揭秘泰克全新5系MSO混合信号示波器幕后故事

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第一眼就可以看出,泰克最新推出的5系混合信号示波器(MSO)与其他示波器有着明显差别。首先,脸大更有面儿了,屏幕占前面板的85%,而大多数示波器中屏幕只占大约50%。第二,端口多更能容了,就是模拟输入的数量,最多有8个模拟输入,而大多数示波器一般只有4个。待到示波器开机并连接被测器件测试时,你会发现这不是去年示波器的改良版,而是一个全新的端到端重新设计。从汽车、飞机到家用电器,再到物联网等各个领域中,所有设备中的嵌入式系统正变得越来越复杂,对测试测量设备的需求也变得越来越高。一方面,越来越多的应用需要四个以上的模拟输入通道,而数字通道的集成度也需要更高。用户界面也必需更新,以适应世界上最流行的使用模式,亦即触控模式。当然,还必需提升性能和信号查看能力。

基于对现代技术工程师不断变化的需求的广泛研究,泰克产品规划师明确感受到,满足这些不断变化的预期需要的不仅仅是升级到中档示波器系列 (350 MHz~2 GHz带宽之间)。因此,我们进行了泰克71年历史中最重大的开发工作,我们组建了一支庞大的项目组,包括电子工程师、软件开发人员、用户界面专家和工业设计师,以便重新定义和重新设计示波器。

在整个开发过程中,我们进行了全面更新。5系列MSO采用全新ASIC、噪声更低的全新前端放大器、全新硬件结构、全新软件结构和全新用户界面。全新5系混合信号示波器拥有大量的行业第一,包括可以重新配置的示波器输入、具有6条或8条模拟输入通道两种型号、15.6英寸容性触控显示器,从一开始就为触控专门设计的用户界面、选配Windows操作系统。

如果在设计项目组中安插了一名记者,来写一写“新示波器的灵魂”,那肯定很有意思。在这里,我们采访了设计项目组中的多个关键成员,让他们来谈谈自己面临的挑战,以及他们是怎样克服这些挑战的。下面就是对泰克中端示波器主要负责人及设计师和工程师的问答访谈,其中涉及了泰克多个部门。为清楚起见,同时也考虑到篇幅,我们对他们的回答做了简单编辑。

开发全新平台的原因是什么?

中端示波器部门产品规划师Gary Waldo: 我的工作是与工程人员一起,规划下一代产品需要完成哪些工作。我代表着客户和核心团队双方的声音。市场上出现了一些新的应用需求,我们要能够满足当前产品和平台所满足不了的需求。我们知道,我们必须开发一个全新的平台,来实现这些新型功能,实现产品现代化,提供客户当前正在寻找的功能,操作起来要简单直观。为了满足各种客户需求,开发新平台是必须的。

与这个平台有关的一切都是全新的,包括用户界面。我过去开发的许多程序中,用户界面一直都是以前的用户界面演变而来的。这可能是十几年来第一个全新的用户界面,我们之所以这样做,是因为我们希望让客户百尺竿头、更进一步,让我们的产品变得尽可能简单、直观、易用。我们知道客户很忙,我们不想他们担心每次使用仪器时都要学习或再学习仪器的使用方法。

请介绍一下新型ASIC。

技术总监Bart Mooyman-Beck: 我的团队开发了5系列MSO中的芯片,我们四年前就开始了设计。我们把这款芯片称为TEK049。它基本上是一台芯片上的示波器,它拥有示波器要求的所有功能:ADC、数字信号处理、光栅化器、显示格式化,这是设计的核心。

 

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TEK049 ASIC是5系列示波器的核心。它拥有4亿个晶体管,就是一台“芯片上的示波器”。

这一设计有4亿个晶体管。这是泰克以前没有做过的设计,我们不能完全独立完成。因此我们召集合作伙伴和外包公司来帮忙。开发工作的管理是一个相当大的挑战。我们动用了世界各地的资源,一天24小时运转,有的时候一周七天不休息。我们竭尽全力,利用我们拥有的整个基础设施,来开发这一产品。我们对芯片开发工作层层负责,高级总监写合同,与合作伙伴和供应商进行高层次互动,然后工程师处理与合作伙伴的日常活动,每个人各司其职,最后才成功地开发出这一产品。

 

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这张内部海报突出了最新TEK049的主要功能,表明这是一个“全CMOS前端采集芯片”。

TEK049在许多方面都实现了突破。对我们来说,最具挑战性、也是最激动人心的,是开发芯片的高保真部分。ADC是独一无二的,以前是空白。我们把DSP引擎集成到芯片中。算法设计也是独一无二的。我们能够吸引顶级人才,因为我们在走访世界上开发这一产品的各个地区时,世界各地的人都会说我们想成为这一解决方案的一份子。有了这群人及我们的合作伙伴,我们才能开发出世界上保真度最高的芯片。

FlexChannel™输入有什么幕后故事?

