本文內容參考并編譯自 Electronic Design 發(fā)布的文章《Soul of a Blue Machine: The Engineering Behind Tek’s New 7 Series Oscilloscope》，在保留原文技術觀點的基礎上，結合本地工程應用進行了整理與呈現(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計。該產品具備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、四個通道和25GHz帶寬，同時提供高SNR和高ENOB，可實現(xiàn)精確的波形采集與分析。

■深入了解這臺設備的整機架構，以及其中的工程與設計細節(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。事實上，它的能力之強，讓我想出了一個新詞——“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、物理實驗、射頻設計、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；其頻率響應在最高25GHz帶寬范圍內保持平坦，最多支持四個輸入通道，每個通道最高可承受5V輸入，同時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，其實是這臺設備背后那些最前沿的工程設計與工藝水準。

熱設計

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

該產品計劃用于現(xiàn)場環(huán)境，因此其性能必須能夠與實驗室示波器相當。有趣的是，Tektronix設計的第一批PCB就用在了這臺310示波器上，采用兩塊雙面紙基酚醛板設計。

在那個年代，風扇轉速由電源頻率決定，而該儀器預期需在60到800周/秒（赫茲）的市電頻率下運行（奇怪的是，當時甚至沒有考慮50Hz）。因此，使用風扇并不是一個現(xiàn)實選項。

為了滿足掃描速度和帶寬要求，功耗最初估算約為200W（310手冊中的實際量產規(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、一個笨重的電源變壓器以及若干濾波電容。

通過制作機箱模型（與當年200系列類似）、以電阻作為熱源、并使用熱電偶進行溫度表征，Tek的設計團隊最終找到了合適的熱設計方案，結合“煙囪效應”和機殼開孔，形成最終封裝設計。

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，必須將結溫維持在合理且穩(wěn)定的水平。

7系列設計團隊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、最多四顆當時Altera提供的最大FPGA（據(jù)估算每顆約140W），以及NVIDIA和AMD處理器。

考慮到這類機器可能會“成群”安裝在機架中，用于物理實驗等高通道數(shù)應用，工程團隊決定必須采用強制風冷。他們很聰明地意識到，真正為散熱片降溫的是空氣質量流量，而不是通常為了制造“大風量”而采用的高風速——那種高風速聽起來就像氣墊船起飛一樣吵。

所有高功率半導體器件都配備了大面積導熱擴散器，并通過散熱鰭片與流動空氣耦合。冷卻路徑設計為：冷空氣從設備底部和前側進入，從后部排出，由兩個8英寸風扇推動空氣流動（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數(shù)據(jù)采集模塊。

這一設計策略效果非常好。機器運行時非常安靜，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——這是因為大面積風扇掃風帶來了更低的熱流密度。

機械設計巧思

這臺設備的體積不小，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，設備安裝了類似“抬棺把手”的搬運把手，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。底部和側面的進風口，以及后部排風口，與這套把手結構配合得也很好。

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

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

構建“海量輸入”的示波器系統(tǒng)

機架安裝能力使得數(shù)十臺設備可以被配置為多通道測試/監(jiān)測系統(tǒng)。這與Tek數(shù)十年前在內華達核試驗場的配置非常相似：當時，一百多臺示波器前都裝有膠片相機（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，用于在內華達核爆試驗中捕獲單次事件。

據(jù)Tek博物館介紹，有一次試驗中防爆門失效，結果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。

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系列上設計了一套超高頻采集同步系統(tǒng)，使得多臺設備在采樣時間上保持相干性，并相對于觸發(fā)事件實現(xiàn)最小延遲。

這一能力可以在機器背面看到（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，而且它確實是真實存在且經(jīng)過工程實現(xiàn)的，但詳細內容大概已經(jīng)觸及“專有機密”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英寸散熱風扇、多機同步采樣接口以及其他信號與數(shù)據(jù)接口。

如果你想進一步了解如何利用它構建數(shù)十通道采樣系統(tǒng)，用于物理實驗、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。

示波器的電氣設計

整機基于全新的前面板架構（再次見圖2）。每個通道都使用TCA292D TekConnect轉接頭，包含一個2.92mm射頻連接器，可連接用戶信號線、光纖等。每個輸入適配器都存有其獨特的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。

在內部，每個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。每個盒子內部都裝有一塊數(shù)據(jù)采集板（圖6）。

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

最多有兩個前面板適配器可以通過半剛性同軸線連接到兩個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用器，然后它可以接入任意校準“輸入”源——包括DAC和放大器、射頻振蕩器，或右側的兩顆Tek085放大/均衡芯片之一。

基于SiGe的Tek085 ASIC是專門為7系列設計的。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。

“低噪聲底是一個決定性的差異化優(yōu)勢——而我們?yōu)榇藢ｉT設計了定制 ASIC。它們的設計是整個項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計了整條信號鏈。最終結果已經(jīng)說明了一切：我們不僅滿足了今天的性能目標，還設定了新的標桿，并為未來幾代產品奠定了基礎，帶來前所未有的速度、精度和靈活性。”

