日前,國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》,在政策上為工業(yè)4.0提供指引,不出意料,各相關(guān)行業(yè)反響強(qiáng)烈,包括為工業(yè)提供質(zhì)量保證的
測試測量行業(yè)。作為測試測量行業(yè)先鋒,成立于1946年的泰克(Tektronix),從發(fā)明第一臺(tái)
示波器開始直到今天,期間經(jīng)歷過第三次工業(yè)革命的洗禮,并且收獲了這場革命帶來的包括經(jīng)濟(jì)和技術(shù)在內(nèi)的豐厚價(jià)值?,F(xiàn)在第四次工業(yè)革命——工業(yè)4.0已經(jīng)初現(xiàn)端倪,泰克也在不斷創(chuàng)新,以幫助客戶正面迎接工業(yè)4.0,例如最新推出的重磅產(chǎn)品——70 GHz
ATI高性能實(shí)時(shí)示波器。
就在《中國制造2025》出來的第二天,泰克在京舉辦了創(chuàng)新論壇,而主題恰好就是“工業(yè)4.0時(shí)代的測試測量”。泰克大中華區(qū)市場總監(jiān)徐贇先生和泰克中國區(qū)銷售總監(jiān)宋磊先生與參會(huì)工程師們分享了許多與中國、與工業(yè)相關(guān)的小故事,以及泰克針對(duì)工業(yè)4.0的最新技術(shù)。
圖1 泰克大中華區(qū)市場總監(jiān)徐贇先生
圖2 泰克中國區(qū)銷售總監(jiān)宋磊先生
“今年是泰克在中國市場的第30個(gè)年頭,已經(jīng)為中國提供幾十萬臺(tái)測試儀器,其中的使用者就不乏工業(yè)領(lǐng)域的客戶。”宋磊先生感慨到,“無論推出什么產(chǎn)品,無論針對(duì)哪個(gè)行業(yè),泰克一直秉承創(chuàng)新性、可靠性和界面友好這三點(diǎn)。19世紀(jì)70年代,在中國的衛(wèi)星地面站和廣播站就開始用泰克的設(shè)備,前陣子我去參觀,發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了40多年,有的設(shè)備還在使用,并且指標(biāo)與當(dāng)時(shí)的一樣,足以證明我們設(shè)備是多么可靠。”
秉承創(chuàng)新理念,拓展新領(lǐng)域
泰克近些年收購了BERTScope、Optametra、吉時(shí)利、Picosecond Pulse Labs以拓展新領(lǐng)域,為客戶提供更完善的解決方案。在2010年收購與其“同年生”的吉時(shí)利(KEITHLEY)時(shí),引起了業(yè)內(nèi)不小的震動(dòng)。宋磊先生強(qiáng)調(diào)了此次收購為泰克帶來的好處:“現(xiàn)在泰克可以提供從皮安倍(pA)、納伏(nV)到吉赫茲(GHz)這樣最高帶寬的測量,并且從工程師使用的電子測量儀器拓展到半導(dǎo)體、新材料領(lǐng)域的測量。也即從廣度和深度上都助泰克一臂之力,鞏固行業(yè)地位。”
當(dāng)然,創(chuàng)新是需要資金支持的。宋總透露:“泰克持續(xù)加大投入,2014年的研發(fā)投資占產(chǎn)品銷售收入的19%。并且現(xiàn)在的收入多半來自過去3年推出的新產(chǎn)品,這些都是對(duì)手不能比的。泰克還使用了入選哈佛大學(xué)教程的丹納赫商業(yè)體系(DBS)工具,用于精益生產(chǎn)和保證品質(zhì)。此外,泰克與IBM自1996年就建立了合作關(guān)系,與IBM共同研究的鍺硅(GeSi)芯片制造技術(shù)將用于未來10年的高帶寬、低噪聲測試產(chǎn)品中,例如用于預(yù)放大器和跟蹤/保持采集系統(tǒng)。”
工業(yè)4.0那么大,你怎么進(jìn)入呢?四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)
工業(yè)4.0有智慧工廠和智能生產(chǎn)兩大主題,徐贇先生認(rèn)為工業(yè)4.0就是智能和互聯(lián)互通,智能是特征,互聯(lián)互通是手段,而傳感技術(shù)是創(chuàng)新。因?yàn)檫^去我們說的智能總是集中在處理器這樣的后端,現(xiàn)在傳感器這樣的前端已經(jīng)成為創(chuàng)新的主力軍。徐總把高大上的工業(yè)4.0更具體地分解成4個(gè)我們能接觸和理解的技術(shù):(1)計(jì)算,包括高帶寬、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算;(2)通信,包括總線通信、無線通信和光通信;(3)基于計(jì)算和通信的控制,包括功耗監(jiān)測、信號(hào)完整性和實(shí)時(shí)頻譜等;(4)貫穿各個(gè)方面的智能。從以上也可以看出智能互聯(lián)時(shí)代的趨勢和挑戰(zhàn):無處不在的無線技術(shù)、對(duì)更高帶寬的持續(xù)需求、提高能源效率、視頻無處不在。
