(xù)信號處理中的信號路徑優(yōu)化。

除了這種直通式螺紋機(jī)械加工適配器，Tek 還提供可直接插入前面板各通道位置的探頭。

在內(nèi)部，每個(gè)前面板輸入都通過半剛性同軸線纜連接到四塊可能的數(shù)據(jù)采集板之一，也就是圖2中豎直放置、帶屏蔽外殼的盒狀模塊。每個(gè)盒子內(nèi)部都裝有一塊數(shù)據(jù)采集板（圖6）。

圖6 7系列數(shù)據(jù)采集板的第一版，當(dāng)時(shí)僅具備數(shù)字觸發(fā)。旁邊有Tek工程師作尺寸參考。

最多有兩個(gè)前面板適配器可以通過半剛性同軸線連接到兩個(gè)2.92mm射頻輸入通道連接器。

以圖6中上方輸入通道為例，一條控阻傳輸線連接到淺黃色輸入多路復(fù)用器，然后它可以接入任意校準(zhǔn)“輸入”源——包括DAC和放大器、射頻振蕩器，或右側(cè)的兩顆Tek085放大/均衡芯片之一。

基于SiGe的Tek085 ASIC是專門為7系列設(shè)計(jì)的。它能夠在不過度抬高噪聲底的前提下放大輸入信號，并在數(shù)字化之前展平頻率響應(yīng)。

“低噪聲底是一個(gè)決定性的差異化優(yōu)勢——而我們?yōu)榇藢ｉT設(shè)計(jì)了定制 ASIC。它們的設(shè)計(jì)是整個(gè)項(xiàng)目中最艱巨的工作之一。通過五年與客戶的密切協(xié)作，我們從頭到尾重新設(shè)計(jì)了整條信號鏈。最終結(jié)果已經(jīng)說明了一切：我們不僅滿足了今天的性能目標(biāo)，還設(shè)定了新的標(biāo)桿，并為未來幾代產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)，帶來前所未有的速度、精度和靈活性?！?/p>

—— Forrest Edwards，項(xiàng)目經(jīng)理兼首席工程師

每顆Tek085前置放大器會產(chǎn)生三路輸出信號，其中兩路分別送往相鄰的兩顆Tek079 10位、62.5GSPS ADC芯片。

通過可調(diào)濾波與電源控制（圖7），形成了Tek所稱的“QuietChannel Technology”。在這里，信號通過有源連續(xù)時(shí)間線性均衡器（CTLE）能力進(jìn)行放大，而不會增加示波器噪聲。

圖7 “QuietChannel Technology” 方框圖。通過在前端和后端前置放大器（Tek085）以及ADC（Tek079）仍處于模擬域時(shí)引入有源CTLE，實(shí)現(xiàn)信號放大而不增加示波器噪聲。

每顆同樣采用SiGe工藝的Tek079 ADC執(zhí)行10位模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)進(jìn)行部分信號整形與濾波，并以每通道28條lane、每lane 24Gb/s的速率，將數(shù)據(jù)輸出到采集板中線右側(cè)那個(gè)巨大而閃亮的器件——最大的Altera Stratix 10FPGA。

FPGA還支持每通道2Gsample的高帶寬存儲器（HBM）、大量SerDes通道，以及大量DSP資源，從而構(gòu)建出一條完整的模擬與數(shù)字信號鏈，并實(shí)現(xiàn)平坦的頻率響應(yīng)。此外，該示波器還實(shí)現(xiàn)了受控的低噪聲底、27.5GHz的帶寬滾降，以及Tek所稱的“業(yè)內(nèi)最佳ENOB”（表1），這一性能是在7系列硬件設(shè)計(jì)大致定型時(shí)達(dá)到的。

表1

就在采集板最終版布線送出前的兩周，圖6所示的數(shù)據(jù)采集板還不得不再次修改。因?yàn)橐晃环浅Ｖ匾?、而且要求合理的大客戶提出了額外功能需求，而當(dāng)時(shí)7系列還不具備這一功能。

7系列最初被定義為一臺高速示波器，用于捕獲高速數(shù)據(jù)流，因此其觸發(fā)方式被定義為數(shù)字觸發(fā)。數(shù)字觸發(fā)對于協(xié)議分析和信號完整性觀察很合適，但在執(zhí)行單次事件觸發(fā)時(shí)——“比如來自一次爆炸的觸發(fā)”——其延遲太大。

工程團(tuán)隊(duì)以驚人的聰明才智、韌性和資源整合能力，決定借用已有高帶寬產(chǎn)品中的一顆低延遲模擬觸發(fā)ASIC——Tek046 Trigger Chip，并將其接在Tek085前置放大器的第三路輸出上。它可以在圖8左上角看到。

