示波器实现方案对比

概述

FNIRSI这类低成本示波表用的 SOC一体化方案(商用通用SoC,不是仪器专用ASIC) :复用一颗通用集成MCU/视频SoC,把示波器采集、万用表、信号发生器、屏幕显示全部塞在一套主控里,搭配廉价通用ADC ,主打低成本、多功能三合一。

普源/鼎阳这类专业台式示波器架构(分离采集架构) :模拟前端、独立采集板、专用ADC、采集FPGA、大容量采集存储、主控CPU是物理独立、分区屏蔽的模块,模拟链路和数字处理严格隔离,信号保真、触发、死区、噪声、计量指标优先。

一、FNIRSI:通用SOC一体化方案

硬件链路框图

复制代码
探头 → 简单衰减+保护电路 → 通用ADC
                             ↓
                    【通用SOC(全集成主控)】
            ┌───────┬───────┬───────┬───────┐
        波形采集  触发判断  DDS信号源 万用表测量  屏幕UI绘图
            └───────┴───────┴───────┴───────┘
                    ↓
                  显示屏

核心特点

  1. 芯片本质:消费级通用SoC(比如全志、RK这类视频/工控SOC,或者低成本FPGA+MCU二合一)
    本来是给平板、播放器、工控板设计的,不是专门为示波器信号采集设计。厂商是固件写软件算法,把它"改成示波器"。
  2. 模拟前端极简
    衰减档位少、没有精密程控放大器、没有单独的采样保持、没有独立的硬件触发通道;很多触发是软件触发,不是硬件预触发。
  3. 资源共享(最大短板)
    SOC只有一套算力、一套总线。示波器采集、万用表AD采样、DDS信号输出、屏幕刷新抢同一份算力 。
    • 波形捕获率低、死区时间巨大(很多波形直接漏掉,抓偶发毛刺、瞬态故障很难)
    • 屏幕刷新和采集互相干扰;开了信号发生器,示波器波形性能进一步下降
  4. 存储浅,采集缓存和屏幕显存共用内存
    存储深度很小,不是独立高速采集SRAM/DDR,抓到长波形容易压缩、插值造假。
  5. 屏蔽和EMI很弱
    模拟小信号和数字UI、DDS、万用表电路挤在同一块板子、同一个芯片周边,数字噪声极易耦合进模拟采样,纹波、底噪大。
  6. 优势:便宜、三合一
    一块板子搞定示波器+万用表+信号源,BOM极低,适合维修看大体波形,不适合做电源纹波、时序验证、ATE配套计量测试。

典型坑点

  • 带宽虚标:标称100M,是正弦波带宽,方波、高速边沿严重畸变;
  • 触发不稳,偶发信号抓不住;
  • 底噪大,测mV级小信号基本没法用;
  • 不能计量,没法作为验收参考仪器。

二、普源、鼎阳专业台式示波器:独立采集板分离架构

框图:

复制代码
探头 →【独立模拟前端板】(程控衰减、精密运放、采样保持、阻抗匹配、屏蔽腔体)
          ↓
      专用高速ADC(每通道独立ADC)
          ↓
【采集FPGA(专门做采集、硬件触发、插值、存储控制)】 ← 独立高速采集DDR(深存储)
          ↓(高速专用总线,比如LVDS/PCIe)
【主控CPU板(只负责UI、测量计算、屏幕、通讯)】
          ↓
        屏幕 / LAN / USB(上位机、ATE程控)

核心特点

  1. 模拟前端是独立电路板、带金属屏蔽腔
    每通道独立程控放大器、精密衰减器、采样保持电路,阻抗严格匹配;模拟链路和数字主板物理隔开,数字噪声很难串进模拟通道。
    这是和FNIRSI最大分水岭。
  2. 硬件触发(不是软件触发)
    触发比较器是在采集链路最前面的硬件电路,还没把信号数字化就提前判断触发,可以稳定抓窄脉冲、毛刺、偶发异常,死区时间可控,波形捕获率高(几十万一秒波形)。
  3. 采集FPGA是独立专职芯片
    FPGA只干采集、触发、波形缓存、数字滤波;不跑界面、不刷屏幕、不驱动信号源。
    采集通路独占高速存储(专门的采集DDR),存储深度独立,不和UI显存共享,可以长时间连续采集高速波形。
  4. 主控CPU只做人机交互
    收到FPGA上传好的波形数据,做测量计算、绘图、通讯(SCPI程控给ATE),不干预实时采样链路。
  5. 通道互相隔离
    4通道机型,四路ADC、四路前端放大器互相独立,通道之间串扰控制严格;
  6. 可计量、有校准模型
    出厂逐通道校准,每档增益、偏移、带宽都有校准系数,适合研发验证、电源纹波测试、总线时序、ATE配套验证。

三、一张对比表

项目 FNIRSI 通用SOC一体化方案(示波表) 普源/鼎阳 专业台式分离采集架构
芯片底子 消费级通用SoC,固件模拟示波器 专用采集FPGA+独立高速ADC,仪器硬件原生设计
触发方式 大多软件触发 硬件前置触发
模拟前端 极简,无独立屏蔽腔体 独立屏蔽前端板,程控精密放大器、采样保持
存储 内存共享,浅存储,显存采集共用 独立高速采集DDR,深存储
波形死区 很大,容易丢毛刺 死区可控,高波形捕获率
多功能关系 示波器/万用表/DDS抢算力,互相拖累 信号源、逻辑通道独立硬件,互不干扰
噪声、精度 底噪大,mV小信号能力差 低底噪,支持高精度纹波、小信号测量
定位 维修排查、创客、看大致波形 研发验证、时序、电源测试、ATE配套、计量场景
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