—— Forrest Edwards，項目經(jīng)理兼首席工程師

每顆Tek085前置放大器會產生三路輸出信號，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)時間線性均衡器（CTLE）能力進行放大，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）仍處于模擬域時引入有源CTLE，實現(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)轉換，同時進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那個巨大而閃亮的器件——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，從而構建出一條完整的模擬與數(shù)字信號鏈，并實現(xiàn)平坦的頻率響應。此外，該示波器還實現(xiàn)了受控的低噪聲底、27.5GHz的帶寬滾降，以及Tek所稱的“業(yè)內最佳ENOB”（表1），這一性能是在7系列硬件設計大致定型時達到的。

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。因為一位非常重要、而且要求合理的大客戶提出了額外功能需求，而當時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——“比如來自一次爆炸的觸發(fā)”——其延遲太大。

工程團隊以驚人的聰明才智、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不斷變化的情況下實現(xiàn)一致性。當目標發(fā)生變化時，我們沒有妥協(xié)，而是重新設計。項目中途，一個必須滿足的客戶請求迫使我們重構觸發(fā)架構，利用我們高性能產品線中已經(jīng)驗證過的芯片，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)。最終結果是：7系列既達成了當下的目標，又實現(xiàn)了最初的愿景，并為下一步做好了準備——這體現(xiàn)了我們緊密協(xié)作的工程團隊以及對真正尖端產品的專注?！?/p>

—— Gene Markozen，高級硬件工程師

這塊板設計中另一個巧妙之處，在于采集板右下角的那些引腳。它們是用于在整機完全裝配后對FPGA進行編程的控制信號。開發(fā)樣機底部留有開口，便于在研發(fā)與制造測試階段進行編程訪問。那些機器在開發(fā)實驗室中通常是倒放的，更不用說在機架中也支持倒置模式，以盡可能縮短與被測設備（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。因為這樣一臺儀器是一項重大投資，我們確保客戶能夠繼續(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。我們還設計了定制機架安裝套件和定制硬殼運輸箱，以方便通過主流物流公司進行運輸。每一個細節(jié)都是圍繞客戶需求設計的?！?/p>

—— Tim Bieber，首席產品規(guī)劃師

在這些編程引腳的正上方，是用于Stratix 10的三相100A（！）電源。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的價格……

當然，所有這些海量信號數(shù)據(jù)最終都必須傳送到某個地方，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，同時也充當主板，其上集成主CPU和GPU。

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

低噪聲和高速數(shù)據(jù)流動是7系列的重要目標，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)進出整機。當然，對我們這些老派用戶來說，機器上也還保留了USB。

一顆恒溫晶振（OCXO）為整機提供精確、穩(wěn)定且低抖動的時基（表2），另有一顆Altera FPGA負責雜項處理。為了持續(xù)為“吃數(shù)據(jù)”的GPU提供帶寬，系統(tǒng)還設計了一顆4x PCIe交換芯片，將通道寬度擴展至x16。

表2

核心軟件

運行在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行“重構”，隨后還要在舊系列示波器平臺上進行回歸測試，以確保這個統(tǒng)一的軟件平臺不會破壞較早設備的功能——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習如何使用。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)團隊還建立了一整套專有基準測試體系。

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

—— Jenny Yang，軟件工程經(jīng)理

制造過程包含嚴格測試

通過調節(jié)可變電容和射頻電感來對設備進行調校的時代已經(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”可供調節(jié)，以便優(yōu)化每臺7系列的帶寬、頻率響應、S參數(shù)性能，并滿足規(guī)格書中一頁又一頁的技術指標要求——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，每一臺機器都要經(jīng)過長時間的校準與測試。由于外包制造的原型機在嚴格射頻性能方面出現(xiàn)問題，生產最終被轉回內部完成。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)剛結束之后。

其嚴格的老化測試、反復上下電測試，以及在裝配和測試環(huán)節(jié)中花費的大量時間，絲毫不遜于，甚至超過高可靠性中心機房（電信）系統(tǒng)的標準。我們不會透露我們所看到的具體細節(jié)，但那種測試和校準上的嚴苛程度與投入時間，令人驚嘆，遠遠超出一般意義上的“盡職”要求。

“從標準定義到電路板裝配，我們設計了測試方法，以盡早發(fā)現(xiàn)問題，并在7系列多年設計與生產過程中與工程團隊緊密合作。制造過程在俄勒岡州比弗頓園區(qū)內受到密切監(jiān)控，確保各團隊之間沒有隔閡。這是一次真正體現(xiàn)跨職能協(xié)作的項目，所有團隊都高度一致，只為交付一款達到最高標準的產品?！?/p>

—— Jeff Schuh，測試工程師

規(guī)格亮點

這套示波器系列的規(guī)格實在太多，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 團隊愿意花整整一個下午，和我進行輕松、坦誠且深入的技術、制造與業(yè)務交流，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，也感謝Vintage Tek Museum的Dave Brown帶我們參觀。這次參觀幫助建立了當天的背景，也激發(fā)我去寫關于7系列以及其背后的設計者與工程故事——更像Tracy Kidder在《The Soul of a New Machine》（一本好書）中所做的那樣，而不是僅僅對機器規(guī)格進行華麗贊美。—— andyt