圖8 數(shù)據(jù)采集板最終版本，顯示已加入Tek046模擬觸發(fā)芯片，以增強(qiáng)Tek 7系列的能力。

Tek046還額外帶來了某些射頻放大能力，這也為7系列未來的更多潛力埋下了伏筆。

“從工程管理的角度看，最難的部分是在目標(biāo)不斷變化的情況下實(shí)現(xiàn)一致性。當(dāng)目標(biāo)發(fā)生變化時(shí)，我們沒有妥協(xié)，而是重新設(shè)計(jì)。項(xiàng)目中途，一個(gè)必須滿足的客戶請求迫使我們重構(gòu)觸發(fā)架構(gòu)，利用我們高性能產(chǎn)品線中已經(jīng)驗(yàn)證過的芯片，在數(shù)字觸發(fā)路徑之外增加并行模擬觸發(fā)。額外的收益是，我們還獲得了更多射頻放大器能力，可用于未來的高速串行觸發(fā)。最終結(jié)果是：7系列既達(dá)成了當(dāng)下的目標(biāo)，又實(shí)現(xiàn)了最初的愿景，并為下一步做好了準(zhǔn)備——這體現(xiàn)了我們緊密協(xié)作的工程團(tuán)隊(duì)以及對真正尖端產(chǎn)品的專注?！?/p>

—— Gene Markozen，高級硬件工程師

這塊板設(shè)計(jì)中另一個(gè)巧妙之處，在于采集板右下角的那些引腳。它們是用于在整機(jī)完全裝配后對FPGA進(jìn)行編程的控制信號。開發(fā)樣機(jī)底部留有開口，便于在研發(fā)與制造測試階段進(jìn)行編程訪問。那些機(jī)器在開發(fā)實(shí)驗(yàn)室中通常是倒放的，更不用說在機(jī)架中也支持倒置模式，以盡可能縮短與被測設(shè)備（DUT）的距離。

“7系列是圍繞客戶工作流程打造的——從易用性和界面，到其包裝方式都是如此。因?yàn)檫@樣一臺儀器是一項(xiàng)重大投資，我們確?？蛻裟軌蚶^續(xù)使用他們已經(jīng)擁有的探頭，即使這意味著必須做額外的軟件工作。我們還增加了諸如Windows版本中的可翻轉(zhuǎn)顯示功能（支持倒置操作）、安靜的散熱系統(tǒng)以及低音量、悅耳的風(fēng)扇聲音，還有一塊15.6英寸1080p顯示屏，用于高分辨率查看大數(shù)據(jù)集。我們還設(shè)計(jì)了定制機(jī)架安裝套件和定制硬殼運(yùn)輸箱，以方便通過主流物流公司進(jìn)行運(yùn)輸。每一個(gè)細(xì)節(jié)都是圍繞客戶需求設(shè)計(jì)的。”

—— Tim Bieber，首席產(chǎn)品規(guī)劃師

在這些編程引腳的正上方，是用于Stratix 10的三相100A（?。╇娫?。別忘了，每臺示波器中最多可有四塊這樣的采集板。若想感受一下震撼，不妨去查查最大規(guī)格Altera Stratix 10的價(jià)格……

當(dāng)然，所有這些海量信號數(shù)據(jù)最終都必須傳送到某個(gè)地方，因此位于頂部的連接器會將數(shù)據(jù)送往“topplane”，也就是圖9中機(jī)器頂部那塊水平電路板。

圖9 7系列爆炸圖，顯示“topplane”，這是一塊可容納最多四塊數(shù)據(jù)采集板的背板，同時(shí)也充當(dāng)主板，其上集成主CPU和GPU。

topplane不只是一個(gè)可插入四塊數(shù)據(jù)采集板的背板，它更是一塊真正的主板，上面集成了相當(dāng)強(qiáng)大的處理能力。整機(jī)前端由一顆AMD Epyc PE3351 “Snowy Owl” 處理器驅(qū)動，可通過更換圖1中機(jī)器后部插入的硬盤，在Windows10和Linux操作系統(tǒng)之間切換；同時(shí)，一顆NVIDIA T1000提供890個(gè)CUDA核心用于高強(qiáng)度計(jì)算。

低噪聲和高速數(shù)據(jù)流動是7系列的重要目標(biāo)，因此它配備了原生10G以太網(wǎng)接口，可通過電口或SFP+光口快速將數(shù)據(jù)進(jìn)出整機(jī)。當(dāng)然，對我們這些老派用戶來說，機(jī)器上也還保留了USB。

一顆恒溫晶振（OCXO）為整機(jī)提供精確、穩(wěn)定且低抖動的時(shí)基（表2），另有一顆Altera FPGA負(fù)責(zé)雜項(xiàng)處理。為了持續(xù)為“吃數(shù)據(jù)”的GPU提供帶寬，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一顆4x PCIe交換芯片，將通道寬度擴(kuò)展至x16。

