1. 什么是「软件规划的示波器」？
示波器等仪器一般选用多个软件层，有些是用户较简单存取的软件，有些则否。 PC 上的软件可操控测验体系的全体运作，仪器驱动程序可供给示波器的通讯功用，嵌入仪器自身的软件则操控了数据收集和供给给用户的方法。 传统仪器会经过仪器驱动程序供给固定的丈量功用；模块化仪器则运用了开放式的 PC 软件和现代 CPU 的处理功用，能够在 PC (而非仪器内部) 履行信号剖析。 这样一来，用户即可敏捷定制针对收集到的数据履行数据剖析的方法，以此满意个人的特别需求，例如缩短测验时刻或进步丈量分辨率。
软件规划仪器进一步运用这个概念，可供用户修正或乃至彻底替换仪器 FPGA 上所履行的嵌入式软件。 由于每个收集到的数据点都能够实时在仪器 FPGA 上完结剖析，所以用户可完结定制的实时剖析和杂乱的触发，而且防止空滞时刻 (失去信号)。 简而言之，软件规划仪器能够让用户存取一切的软件层，从主机 PC 到仪器数据转换器的针脚全都包括在内，进一步完结定制的修正内容，满意特定的运用需求。
全新 NI PXIe-5171R 示波器是一种软件规划仪器，装备 8 个输入通道、300 MHz 模仿带宽、250 MS/s 取样率、14 位分辨率，以及用户可设定的 Xilinx Kintex-7 FPGA。
图 1： 用户可界说的 FPGA 作为软件规划仪器 (PXIe-5171R 示波器) 程序框图的中心组件。
2. 透过软件来规划示波器 FPGA 的程序
LabVIEW FPGA Module 能够把 LabVIEW 体系规划软件扩大至 NI 可重设 I/O (RIO) 硬件上的 FPGA；而这类硬件则包括了 PXIe-5171R 和 PXIe-5624R 示波器、数字序列仪器、RF 向量信号剖析器，以及在 2012 年宣布「软件规划仪器」概念的向量信号收发器 (VST)。
LabVIEW 自身即具有平行机制，而且数据流概念和 FPGA 的数据流也很像，因而十分适宜用来规划 FPGA 程序。 LabVIEW 能够抽象化体系内不同操作部分所履行的处理和数据搬迁作业 (例如仪器内的 FPGA 和 PC 内的微处理器)，因而工程师和科学家不需求 Verilog 或 VHDL 之类的 FPGA 程序规划、运算架构或数据串流等方面的深化常识，即可充分发挥软件规划仪器的功用。
LabVIEW 自身即具有平行机制，而且数据流概念和 FPGA 的数据流也很像，因而十分适宜用来规划 FPGA 程序。 LabVIEW 能够抽象化体系内不同操作部分所履行的处理和数据搬迁作业 (例如仪器内的 FPGA 和 PC 内的微处理器)，因而工程师和科学家不需求 Verilog 或 VHDL 之类的 FPGA 程序规划、运算架构或数据串流等方面的深化常识，即可充分发挥软件规划仪器的功用。
图 2 为软件规划仪器的软件架构 (现在以示波器为例)。 此架构包括了完结 FPGA 的例程，可用于实践收集和实时处理，以及主机 PC 上对应的软件模块，能够和 FPGA 上的对应部分互动，进一步设定/操控丈量作业、处理 PXI Express 总线的数据传输，而且呈现数据给用户。
图 2： 就软件规划仪器的架构而言，主 VI 会和 FPGA 上的对应部分互动，以此设定硬件并履行丈量。
主机 PC 的组件和仪器驱动程序很相似，FPGA 程序代码则是和传统的示波器硬件比较像。 不同于传统示波器，这些组件可用来建置定制示波器 IP，一起也由于开放式特性，可供用户依据特定需求而修正或扩大
3. 示波器调配用户可界说的 FPGA 所供给的测验优势
测验运用的终极目标之一便是缩短全体的测验时刻。 时刻一般是进步许多制造本钱的主要原因之一，弹性和可重复运用率对高度混合或高度保护测验体系而言则是十分重要。 下列三个典范说明晰示波器调配用户可界说的 FPGA 怎么节省时刻和本钱。
