蓝色机器之魂：揭秘Tek全新7系列示波器背后的工程设计

深入了解Tektronix全新7系列4通道示波器背后的工程设计。该产品具备25GHz带宽、125 GSa/s采样率、世界级ENOB，以及2 GSa/ch通道的存储深度。

你将了解到：

● Tek全新的7系列示波器具备125 GSa/s采样率、四个通道和25GHz带宽，同时提供高SNR和高ENOB，可实现精确的波形采集与分析。

● 深入了解这台设备的整机架构，以及其中的工程与设计细节。

距离Tektronix上一次发布全新的高端示波器，已经大约过去了七年，而它的新7系列并没有令人失望。事实上，它的能力之强，让我想出了一个新词——“亚太赫兹采样率示波器（fractional terasample scope）”，它把测试与测量仪器的竞争提升到了一个全新层级。

这台示波器非常适合用于高速通信链路开发与表征、物理实验、射频设计、数据链路表征与一致性测试、信号完整性分析，甚至可以说，它像第六感一样，帮助人们揭开造物与宇宙的秘密。

Tek的7系列（图1）具备最高125 GSa/s采样率，也就是1/8太样本每秒；其频率响应在最高25GHz带宽范围内保持平坦，最多支持四个输入通道，每个通道最高可承受5V输入，同时具有非常高的有效位数（ENOB）和信噪比（SNR）。

图1. Tektronix 7系列示波器正在1通道和3通道上运行16 Gb/s的PRBS9信号。图中还能看到示波器的Linux和Windows 10操作系统硬盘。旁边放了一根香蕉作尺寸参考。

这台“亚太赫兹采样率示波器”令人印象深刻（稍后会进一步介绍它出色的规格和功能）。但在任何一篇评测中，更值得占据头版位置的，其实是这台设备背后那些最前沿的工程设计与工艺水准。

热设计

整整70年前，《Electronic Design》曾报道过Tektronix工程师在《设计论坛：紧凑型示波器》（1955年9月，《Electronic Design》杂志）中解决的一系列设计工程难题。那篇文章中所展示的Tektronix 310示波器，规格要求是：整机重量约20磅，占用体积约3/4立方英尺。该产品计划用于现场环境，因此其性能必须能够与实验室示波器相当。有趣的是，Tektronix设计的第一批PCB就用在了这台310示波器上，采用两块双面纸基酚醛板设计。

在那个年代，风扇转速由电源频率决定，而该仪器预期需在60到800周/秒（赫兹）的市电频率下运行（奇怪的是，当时甚至没有考虑50Hz）。因此，使用风扇并不是一个现实选项。

为了满足扫描速度和带宽要求，功耗最初估算约为200W（310手册中的实际量产规格是175W），这些热量主要来自至少30到35只电子管、五到六组硒整流器、一个笨重的电源变压器以及若干滤波电容。通过制作机箱模型（与当年200系列类似）、以电阻作为热源、并使用热电偶进行温度表征，Tek的设计团队最终找到了合适的热设计方案，结合“烟囱效应”和机壳开孔，形成最终封装设计。

Tek全新的7系列也面临类似的散热挑战，不过它使用的器件并不是靠把金属加热到发红来放大信号的。因此，为了保持最佳性能，必须将结温维持在合理且稳定的水平。7系列设计团队面对的是高得多的功耗级别，约1500W。这些功耗主要来自高速硅锗（SiGe）前端ASIC、最多四颗当时Altera提供的最大FPGA（据估算每颗约140W），以及NVIDIA和AMD处理器。

考虑到这类机器可能会“成群”安装在机架中，用于物理实验等高通道数应用，工程团队决定必须采用强制风冷。他们很聪明地意识到，真正为散热片降温的是空气质量流量，而不是通常为了制造“大风量”而采用的高风速——那种高风速听起来就像气垫船起飞一样吵。

所有高功率半导体器件都配备了大面积导热扩散器，并通过散热鳍片与流动空气耦合。冷却路径设计为：冷空气从设备底部和前侧进入，从后部排出，由两个8英寸风扇推动空气流动（图2）。