Gary Waldo: 我们的目标是为客户提供灵活性。我们提供多达8个Flex通道输入。它可以配置成8条模拟通道和0条数字通道,也可以配置成7条模拟通道和8条数字通道,还可以配置成6条模拟通道和16条数字通道。你看这里的模式。在传统MSO中,你要么得到16条数字通道,要么一条没有,为客户提供的通道数量几乎总是不对的。

 

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FlexChannel输入可以是一条模拟通道,也可以是8条数字通道,其设计目标是让客户根据自己的需求,更灵活地确定适当的示波器通道配置。

软件项目负责人Steve Herring: 这一产品的差别在于,数字通道从一开始时就是和模拟一起设计的。数字通道现在不再是事后考虑的东西。以前,我们是在传统模拟示波器上增加数字通道。5系列混合信号示波器(MSO)从一开始就在一个前端中同时支持模拟和数字。模拟和数字在这个产品中是同等的,同一个前端,同一条信号路径,同一个硬件,而且是同一套软件。

在与四条模拟通道相同的空间中放进最多8条模拟通道及最多64条数字通道,你们面临着哪些挑战?

硬件设计主管Brian Mantel: 为调试我们遇到的某些问题,我们使用了某些其他产品。事实上,我们希望我们要用5系列调试它自己,因为它使用起来简便得多。我们想尽办法,把8条模拟通道放到与现有产品类似的外形中。它是一种真正惊人的设计成就,在这么小的区域中封装了这么多的电路,仅此一项就是巨大的挑战。另外,这里面涉及大量的机械设计,以确保我们能够稳妥地冷却所有部件。冷却也是一个大的挑战。

尝试将所有模拟通道和数字通道布线到ASIC也是一个设计挑战。我们必须采取谨慎的措施,确保所有定时是准确的,我们的模拟信号中没有任何数字噪声串扰。

说到噪声,您怎样在前端上实现低噪声?

Brian Mantel: 消除系统噪声是一个特别的挑战,因为我们的前端异常灵敏,以便客户能够详细查看信号。他们必需获得很高的测量精度,所以也特别容易产生噪声。我们做了大量的工作,确保这是一台超高分辨率仪器。

我们先确保采用低噪声设计,而后必须处理所有机械屏蔽。在我们制作设计原型时,我用了大约300美元的铜带来完成屏蔽,确保制造的产品质量没有问题。我们最终实现了非常好的低噪声设计。

 

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设计项目组用了大约300美元的铜带,才设计出前端输入的机械屏蔽解决方案。

软件结构有怎样的变化,来适应FlexChannel输入和选配Windows等功能?

软件架构师Shane Arnold: FlexChannels可能对软件结构的影响最大。我们以前开发的产品在配置上都是静态的,而现在,软件管理的通道数量取决于配置。能够配置通用通道既是一个机遇,可以帮助客户解决问题;也是一个巨大的挑战,因为我们必须解决结构上的问题。

这对未来产品开发有很多好处,由于这种结构,我们可以处理FlexChannels等功能。有一些应用我们以前满足不了,而有了这种新的软件结构,我们现在能够满足了。由于仪器中有各种模块化器件,因此软件本身必需体现这种模块化特点。这一产品中内嵌的每一台不同设备都有一个相关的软件组件,因此我们能够开发基于组件的软件结构。

通过实现这种新的跨平台代码库,我们可以搭建一种能够在Windows和其他操作系统上同样很好运行的软件结构。这种产品第一次允许客户选择是开放的系统(基于Windows)还是专用的系统。我们的部分客户对专用系统产品情有独钟,因为它们不会感染病毒,没有管理问题和管理开销。它是专门构建的系统,只用来做测量。但有些客户希望采用开放的系统,这样就可以安装其他应用,使用Windows。

这种软件结构是否能让用户面向未来做好准备?