在线处理和 DUT 操控，加快丈量速度
许多运用有必要透过经过数字滤波、信道化、快速傅立叶改换 (FFT) 或解调等办法来处理所收集的数据。 尽管现代的多中心 CPU 可供给无与伦比的处理功用给桌面核算机，但一般无法实时处理多中心示波器所发生的数据，所以也没办法快速履行丈量作业。 成果便是 CPU 会成为测验速度的要害。 有了 FPGA 和固有的平行机制，即可轻松继续履行杂乱的剖析作业，例如实时并行核算多个通道的功率频谱。
图 3 为用户可界说的 FPGA 怎么用于 PXIe-5171R 示波器，只需一次就能收集并丈量一个 DUT (RF 切换器) 内多个通道的串音。 4 个示波器通道会平行收集 DUT 一切 4 个信道的输出信号，核算一切 4 个通道的功率频谱，而且针对违背情况履行屏蔽测验。
图 3： PXIe-5171R 示波器调配用户可界说的 FPGA，可履行平行的频谱丈量，从而缩短测验时刻。
另一个在线处理的比方便是透过 DUT 封闭循环。 示波器自身可操控 DUT 并缩短测验时刻，而非由主机 PC 来操控测验体系内的 DUT 和示波器 (这样会带来通讯时刻的运作本钱)。 示波器的 I/O 通道可做为分离式 I/O 运用，也可当作 SPI 之类的序列总线，以便和 DUT 通讯。
图 4： 测验高速数字转模仿转换器 (DAC) 的影响反响体系。
透过点对点数据流技能，示波器即可结合其他仪器，打造出闭循环测验体系 (图 4)。 示波器内部的 FPGA 会发生测验信号，而且传送至数字序列仪器，以此驱动 DAC 输入。 示波器会收集频谱，而且主动比较收集到的信号和预期的信号 (也便是之前发生的信号)。
透过自界说触发和协议解碼缩短测验时刻
对许多丈量作业而言，侦测特定的信号情况以发动收集作业是适当重要的功用。 传统的示波器能够准确收集一些触发情况 (例如某个信号超越临界值)，但由于仪器处理已收集的材料而带来的空滞时刻，所以无法每次都侦测到更杂乱的事情，例如脉宽。
用户可设定的 FPGA 可做为信号链不可或缺的一部分，而且针对用户界说的情况实时剖析每个信号。 这样一来即能够准确安稳的方法，侦测简易 (准位和磁滞) 和杂乱触发，例如信号颤动或脉宽、特定上升时刻，或乃至特定的信号形状。 图 5 的触发情况运用了一个信号封包，以此触发收集作业。 诸如此类的触发情境可用于规划和测验项目，以便侦测单边际触发器难以侦测到的反常行为。
图 5： 特定信号形状引发的触发。 在此典范中，信号有必要介于赤色和绿色曲线之间，才能够触发收集作业。
此外，也能够组合多个触发器，从而侦测复合情况，例如能够在不同通道上看到特定频谱内容的数字款式，或者是一连串的事情，一般称为 A-B 触发器。
有个相关功用便是可依据序列通讯接口上的特定数据字词或过错，侦测并触发收集作业。 有了用户可界说的 FPGA，即可测验信号的完整性 (依据规范测验信号的模仿波形)，一起平行译码输入数据，以此验证数据内容。 这样一来，用户不光能够测验信号，也能够树立可做为终究体系组件并快速制造原型的测验设定，有用运用单一仪器一起完结两项作业。
仿真旧设备以减缓产品汰换问题
军事或航天运用领域内许多保护测验体系都有运用寿命的需求，可延伸至 10 年以上。 一般会依据特定的仪器特性而编撰测验程序代码 (不管是否故意)，因而很难在防止大幅变化的情况下替换仪器，而且从头认证测验程序代码也需求高额的本钱。
用户可界说的 FPGA 可供程序规划，藉此修正仪器并仿真遭替换设备的行为，有助于防止上述问题。 运用 FPGA 逻辑即可轻松仿制触发行为或时序组合等特性，此外只需透过数字方法实作所需的滤波器，乃至能够模仿更杂乱的方面，例如示波器的滤波特性。
4. 示波器调配用户可界说的 FPGA 所供给的科学运用优势