图2. Tek 7系列示波器的爆炸图，显示了前面板总成和四个数据采集模块。

这一设计策略效果非常好。机器运行时非常安静，排出的空气只是微微发温，而不是滚烫到让好奇的编辑缩手——这是因为大面积风扇扫风带来了更低的热流密度。

机械设计巧思

这台设备的体积不小，尺寸约为12.85×22.1×17.9英寸（326.4×560×454mm），重量约83.7磅（38kg），具体视配置而定。由于尺寸和重量较大，设备安装了类似“握持把手”的搬运把手，以便两人安全抬起并移动，避免受伤。能够把一台7系列“搬上工作台”，大概会成为工程师在健身房里的最新炫耀方式。底部和侧面的进风口，以及后部排风口，与这套把手结构配合得也很好。

7系列提供机架安装套件（图3），还提供一种“翻转安装套件（flip kit）”，允许两台设备在机架中“底对底”安装。这样可以让最多八个输入通道更靠近位于两台设备垂直中间平面附近的电路或系统。

图3. 两台机架安装的Tek 7系列示波器，以及Tektronix AWG70000任意波形发生器（AWG）。

构建“海量输入”的示波器系统

机架安装能力使得数十台设备可以被配置为多通道测试/监测系统。这与Tek数十年前在内华达核试验场的配置非常相似：当时，一百多台示波器前都装有胶片相机（图4），等待来自爆炸的触发信号，以记录示波器屏幕上显示的单次脉冲事件，并由每台示波器的胶片相机拍摄下来。

图4. 数十台Tek示波器组成的阵列，每台都带有屏幕胶片相机，用于在内华达核爆试验中捕获单次事件。

据Tek博物馆介绍，有一次试验中防爆门失效，结果Tek还因此获得了第二笔订单——替换现场所有示波器和相机。对于现代这种大型数据采集与处理系统阵列，Tek在7系列上设计了一套超高频采集同步系统，使得多台设备在采样时间上保持相干性，并相对于触发事件实现最小延迟。这一能力可以在机器背面看到。它使用了sync in、sync out、sample clock in和sample clock out接口。尽管《Electronic Design》在采访中了解过这一能力，而且它确实是真实存在且经过工程实现的，但详细内容大概已经触及“专有机密”的边界，因此没有完全展开。

图5. Tek 7系列背部视图，可见顶部中央的硬盘托架、双8英寸散热风扇、多机同步采样接口以及其他信号与数据接口。

如果你想进一步了解如何利用它构建数十通道采样系统，用于物理实验、亚原子粒子研究、瞬态事件记录，或其他高速、多通道、快上升沿或短持续时间事件/传感器采集，最好还是直接联系Tektronix。

示波器的电气设计

整机基于全新的前面板架构（再次见图2）。每个通道都使用TCA292D TekConnect转接头，包含一个2.92mm射频连接器，可连接用户信号线、光纤等。每个输入适配器都存有其独特的S11和S22参数，用于后续信号处理中的信号路径优化。

除了这种直通式螺纹机械加工适配器，Tek还提供可直接插入前面板各通道位置的探头。在内部，每个前面板输入都通过半刚性同轴线缆连接到四块可能的数据采集板之一，也就是图2中竖直放置、带屏蔽外壳的盒状模块。每个盒子内部都装有一块数据采集板（图6）。

图6. 7系列数据采集板的第一版，当时仅具备数字触发。旁边有Tek工程师作尺寸参考。

最多有两个前面板适配器可以通过半刚性同轴线连接到两个2.92mm射频输入通道连接器。以图6中上方输入通道为例，一条控阻传输线连接到浅黄色输入多路复用器，然后它可以接入任意校准“输入”源——包括DAC和放大器、射频振荡器，或右侧的两颗Tek085放大/均衡芯片之一。

基于SiGe的Tek085 ASIC是专门为7系列设计的。它能够在不过度抬高噪声底的前提下放大输入信号，并在数字化之前展平频率响应。

“低噪声底是一个决定性的差异化优势——而我们为此专门设计了定制ASIC。它们的设计是整个项目中最艰巨的工作之一。通过五年与客户的密切协作，我们从头到尾重新设计了整条信号链。最终结果已经说明了一切：我们不仅满足了今天的性能目标，还设定了新的标杆，并为未来几代产品奠定了基础，带来前所未有的速度、精度和灵活性。”