Steve Herring: 当然,我们融汇了我们传统产品中的最好经验,当然泰克从业以来学到了许多东西,但软件结构是全新的,是面向未来设计的。它设计成即插即用。客户将能够在不重启示波器的情况下,加载新应用和新功能。他们能够在运行时加载和使用这些应用和功能。这不是后加的东西,不是在现有的平台上打补丁,我们设计的是一个未来几年内都能使用的平台。

在搭建新的软件结构时,你们面临哪些挑战?

分析项目组软件经理Mark Smith:挑战涉及三个主要领域。一是从产品开发周期角度看,我们要在规定的时间内完成这么庞大的工作相当有挑战。另一个挑战是我们进入产品开发的某个阶段时,项目组规模明显扩大。这是一个挑战,因为有了新人,他们要接受新系统的教育,要提升他们的素质,要让他们能够做出卓有成效的贡献。第三个挑战是测量性能。系统内部的新特性和新功能之一,是我们要深入分析数据集,因此如果您想处理更多的数据,您就要用更多的时间。我们想提供更高的分析保真度,而不会明显改变获得信息的时间。我们用了大量的时间优化系统性能,以实现这一目标。

新型示波器拥有流线型时尚外观,这是怎么做到的?

视觉设计师Steve Lafrance: 我参与了工业设计和用户界面设计,要把我们当前的产品,也就是过去十年中一直使用的产品,提升为外观更加时尚的产品。这要求一种模式转换,从按钮导向转向触摸屏导向。我们正从小屏幕产品转向大屏幕产品,这要求重新思考我们拥有的一切,包括产品的物理外观。然后,由于我们正从按钮导向转出来,这也要求改变产品内部。因此变动是全方位的。在设计方面,我们面临着相当多的挑战。

为了确定哪些东西对客户有意义,我们反复进行了大量的设计。我们从核心模型到实际全面绘图,最终制作出展现在人们面前的完整原型。它是一张图时是一回事,看上去可能非常漂亮,非常好。而实际使用时则完全是另一回事;而拿到原型,在原型中置入软件时,又会有所不同。

 

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这是一台早期原型,每条通道有一个旋钮,因为这一直是示波器的传统。但是,每个人看了以后都说这种模型在4条以上通道时是不可行的,因此在最终产品上我们采用了复用控制模式。

机械工程主管Rob Kreitzer: 人们一直愿意了解、其他工程师特别喜欢的,是产品的外观,因为这可以给好的产品锦上添花。而这一块需要付出大量的努力。最终它看上去简单优雅,实际上要耗费大量的时间、精力和工程设计工作。

我非常骄傲的一点,是我们确立了一个愿景,那就是创造一个看上去像是技术艺术品的产品。把外观视为示波器的其中一个特色,是需要做大量的工作的。没有人想一开始就把重点放在外观上,但客户看到它的第一印象确实会产生影响。我们需要使它看上去时尚、科技感。

可折叠支脚有什么故事?

Gary Waldo: 在开发这款仪器的工业设计时,我们进行了几轮客户测试,我们仿制了一个模型,重量和最终产品差不多。我们请了一名客户来进行物理评测。在这个客户往前倾斜着放原型机时,原型机前支脚塌掉了。正因如此,我们必须采取措施,保证示波器前倾时前脚不会塌。在新的设计中,当支脚承重时,支脚是不会塌掉。一旦支脚不再承重,您可以简便地把支脚向回翻并拿开。

 

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在5系列MSO向前倾斜时,锁定机制可以防止前脚塌掉。

Rob Kreitzer: 在处理支脚的过程中,我们发现客户希望有多个支脚位置。有些用户希望平着使用示波器,有些想要标准翻转支脚,有些则需要把示波器放在工作台高处,不希望屏幕晃眼。所以我们增加了一个后脚,可以消除屏幕晃眼,这样前脚后脚各有一个,可以独立工作。

为什么你们决定开发触控用户界面?

