运用示波器和用户可定义的 FPGA 提高测量质量与速度

1. 什么是「软件设计的示波器」？

示波器等仪器通常采用多个软件层，有些是用户较容易存取的软件，有些则否。 PC 上的软件可控制测试系统的整体运作，仪器驱动程序可提供示波器的通讯功能，嵌入仪器本身的软件则控制了数据采集和提供给用户的方式。 传统仪器会通过仪器驱动程序提供固定的测量功能；模块化仪器则运用了开放式的 PC 软件和现代 CPU 的处理性能，可以在 PC (而非仪器内部) 执行讯号分析。 这样一来，用户即可迅速定制针对采集到的数据执行数据分析的方式，以此满足个人的特殊需求，例如缩短测试时间或提高测量分辨率。

软件设计仪器进一步运用这个概念，可供用户修改或甚至彻底替换仪器 FPGA 上所执行的嵌入式软件。 因为每个采集到的数据点都可以实时在仪器 FPGA 上完成分析，所以用户可实现定制的实时分析和复杂的触发，并且避免空滞时间 (错失讯号)。 简而言之，软件设计仪器能够让用户存取所有的软件层，从主机 PC 到仪器数据转换器的针脚全都包含在内，进一步实现定制的修改内容，满足特定的应用需求。

全新 NI PXIe-5171R 示波器是一种软件设计仪器，配备 8 个输入通道、300 MHz 模拟带宽、250 MS/s 取样率、14 位分辨率，以及用户可设定的 Xilinx Kintex-7 FPGA。

图 1： 用户可定义的 FPGA 作为软件设计仪器 (PXIe-5171R 示波器) 程序框图的核心组件。

2. 透过软件来设计示波器 FPGA 的程序

LabVIEW FPGA Module 能够把 LabVIEW 系统设计软件扩充至 NI 可重设 I/O (RIO) 硬件上的 FPGA；而这类硬件则包含了 PXIe-5171R 和 PXIe-5624R 示波器、数字序列仪器、RF 向量讯号分析器，以及在 2012 年发表「软件设计仪器」概念的向量讯号收发器 (VST)。

LabVIEW 本身即具有平行机制，而且数据流概念和 FPGA 的数据流也很像，因此非常适合用来设计 FPGA 程序。 LabVIEW 能够抽象化系统内不同操作部分所执行的处理和数据迁移作业 (例如仪器内的 FPGA 和 PC 内的微处理器)，因此工程师和科学家不需要 Verilog 或 VHDL 之类的 FPGA 程序设计、运算架构或数据串流等方面的深入知识，即可充分发挥软件设计仪器的性能。

LabVIEW 本身即具有平行机制，而且数据流概念和 FPGA 的数据流也很像，因此非常适合用来设计 FPGA 程序。 LabVIEW 能够抽象化系统内不同操作部分所执行的处理和数据迁移作业 (例如仪器内的 FPGA 和 PC 内的微处理器)，因此工程师和科学家不需要 Verilog 或 VHDL 之类的 FPGA 程序设计、运算架构或数据串流等方面的深入知识，即可充分发挥软件设计仪器的性能。

图 2 为软件设计仪器的软件架构 (目前以示波器为例)。 此架构包含了实现 FPGA 的例程，可用于实际采集和实时处理，以及主机 PC 上对应的软件模块，能够和 FPGA 上的对应部分互动，进一步设定/控制测量作业、处理 PXI Express 总线的数据传输，并且呈现数据给用户。

图 2： 就软件设计仪器的架构而言，主 VI 会和 FPGA 上的对应部分互动，以此设定硬件并执行测量。

主机 PC 的组件和仪器驱动程序很类似，FPGA 程序代码则是和传统的示波器硬件比较像。 不同于传统示波器，这些组件可用来建置定制示波器 IP，同时也因为开放式特性，可供用户根据特定需求而修改或扩充

3. 示波器搭配用户可定义的 FPGA 所提供的测试优势

测试应用的终极目标之一就是缩短整体的测试时间。 时间通常是提高大量制造成本的主要原因之一，弹性和可重复使用率对高度混合或高度维护测试系统而言则是非常重要。 下列三个范例说明了示波器搭配用户可定义的 FPGA 如何节省时间和成本。

在线处理和 DUT 控制，加快测量速度

许多应用必须透过通过数字滤波、信道化、快速傅立叶变换 (FFT) 或解调等措施来处理所采集的数据。 虽然现代的多核心 CPU 可提供无与伦比的处理性能给桌面计算机，但通常无法实时处理多核心示波器所产生的数据，所以也没办法快速执行测量作业。 结果就是 CPU 会成为测试速度的关键。 有了 FPGA 和固有的平行机制，即可轻松持续执行复杂的分析作业，例如实时并行计算多个通道的功率频谱。

图 3 为用户可定义的 FPGA 如何用于 PXIe-5171R 示波器，只要一次就能采集并测量一个 DUT (RF 切换器) 内多个通道的串音。 4 个示波器通道会平行采集 DUT 所有 4 个信道的输出讯号，计算所有 4 个通道的功率频谱，并且针对违反情况执行屏蔽测试。

图 3： PXIe-5171R 示波器搭配用户可定义的 FPGA，可执行平行的频谱测量，进而缩短测试时间。

另一个在线处理的例子就是透过 DUT 关闭循环。 示波器本身可控制 DUT 并缩