[问答]

拆解Analog Discovery，内部设计一探究竟

初次体验过Analog Discovery模拟设计套件后，已经体验到了这块小黑盒子的强大功能，将示波器、信号发生器、逻辑分析仪3种功能整合在一起。但只是使用是不够过瘾的，何不学习借鉴一下自己来进行设计虚拟仪器？就一般的DIY示波器而言，无外乎MCU+FIFO和FPGA+RAM的结构， USB示波器可以不需要显示和处理,采集到的数据可以由PC软件进行显示和处理，但同时要求有较高的数据带宽和实时性。Analog Discovery有着怎样的硬件结构来实现这些功能和性能呢？那么这次就将拆开Analog Discovery，对内部设计一探究竟。

Analog Discovery的机械结构非常简单，背面仅有四颗螺丝固定外壳，两下搞定。从设备背面的照片中还可以看到Digilent是由ADI和Xilinx赞助来完成该设计的，当然赞助可以指提供芯片和设计技术。

拆开黑盒子，里面只有一块PCB，目测至少为6层板。上面的主要器件一目了然：主控芯片是Xilinx的Spartan6系列FPGA XC6SLX16，16通道的数字I/O都由FGPA直接提供。另外FPGA还连接了一片AD9648，用来实现示波器的两路差分输入。USB通信采用了FTDI的USB-to-Serial/FIFO芯片FT232HQ。整个系统通过USB单电源供电，板上需要的各种电压主要由ADI的DC/DC来提供。

背面的器件密度较高，主要器件是两颗DA芯片，包括用以实现信号发生器双路输出的AD9717和一片起辅助作用的AD5645R，剩下又是大量的模拟电路和供电电路。

***代工的XC6SLX16，采用8x8mm的CPG196封装，具有14,579逻辑单元、576Kbits RAM和106个可用I/O。整个PCB上并没有找到配套的RAM和用于配置FPGA的Flash，因此FPGA应该不承担主要的存储工作（其实也不需要，PC有那么大的内存呢），同时FPGA也应当是通过USB在线配置的。这样整个系统的灵活性就大大提高了，除了基本的示波器、逻辑分析仪等功能，Analog Discovery还能通过软件重配置成任何你需要的自定义设备（只要软件支持）。

FT232HQ支持USB 2.0 Hi-Speed (480Mbps)和Full Speed (12Mbps)协议，与FPGA接口可配置为UART、SPI、I2C、JTAG和245 FIFO。当配置为同步245FIFO模式时，最高速率可达40MB/s，可以满足USB虚拟仪器的高上行数据带宽需求。

下图为整个设备中最为昂贵的IC——价值51美金的AD9648。Analog Discovery标称AD的采样率为105MSPS，实际采用的芯片可支持125MSPS采样率，支持两路差分输入和1.8V CMOS/LVDS输出（就PCB来看应该采用了CMOS接口），14-Bit的分辨率提供了较高的纵轴性能。其输入带宽可达650MHz，并支持通过SPI接口配置时钟、偏移等多种参数。其应用领域中赫然写着GSM、CDMA、雷达等无线电系统。

如果按照$199的商业版来算，该芯片占销售价格的25%，若考虑到US学生的$99特供版，单此一颗IC就达到了销售价格的50%以上，实在令人唏嘘。不过Digilent从ADI拿到的芯片肯定不会是这个价格，不然就要赔本了。

DA芯片AD9719位于PCB背面，同样是125MSPS，同样的14-Bit分辨率，支持差分耦合或单端输出，价格相对AD来说也要便宜不少。图片的左下角应当是数字I/O的ESD保护二极管。

其实整个系统含金量最高的还是模拟前端部分，估计是由ADI的工程师操刀设计的。下面是示波器两路全差分输入的其中一路，看起来很有些眼晕。红色的目测为高频补偿电容，紧接着是由ADG612模拟开关控制的衰减电路，再往后就是运放构成的放大电路，兔子猜测可能会有阻抗变换的部分（纯属猜测，需要测量电路来验证）。最后由AD Buffer芯片ADA4940进行缓冲，并送入ADC中。

然后对各个部分做了简要的分析（一半测量一半瞎猜），绘制出假想框图一幅：

需要提到的是，Analog Discovery上使用的芯片很多都是10-Pin或者8-Pin的小封装IC，并没有写明芯片型号，只有三个字母构成的简单丝印。兔子也是尽己所能在ADI网站上进行查找，最终列出了主要芯片的BOM和成本（电源IC和个别查不到的IC不在其中）。