徐總解釋到:“現(xiàn)在很多設(shè)備都帶有無線功能,并且?guī)捲絹碓礁撸盘?hào)更復(fù)雜;此外,真正的混合域應(yīng)用正成為趨勢,工程師要在一個(gè)設(shè)計(jì)中提供模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。以上這些都使得你即便不是RF工程師也必須做好無線。泰克為分析隨時(shí)間變化的超寬帶寬RF/微波信號(hào)提供革命性RF產(chǎn)品,如實(shí)時(shí)頻譜分析儀、混合域示波器等,并提供了整體RF測試方案,以應(yīng)對(duì)最苛刻的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)樹立信心。”
總理都催著提高網(wǎng)速了,可見對(duì)更高的帶寬的需求多么強(qiáng)烈,而高帶寬對(duì)數(shù)據(jù)完整性提供了很高的要求。泰克包括示波器、誤碼率測試儀、光波信號(hào)分析儀等在內(nèi)的測量設(shè)備為高速計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的測試結(jié)果,簡化串行標(biāo)準(zhǔn)測試復(fù)雜程度。泰克更是隆重推出了采用ATI(異步時(shí)序交織)技術(shù)的70 GHz實(shí)時(shí)示波器,這個(gè)將在后面詳細(xì)介紹。
泰克和吉時(shí)利提供從元器件檢定到電源系統(tǒng)驗(yàn)證的各種測量解決方案。覆蓋芯片、無線設(shè)備、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)的低功耗測試,例如低電壓低電源測試、待機(jī)功耗測試等,以幫助提高能源效率。
你知道嗎?泰克一直是視頻設(shè)備的領(lǐng)導(dǎo)者,徐總給記者掃了一下盲:“現(xiàn)在的轉(zhuǎn)播車中都有泰克的設(shè)備。電視沒信號(hào)時(shí)的“雪花片”都是泰克發(fā)明的。伴隨著4K的發(fā)展,從內(nèi)容創(chuàng)建到傳送,泰克提供各種測量解決方案。”
從高帶寬示波器開始工業(yè)4.0之旅
從發(fā)明示波器開始,泰克就一直引領(lǐng)示波器的世界標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在每10個(gè)工程師中就有8個(gè)使用泰克的示波器,在工業(yè)4.0時(shí)代,示波器也必須要改進(jìn),以幫助工程師們加速調(diào)試未來設(shè)計(jì)。泰克秉承創(chuàng)新理念,進(jìn)行大刀闊斧的改革,最新推出了世界上第一臺(tái)70 GHz采用ATI的高性能實(shí)時(shí)示波器DPO70000SX系列,其代表著全新示波器的開始。
在泰克已經(jīng)23年的資深行銷工程師Mike Martin特意來到中國向詳細(xì)介紹了這款高帶寬示波器,他說到:“這不是小改進(jìn),而是新紀(jì)元,未來許多新儀器也將基于這種平臺(tái)。其采用低噪聲ATI結(jié)構(gòu),具有業(yè)內(nèi)最緊湊的封裝、可擴(kuò)充的/靈活的多臺(tái)系統(tǒng)以及同類最優(yōu)秀的信號(hào)捕獲功能。憑借異步時(shí)序交織(ATI)技術(shù),泰克再度推進(jìn)示波器行業(yè)發(fā)展。”
DPO70000SX系列的主要指標(biāo)包括:70GHz模擬帶寬(<6 ps上升時(shí)間,可選為雙通道,每通道33 GHz帶寬)、200 GS/s采樣率、100fs抖動(dòng)噪底、≥25GHz邊沿觸發(fā)帶寬、存儲(chǔ)深度達(dá)1 GHz。
它是業(yè)內(nèi)封裝最緊湊的高性能示波器,有效利用機(jī)架空間,通道數(shù)量更高,能夠把兩臺(tái)示波器堆疊在同一個(gè)空間,變成標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式示波器;靈活地放置在DUT附近,縮短電纜長度,保持與DUT的信號(hào)保真度,支持靈活的顯示選項(xiàng)和分析控件。
Martin介紹到:“憑借創(chuàng)新的UltraSync架構(gòu),DPO70000SX支持高性能同步和控制總線,支持多臺(tái)配置;并且配置靈活,有精確的多通道同步定時(shí),設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)是<500 fs通道間抖動(dòng),實(shí)際上達(dá)到了250 fs,這比當(dāng)今任何多通道示波器都更好;UltraSync電纜簡化系統(tǒng)連接;分布式處理技術(shù),提高分析速度,即每臺(tái)儀器是對(duì)等的關(guān)系(非主從),進(jìn)行并行處理,可將結(jié)果顯示在一個(gè)界面上。用于對(duì)高速信號(hào)和高存儲(chǔ)深度的測量。