——Forrest Edwards，项目经理兼首席工程师

每颗Tek085前置放大器会产生三路输出信号，其中两路分别送往相邻的两颗Tek079 10位、62.5 GSPS ADC芯片。通过可调滤波与电源控制（图7），形成了Tek所称的“QuietChannel Technology”。在这里，信号通过有源连续时间线性均衡器（CTLE）能力进行放大，而不会增加示波器噪声。

图7. “QuietChannel Technology”方框图。通过在前端和后端前置放大器（Tek085）以及ADC（Tek079）仍处于模拟域时引入有源CTLE，实现信号放大而不增加示波器噪声。

每颗同样采用SiGe工艺的Tek079 ADC执行10位模数转换，同时进行部分信号整形与滤波，并以每通道28条lane、每lane 24 Gb/s的速率，将数据输出到采集板中线右侧那个巨大而闪亮的器件——最大的Altera Stratix 10 FPGA。

FPGA还支持每通道2 Gsample的高带宽存储器（HBM）、大量SerDes通道，以及大量DSP资源，从而构建出一条完整的模拟与数字信号链，并实现平坦的频率响应。此外，该示波器还实现了受控的低噪声底、27.5GHz的带宽滚降，以及Tek所称的“业内最佳ENOB”，这一性能是在7系列硬件设计大致定型时达到的。

就在采集板最终版布线送出前的两周，图6所示的数据采集板不得不再次修改。因为一位非常重要、而且要求合理的大客户提出了额外功能需求，而当时7系列还不具备这一功能。

7系列最初被定义为一台高速示波器，用于捕获高速数据流，因此其触发方式被定义为数字触发。数字触发对于协议分析和信号完整性观察很合适，但在执行单次事件触发时——“比如来自一次爆炸的触发”——其延迟太大。

工程团队以惊人的聪明才智、韧性和资源整合能力，决定借用已有高带宽产品中的一颗低延迟模拟触发ASIC——Tek046 Trigger Chip，并将其接在Tek085前置放大器的第三路输出上。它可以在图8左上角看到。

图8. 数据采集板最终版本，显示已加入Tek046模拟触发芯片，以增强Tek 7系列的能力。

Tek046还额外带来了某些射频放大能力，这也为7系列未来的更多潜力埋下了伏笔。

“从工程管理的角度看，最难的部分是在目标不断变化的情况下实现一致性。当目标发生变化时，我们没有妥协，而是重新设计。项目中途，一个必须满足的客户请求迫使我们重构触发架构，利用我们高性能产品线中已经验证过的芯片，在数字触发路径之外增加并行模拟触发。额外的收益是，我们还获得了更多射频放大器能力，可用于未来的高速串行触发。最终结果是：7系列既达成了当下的目标，又实现了最初的愿景，并为下一步做好了准备——这体现了我们紧密协作的工程团队以及对真正尖端产品的专注。”

——Gene Markozen，高级硬件工程师

这块板设计中另一个巧妙之处，在于采集板右下角的那些引脚。它们是用于在整机完全装配后对FPGA进行编程的控制信号。开发样机底部留有开口，便于在研发与制造测试阶段进行编程访问。那些机器在开发实验室中通常是倒放的，更不用说在机架中也支持倒置模式，以尽可能缩短与被测设备（DUT）的距离。

“7系列是围绕客户工作流程打造的——从易用性和界面，到其包装方式都是如此。因为这样一台仪器是一项重大投资，我们确保客户能够继续使用他们已经拥有的探头，即使这意味着必须做额外的软件工作。我们还增加了诸如Windows版本中的可翻转显示功能（支持倒置操作）、安静的散热系统以及低音量、悦耳的风扇声音，还有一块15.6英寸1080p显示屏，用于高分辨率查看大数据集。我们还设计了定制机架安装套件和定制硬壳运输箱，以方便通过主流物流公司进行运输。每一个细节都是围绕客户需求设计的。”