表2

核心軟件

運(yùn)行在7系列上的軟件，源自Tek 5系列和6系列儀器延續(xù)下來的代碼體系。由于引入了GPU，軟件必須針對這一全新硬件平臺進(jìn)行“重構(gòu)”，隨后還要在舊系列示波器平臺上進(jìn)行回歸測試，以確保這個(gè)統(tǒng)一的軟件平臺不會破壞較早設(shè)備的功能——如今甚至一直向下兼容到2系列。

這意味著Tek各系列儀器的功能和操作方式具有共同基因，升級示波器并不意味著用戶必須重新學(xué)習(xí)如何使用。為了確保隨著新軟件發(fā)布，各系列儀器性能都不發(fā)生退化，開發(fā)團(tuán)隊(duì)還建立了一整套專有基準(zhǔn)測試體系。

“為7系列構(gòu)建軟件的過程，意味著我們要在利用現(xiàn)有軟件平臺的同時(shí)，讓它能夠無縫適配一套完全不同的硬件架構(gòu)。我們必須在持續(xù)支持現(xiàn)有產(chǎn)品和滿足激進(jìn)開發(fā)進(jìn)度之間仔細(xì)平衡，同時(shí)還要對軟件平臺進(jìn)行重構(gòu)，以支持7系列并為未來硬件平臺擴(kuò)展做好準(zhǔn)備?！?/p>

—— Jenny Yang，軟件工程經(jīng)理

制造過程包含嚴(yán)格測試

通過調(diào)節(jié)可變電容和射頻電感來對設(shè)備進(jìn)行調(diào)校的時(shí)代已經(jīng)過去了。如今，在前置放大器、ASIC、FPGA 等模塊中，有許多“虛擬旋鈕”可供調(diào)節(jié)，以便優(yōu)化每臺7系列的帶寬、頻率響應(yīng)、S參數(shù)性能，并滿足規(guī)格書中一頁又一頁的技術(shù)指標(biāo)要求——這些規(guī)格資料可在下方獲取。

在俄勒岡州比弗頓的工廠車間里，每一臺機(jī)器都要經(jīng)過長時(shí)間的校準(zhǔn)與測試。由于外包制造的原型機(jī)在嚴(yán)格射頻性能方面出現(xiàn)問題，生產(chǎn)最終被轉(zhuǎn)回內(nèi)部完成。是的，7系列是在美國制造的，由一群工匠完成，而這家公司文化可以一直追溯到二戰(zhàn)剛結(jié)束之后。

其嚴(yán)格的老化測試、反復(fù)上下電測試，以及在裝配和測試環(huán)節(jié)中花費(fèi)的大量時(shí)間，絲毫不遜于，甚至超過高可靠性中心機(jī)房（電信）系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。我們不會透露我們所看到的具體細(xì)節(jié)，但那種測試和校準(zhǔn)上的嚴(yán)苛程度與投入時(shí)間，令人驚嘆，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般意義上的“盡職”要求。

“從標(biāo)準(zhǔn)定義到電路板裝配，我們設(shè)計(jì)了測試方法，以盡早發(fā)現(xiàn)問題，并在7系列多年設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中與工程團(tuán)隊(duì)緊密合作。制造過程在俄勒岡州比弗頓園區(qū)內(nèi)受到密切監(jiān)控，確保各團(tuán)隊(duì)之間沒有隔閡。這是一次真正體現(xiàn)跨職能協(xié)作的項(xiàng)目，所有團(tuán)隊(duì)都高度一致，只為交付一款達(dá)到最高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品?！?/p>

—— Jeff Schuh，測試工程師

規(guī)格亮點(diǎn)

這套示波器系列的規(guī)格實(shí)在太多，無法在這里全部展開，因此僅在表3中列出少量示例。其余規(guī)格可見附帶的數(shù)據(jù)手冊：

表3

｜致謝｜

感謝那位“電視里的女士”（圖10）及她在Publitek的同事，幫我協(xié)調(diào)各方、獲取照片和筆記，并且替我保守“香蕉偷偷入鏡”的秘密——正是這些幫助，才讓這篇文章得以完成。我也非常感謝 Tek 團(tuán)隊(duì)愿意花整整一個(gè)下午，和我進(jìn)行輕松、坦誠且深入的技術(shù)、制造與業(yè)務(wù)交流，并分享這臺新儀器開發(fā)過程與功能背后的故事。

圖10在Vintage Tek Museum參觀期間，“電視里的女士”和她的同事幫助完成了這篇文章。

同時(shí)，也感謝Vintage Tek Museum的Dave Brown帶我們參觀。這次參觀幫助建立了當(dāng)天的背景，也激發(fā)我去寫關(guān)于7系列以及其背后的設(shè)計(jì)者與工程故事——更像Tracy Kidder在《The Soul of a New Machine》（一本好書）中所做的那樣，而不是僅僅對機(jī)器規(guī)格進(jìn)行華麗贊美?！?andyt