目前,在遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)光調(diào)制分析領(lǐng)域,400G波特要求更快的示波器(包括能夠同步多臺(tái)高性能示波器);在基礎(chǔ)科研應(yīng)用中,需要準(zhǔn)確地捕獲高帶寬單次信號(hào);在寬帶雷達(dá)、高級(jí)RF通信,需要Kband(40GHz)測試和驗(yàn)證,而頻譜分析儀不能滿足這一需求;在高速數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域,業(yè)內(nèi)正在轉(zhuǎn)向56Gb,需要驗(yàn)證芯片和系統(tǒng)模塊。而DPO70000SX系列可以滿足這些領(lǐng)域的所有苛刻需求。
圖3 兩臺(tái)DPO70000SX系列搭建的測試系統(tǒng),右邊為統(tǒng)一界面,左邊為可選的操控臺(tái)
詳解ATI與混頻的區(qū)別和優(yōu)勢
現(xiàn)在,光通信的速率通常設(shè)計(jì)為100 Gb/s及以上,不久的將來,研究設(shè)計(jì)目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到1 Tb/s。隨著帶寬的要求的不斷提高,找到滿足內(nèi)奎斯特定理要求的ADC變成更大的挑戰(zhàn)。在ADC突破瓶頸之前,泰克認(rèn)為基于ATI技術(shù)的高性能實(shí)時(shí)示波器是必然之選。通過使用兩個(gè)ADC采樣整個(gè)頻譜,DPO70000SX示波器平均數(shù)據(jù),提供了最低噪聲和最優(yōu)性能。
Martin詳細(xì)描述了之前的一些技術(shù)方案:“為了拓展帶寬,時(shí)間隔行掃描是一種常用技術(shù)。隨著采樣率的提高,隨機(jī)噪聲會(huì)均勻分布到新的內(nèi)奎斯特帶寬上。泰克的競爭對(duì)手在高帶寬示波器上采用數(shù)字帶寬隔行掃描,對(duì)于示波器設(shè)計(jì)人員來說,其主要優(yōu)勢是每臺(tái)ADC的采樣率只需大于總帶寬。但是這種設(shè)計(jì)面臨許多挑戰(zhàn)。一旦采集結(jié)束,數(shù)據(jù)放入波形內(nèi)存,那么必須使用DSP把上方頻段上變頻回到原始頻率范圍。恢復(fù)兩個(gè)‘一半’頻譜、重建波形非常復(fù)雜。由于路徑并不是完全一樣,因此必須在抵消中補(bǔ)償這些差異,抵消則是DSP的一部分。此外,由于兩個(gè)‘一半’頻譜中使用急劇的帶通濾波器,因此恢復(fù)頻譜的具體中心存在問題。在重復(fù)區(qū)域可能有平坦度問題,在該點(diǎn)上相位線性度也有問題。噪聲PSD會(huì)均勻分布在采樣通道的內(nèi)奎斯特帶寬上。事實(shí)上,使用頻率交織時(shí),噪聲會(huì)提高,而且沒有在保持帶寬不變的情況下去降低噪聲的機(jī)會(huì)。”
圖4 混頻器的采樣通道實(shí)例
ATI中完全對(duì)稱的路徑實(shí)現(xiàn)理想的性能匹配;每條路徑數(shù)字化整個(gè)信號(hào),而不只是一半;重建增加了兩份整個(gè)信號(hào),可以除以2進(jìn)行平均,使噪聲下降3dB。Martin對(duì)ATI的原理進(jìn)行了細(xì)致的解釋:“在異步時(shí)序交織(ATI)技術(shù)中,預(yù)采樣器作為諧波混頻器??驁D如下圖所示。需要說明的是:路徑是對(duì)稱的,ATI中使用兩個(gè)ADC采樣整個(gè)頻譜,信號(hào)的整個(gè)帶寬都被應(yīng)用到兩個(gè)ADC,這樣,噪聲的功率譜密度均勻分布到總采樣率中(每個(gè)ADC采樣率的2倍),結(jié)果,通帶中的整體噪聲要低于類似頻率交織結(jié)構(gòu)中的噪聲。這種設(shè)計(jì)采用預(yù)采樣器,故意對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行次采樣,從而產(chǎn)生假信號(hào),或把頻譜成分的上半部分翻回到ADC的內(nèi)奎斯特帶寬。在最后組合步驟中,本質(zhì)上是和除以2,這一函數(shù)把輸入幅度返回原始值,另外會(huì)影響整個(gè)采集的噪聲平均,從而進(jìn)一步降低測量通道的總噪聲。”
圖5 ATI通道方框圖
總之,ATI技術(shù)提供了一種杰出的擴(kuò)展商用ADC器件性能的方法,提供了最高的信號(hào)保真度,保持最低的噪聲電平。當(dāng)然,客戶不在乎你用什么技術(shù)來做示波器,而是在乎信號(hào)完整度、低噪聲等關(guān)鍵指標(biāo)。
不管是70 GHz DPO70000SX示波器,還是六合一MDO3000混合域示波器,或者是DMM7510圖形采樣萬用表,都是泰克為滿足行業(yè)的各種需求而推出的。徐總總結(jié)到:“工業(yè)4.0時(shí)代將誕生更多的測試測量的新需求和挑戰(zhàn),幫助中國工程師實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新,迎接工業(yè)4.0的到來。”
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