Part Name	Description	Price ($)
XC6SLX16-CPG196	Spartan-6 FPGA, 14,579LCs, 106I/Os	21
AD9648BCPZ-125	14-bit, 125MSPS, 1.8V Dual ADC	51
AD9717BCPZ	14-bit, 125MSPS, Dual DAC	10
FT232HQ	Hi-Speed USB to Multipurpose UART/FIFO IC	2.2
ADA4051-2 x2	1.8V, μPOWER, ZERO-DRIFT, RRIO DUAL AMPLIFIER	3
AD5645R	QUAD, 14-BIT I2C nanoDAC WITH ON-CHIP REFERENCE	6
ADA4940-2 x2	ULTRALOW POWER, LOW DISTORTION ADC DRIVER	5.2
ADF4360-9	CLOCK GENERATOR PLL WITH INTEGRATED VCO	3
ADG612 x2	QUAD SPST SWITCHES	3
AD8592	CMOS SINGLE SUPPLY RRIO DUAL OP AMP	0.4
AD5623R	DUAL 12-BIT nanoDAC WITH ON-CHIP REFERENCE	2.1
AD8066 x2	HIGH PERFORMANCE, 145 MHz FASTFET OP AMP	4.6
AD8058	LOW COST, DUAL, HIGH PERFORMANCE VOLTAGE FEEDBACK, 325 MHZ AMPLIFIER	1.6
AD8067	HIGH GAIN BANDWIDTH PRECISION FASTFET OP AMP	1.9
Total		115

看完BOM之后，发现其实Digilent的设备售价已经很白菜了，DIY起来能节省的也不多。当然这只是不了解内部价格行情时看到的假象，另外自己做的话当然也不会拿来照抄，而是会根据需求选用性价比合理的方案。

2018-9-28 15:14:56　　评论 淘帖0 邀请回答

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寇亦青

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答案对人有帮助，有参考价值 0 Analog Discovery®设计套件围绕下列组件而构建：ADI世界一流的转换器（14位、105 MSPS ADC AD9648和14位、125 MSPS DAC AD9717）、时钟发生器、运算放大器和电源管理集成电路。 Digilent®与ADI的设计工程师合作，可满足功率、性能和价格水平等要求，同时不会导致性能或功能的下降，让学生能够借助Analog Discovery进入模拟电路和电子实验室。为了扩展基本Analog Discovery设计套件的能力，ADI和Digilent提供Analog Parts套件，该套件包含200多个组件（电阻、电感、电容、LED、二极管、电位计、晶体管等）以及超过20款ADI的IC。该套件支持教材中的所有设计，提供足够丰富的元件多样性，其内置的试验板可支持数千种额外的设计。该套件的ADI部分组件混合了传统运算放大器、线性稳压器和匹配晶体管，同时还集成了各种传感器，允许学生研究分析物理现象，比如倾斜、温度、磁场和音频。除了硬件，Analog Discovery还由两个易于使用的软件程序提供支持，即Mathworks®的Waveforms™和MATLAB™。这两个程序均可让学生工程师快速轻松地将Analog Discovery配置为多个实验室设备（示波器、函数发生器、频谱分析仪、逻辑分析仪等），生成实时FFT、实时X-Y曲线、复杂数学函数，并为所有示波器通道提供数十种测量信号。 Analog Discovery还能让您导入和导出数据集和图片，支持多种输出格式形成报告，并能保存仪器仪表配置，非常适合用来搭建实验室。论坛中有关Analog Discovery模拟套件的讨论和分享：如何选择配合Analog Discovery使用的变压器？挑战守财奴老板——ADI专家给没办法用公司资源想自给玩开发的筒子们的建议

2018-9-28 15:33:12 评论举报寇亦青

答案对人有帮助，有参考价值 0 cong29898 发表于 2018-9-28 15:38 Analog Discovery®设计套件围绕下列组件而构建：ADI世界一流的转换器（14位、105 MSPS ADC AD9648和14位、125 MSPS DAC AD9717）、时钟发生器、运算放大器和电源管理集成电路。 Digilent®与ADI的设计工程师合作，可满足功率、性能和价格水平等要求，同时不会导致性能或功能的下降，让学生能够借助Analog Discovery进入模 ... 参加论坛正在火热进行的活动——有奖创想，一起来做环境监测“创客”就有机会赢取价值1,980元的Analog Discovery模拟设计套件哦！心动吧？坛子里的大神们，都快行动起来吧~~~

2018-9-28 15:45:19 评论举报段朝思