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、125 GSa/s采樣率、世界級ENOB，以及2 GSa/ch通道的存儲深度。

你將了解到：

● Tek全新的7系列示波器具備125 GSa/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)。

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125 GSa/s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16 Gb/s的PRBS9信號。圖中還能看到示波器的Linux和Windows 10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1500W。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“握持把手”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。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?！?/em>