Steve Herring: 从测试测量行业角度看,这种新的用户界面是颠覆式的。用户界面设计是一个挑战。每个人对用户界面及其应该怎样工作都有自己的看法。我们有很多相对较新的客户,这些年轻客户已经习惯了使用智能手机,我们也有大量的岁数大一点儿的客户,他们习惯了前面板按钮和旋钮,每个控制功能有一个旋钮。当然,能够满足每个人的需求是一个巨大的挑战。

我们一直陷于两难的境地:我们已经得到新的超大屏幕,读起来很容易,分辨率高,但有一部分前面板放到了侧面,如人们熟悉的按钮和旋钮,而人们已经习惯在前面板中使用这些按钮和旋钮。他们伸出手,按下按钮或轻触旋钮,和预期方式一样。我们保留了我们已经习惯了的最好的东西,再融入当今现代仪器的优秀特点。我们在一个产品中实现了鱼和熊掌兼得。

在触摸屏界面中,我们有一个特色是把用户需要用的东西就放在他们眼睛看得见的地方,他们正在寻找的地方。他们不用把眼睛离开屏幕,去别的地方找一个软键或一个菜单。他们只需轻触看到的东西,就会在那儿得到所需的结果。对大多数界面来说,轻触完成这个,缩放完成那个,我们仿真了所有这些手势。用户不必从头开始,下次回来时还要等,还要想这和智能手机操作有什么差别。我们遵循了触控界面的所有设计标准。

在易用性测试中,你们对用户界面有哪些心得?

高级软件工程师/用户界面主管Bridget Fisher:刚开始时,我们有一家外部顾问公司,为我们提供创意,告诉我们应该怎样布局,并推荐了字号,我们采纳了这个方案,使用了这些信息。在我们第一次进行易用性测试中,我们发现没有人能读得了用户界面。人们进来后说,我没带眼镜。根据这些反馈,我们加大了所有项目的字号,第二次再测试时,再也没有人投诉了。

我们有一项易用性测试,不允许客户使用前面板、键盘或鼠标。他们必须使用触摸屏完成一切。在我们刚启动这个项目时,似乎触摸屏只是一种点缀,我们之所加触摸屏,只是人们觉得应该加。但在我们的测试中,我们发现客户实际上很喜欢使用触摸屏。我惊奇地发现,有的客户说,在使用我们以前的示波器时,他们没有地方放键盘或鼠标。而触摸屏释放出了工作台空间,可以放其他东西。

在我们的用户测试中,唯一对用户不直观的,因为他们以前没有体验过,是要双击才能启动配置菜单。但我们第一次告诉用户之后,他们后面就不再是问题。正因如此,我们就所有手势提供了一个非常简单的教程。我非常惊讶地发现,他们很快就学会了用户界面,甚至有的地方无师自通。

 

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5系列MSO采用全新的用户界面。

你们是怎样使用户界面速度快、反应快的?

软件和用户体验经理Giao Tran:在早期易用性测试过程中,我们发现客户希望使用触摸屏,像移动设备一样操作,支持缩放、滑动等手势。我们发现,这些手势实现起来极具挑战性,因为软件是在实时信号上运行的,而不是网页上的固定对象。这要求我们的工程师发挥创造性,改善波形显示算法,确保仪器在触控中平稳运行。

 

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我们特别注意使触控界面反应迅速,在处理实时信号时,这可不容易。

这个项目给你们的最佳体验是什么?

Shane Arnold: 我们进入了一个里程碑,我们推出了一种全新系统,而这又是泰克公司拥有悠久历史的产品。我们把这个里程碑称为Green Worm(绿虫),它参照了基于CRT的老式示波器,屏幕上的轨迹是绿色的。因此,这台仪器第一次能实现波形模数转换,把它与触发的波形视图一起放在屏幕上时,我们称之为Green Worm(绿虫)。那天正好是我生日,我工作到深夜,也恰好是Green Worm出现的时间,我永远忘不了那一天。

Gary Waldo: 在开发过程中,许多签订了保密协议的客户看到了这台仪器,反馈非常好。他们对我们的新型工业设计、用户界面、性能、增加的通道、FlexChannels概念、选配Windows操作系统都非常满意。反馈一边倒地好。我本人对用户界面特别骄傲,因为我领导了用户界面设计工作。这是一项耗时很长的工作,我们重新搭建了仪器中的一切,最后才变成了现在的模样。

Bridget Fisher: 我对用户界面设计很满意,因为我喜欢让人快乐。在人们第一次看到5系列MSO时,他们可能会禁不住一愣,因为有些东西他们以前没有见过,过了一会儿,他们的脸上就会浮现出笑意。

关于作者:

 

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Dave Pereles在测试测量行业的工作超过了25年,先后担任过各种职务,包括应用工程师和产品管理。他毕业于美国康涅狄格州哈特福德市卡地亚学院电气工程专业,获得理学学士学位,并在西雅图大学获得MBA学位。

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