——Tim Bieber，首席产品规划师

在这些编程引脚的正上方，是用于Stratix 10的三相100A电源。别忘了，每台示波器中最多可有四块这样的采集板。若想感受一下震撼，不妨去查查最大规格Altera Stratix 10的价格……当然，所有这些海量信号数据最终都必须传送到某个地方，因此位于顶部的连接器会将数据送往“topplane”，也就是图9中机器顶部那块水平电路板。

图9. 7系列爆炸图，显示“topplane”，这是一块可容纳最多四块数据采集板的背板，同时也充当主板，其上集成主CPU和GPU。

topplane不只是一个可插入四块数据采集板的背板，它更是一块真正的主板，上面集成了相当强大的处理能力。整机前端由一颗AMD Epyc PE3351 “Snowy Owl” 处理器驱动，可通过更换图1中机器后部插入的硬盘，在Windows 10和Linux操作系统之间切换；同时，一颗NVIDIA T1000提供890个CUDA核心用于高强度计算。

低噪声和高速数据流动是7系列的重要目标，因此它配备了原生10G以太网接口，可通过电口或SFP+光口快速将数据进出整机。当然，对我们这些老派用户来说，机器上也还保留了USB。

一颗恒温晶振（OCXO）为整机提供精确、稳定且低抖动的时基，另有一颗Altera FPGA负责杂项处理。为了持续为“吃数据”的GPU提供带宽，系统还设计了一颗4x PCIe交换芯片，将通道宽度扩展至x16。

核心软件

运行在7系列上的软件，源自Tek 5系列和6系列仪器延续下来的代码体系。由于引入了GPU，软件必须针对这一全新硬件平台进行“重构”，随后还要在旧系列示波器平台上进行回归测试，以确保这个统一的软件平台不会破坏较早设备的功能——如今甚至一直向下兼容到2系列。

这意味着Tek各系列仪器的功能和操作方式具有共同基因，升级示波器并不意味着用户必须重新学习如何使用。为了确保随着新软件发布，各系列仪器性能都不发生退化，开发团队还建立了一整套专有基准测试体系。

“为7系列构建软件的过程，意味着我们要在利用现有软件平台的同时，让它能够无缝适配一套完全不同的硬件架构。我们必须在持续支持现有产品和满足激进开发进度之间仔细平衡，同时还要对软件平台进行重构，以支持7系列并为未来硬件平台扩展做好准备。”

——Jenny Yang，软件工程经理

制造过程包含严格测试

通过调节可变电容和射频电感来对设备进行调校的时代已经过去了。如今，在前置放大器、ASIC、FPGA等模块中，有许多“虚拟旋钮”可供调节，以便优化每台7系列的带宽、频率响应、S参数性能，并满足规格书中一页又一页的技术指标要求——这些规格资料可在下方获取。

在俄勒冈州比弗顿的工厂车间里，每一台机器都要经过长时间的校准与测试。由于外包制造的原型机在严格射频性能方面出现问题，生产最终被转回内部完成。是的，7系列是在美国制造的，由一群工匠完成，而这家公司文化可以一直追溯到二战刚结束之后。

其严格的老化测试、反复上下电测试，以及在装配和测试环节中花费的大量时间，丝毫不逊于，甚至超过高可靠性中心机房（电信）系统的标准。我们不会透露我们所看到的具体细节，但那种测试和校准上的严苛程度与投入时间，令人惊叹，远远超出一般意义上的“尽职”要求。

“从标准定义到电路板装配，我们设计了测试方法，以尽早发现问题，并在7系列多年设计与生产过程中与工程团队紧密合作。制造过程在俄勒冈州比弗顿园区内受到密切监控，确保各团队之间没有隔阂。这是一次真正体现跨职能协作的项目，所有团队都高度一致，只为交付一款达到最高标准的产品。”

——Jeff Schuh，测试工程师

关于泰克科技

泰克公司总部位于美国俄勒冈州毕佛顿市，致力提供创新、精确、操作简便的测试、测量和监测解决方案，解决各种问题，释放洞察力，推动创新能力。70多年来，泰克一直走在数字时代前沿。欢迎加入我们的创新之旅，敬请登录：tek.com.cn。