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 25 GHz 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、四個通道和 25 GHz 帶寬，同時提供高 SNR 和高 ENOB，可實現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。

距離 Tektronix 上一次發布全新的高端示波器，已經大約過去了七年，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與表征、物理實驗、射頻設計、數據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；其頻率響應在最高 25 GHz 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 5 V 輸入，同時具有非常高的有效位數（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 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格和功能）。但在任何一篇評測中，更值得占據頭版位置的，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。該產品計劃用于現場環境，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 50 Hz）。因此，使用風扇并不是一個現實選項。

為了滿足掃描速度和帶寬要求，功耗最初估算約為 200 W（310 手冊中的實際量產規格是 175 W），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，不過它使用的器件并不是靠把金屬加熱到發紅來放大信號的。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 1,500 W。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（據估算每顆約 140 W），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據采集模塊。

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 × 454 mm），重量約 83.7 磅（38 kg），具體視配置而定。由于尺寸和重量較大，設備安裝了類似“握持把手”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。

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

構建“海量輸入”的示波器系統

機架安裝能力使得數十臺設備可以被配置為多通道測試/監測系統。這與 Tek 數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 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——替換現場所有示波器和相機。對于現代這種大型數據采集與處理系統陣列，Tek 在 7 系列上設計了一套超高頻采集同步系統，使得多臺設備在采樣時間上保持相干性，并相對于觸發事件實現最小延遲。這一能力可以在機器背面看到。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，而且它確實是真實存在且經過工程實現的，但詳細內容大概已經觸及“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據接口。

如果你想進一步了解如何利用它構建數十通道采樣系統，用于物理實驗、亞原子粒子研究、瞬態事件記錄，或其他高速、多通道、快上升沿或短持續時間事件/傳感器采集，最好還是直接聯系 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 2.92 mm 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，用于后續信號處理中的信號路徑優化。

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據采集板之一，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據采集板（圖 6）。

圖 6  7系列數據采集板的第一版，當時僅具備數字觸發。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 2.92 mm 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勢——而我們為此專門設計了定制 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作，我們從頭到尾重新設計了整條信號鏈。最終結果已經說明了一切：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、62.5 GSPS 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 執行 10 位模數轉換，同時進行部分信號整形與濾波，并以每通道 28 條 lane、每 lane 24 Gb/s 的速率，將數據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 10 FPGA。

FPGA 還支持每通道 2 Gsample 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字信號鏈，并實現平坦的頻率響應。此外，該示波器還實現了受控的低噪聲底、27.5 GHz 的帶寬滾降，以及 Tek 所稱的“業內最佳 ENOB”，這一性能是在 7 系列硬件設計大致定型時達到的。

就在采集板最終版布線送出前的兩周，圖6所示的數據采集板不得不再次修改。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，用于捕獲高速數據流，因此其觸發方式被定義為數字觸發。數字觸發對于協議分析和信號完整性觀察很合適，但在執行單次事件觸發時——“比如來自一次爆炸的觸發”——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 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 數據采集板最終版本，顯示已加入 Tek046 模擬觸發芯片，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一致性。當目標發生變化時，我們沒有妥協，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架構，利用我們高性能產品線中已經驗證過的芯片，在數字觸發路徑之外增加并行模擬觸發。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。最終結果是：7 系列既達成了當下的目標，又實現了最初的愿景，并為下一步做好了準備——這體現了我們緊密協作的工程團隊以及對真正尖端產品的專注。”

—— 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。開發樣機底部留有開口，便于在研發與制造測試階段進行編程訪問。那些機器在開發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使用他們已經擁有的探頭，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據集。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。每一個細節都是圍繞客戶需求設計的。”

—— Tim Bieber，首席產品規劃師

在這些編程引腳的正上方，是用于 Stratix 10 的三相 100 A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，不妨去查查最大規格 Altera Stratix 10 的價格……當然，所有這些海量信號數據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據送往“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據采集板的背板，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據采集板的背板，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 Windows 10 和 Linux 操作系統之間切換；同時，一顆 NVIDIA T1000 提供 890 個 CUDA 核心用于高強度計算。

低噪聲和高速數據流動是 7 系列的重要目標，因此它配備了原生 10G 以太網接口，可通過電口或 SFP+ 光口快速將數據進出整機。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、穩定且低抖動的時基，另有一顆 Altera FPGA 負責雜項處理。為了持續為“吃數據”的 GPU 提供帶寬，系統還設計了一顆 4x PCIe 交換芯片，將通道寬度擴展至 x16。

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布，各系列儀器性能都不發生退化，開發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。我們必須在持續支持現有產品和滿足激進開發進度之間仔細平衡，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。”

—— Jenny Yang，軟件工程經理

制造過程包含嚴格測試

通過調節可變電容和射頻電感來對設備進行調校的時代已經過去了。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，以便優化每臺 7 系列的帶寬、頻率響應、S 參數性能，并滿足規格書中一頁又一頁的技術指標要求——這些規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節中花費的大量時間，絲毫不遜于，甚至超過高可靠性中心機房（電信）系統的標準。我們不會透露我們所看到的具體細節，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，以盡早發現問題，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內受到密切監控，確保各團隊之間沒有隔閡。這是一次真正體現跨職能協作的項目，所有團隊都高度一致，只為交付一款達到最高標準的產品。”

—— Jeff Schuh，測試工程師

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