就高能物理等科学运用而言，仪器的功用与弹性都是很重要的特征。 一般来说，这类运用大部分的信号处理和操控作业都会选用模仿电子和相对较慢的 ADC，以此收集预先处理过的信号。 现在，快速的高分辨率 ADC (14 位和 250 MS/s 以上) 可直接从传感器收集信号样本。 只需仪器搭载用户可设定的 FPGA，即可在收集期间一起履行信号处理作业，不用经过 PC 完结后续处理。 这样不光能够更快获得成果，也能够进步科学试验操控的弹性和功率。
有用实时反馈体系的在线处理
许多科学试验都有必要仰赖操控体系，保证一切设定项目都维持在清晰界说的状况。 举例来说，DIII-D Tokamak 等交融研讨体系会透过 RF 功率来加热等离子体，这会需求丈量杂乱的 RF 反射系数，而且依据丈量成果衍生出适宜的操控参数
运用粒子加快器和同步加快器时，有必要继续监控粒子光束的轨道，才干满意磁铁的正确操控输入需求。 示波器调配用户可界说的 FPGA，供给了固有的快速平行处理功用，能够一起剖析信号和频域，以及极高速的操控循环，因而有助于处理 DIII-D Tokamak 等运用问题。 只需客制化 FPGA，即可监测重要的安全参数，以便在体系处于非抱负状况时触发关机作业。
示波器可透过高速 PXI Express 总线，调配输出模块以发生试验所需的操控信号，或是以每个仪器超越 3 GB/s 的速度接连把数据串流至贮存前言。 用户可界说的 FPGA 还有另一个长处，那便是能够快速修正处理和操控算法。 能够把已编译过的位串流加载 FPGA，只需不到一秒的时刻，即可改动示波器的行为。
实时事情侦测和数据减量，有助于加快探究
判别要点事情一般适当困难。 常见的作法便是比及实践数据收集作业完毕之后，在后续处理期间寻觅事情，不过这么做很花时刻，而且有必要贮存许多的数据。
别的有一个更有用的方法，便是在收集期间决定要保存和放弃的信号，以此把数据量降到最低。 一般仅有的要点参数便是时戳和能量脉冲的核算成果，所以就贮存观念而言，从仪器回传这些参数会更有用率，而且由于收集到的成果可轻松卸除至主机 PC，所以还能够延伸丈量时刻。
举例来说，飞翔时刻 (ToF) 运用会继续制作粒子和能量。 如图 5 所示，较快的粒子坐落左面 (飞翔时刻较短)，较慢的粒子则坐落右边。
图 5： 规范的 ToF 图和侦测到的脉冲，这些脉冲会传输至主机 PC。
丈量体系的功用在于收集、时戳、丈量能量脉冲，而且扫除时刻 (收集到的数据)，中心彻底没有脉冲，一般称为零点按捺。 透过 FPGA 即可轻松实作，由于能够实时核算每个样本。 如图 5 所示，侦测事情的一般架构或许会是脉冲 (例如某个临界值) 侦测器，接着是契合已侦测脉冲上参阅脉冲 (例如高斯形状) 的算法，以便估量最大值。 侦测峰值和对应时戳并加以贮存之后，即可放弃所收集到的脉冲，也可传送至另一个缓冲区，以便进一步剖析或于 PC 显现。
LabVIEW FPGA 供给一些东西给用户，能够把必要的信号处理阶段实作于示波器上，藉此履行脉冲过滤和整形、核算呈现次数并加上时戳、丈量高度和上升时刻、直接在仪器内从头建构基线，而且把紧缩过的成果回传至 PC，以便进步研讨人员的作业功率。
5. 定论
传统示波器的原理是根据对信号进行快照的形式，然后在采样的后端将采到的信号对齐实际给客户波形丈量。这样的方法会丢掉两次快照之间的数据，假如咱们需求寻觅一个信号中很小概率的细节，那传统仪器无疑会添加许多的测验时刻。而且，根据FPGA将一切信号无缝收集，能够进行实时的信号处理，比方找出特定的信号波形，将其触发。与传统的示波器只能根据电平的触发方法不同，全新的可重装备示波器可协助用户透过定制化触发，更快侦测事情，而且实时处理数据，直接透过仪器把数据转换成成果，进一步进步丈量质量与速度。
