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    國產示波器進口替代加速,突破高端的主要壁壘有哪些

    發布時間:2022-11-16     來源:集賢網    編輯:段

    近年來,得益于我國制造業升級,智能實驗室、新能源汽車、消費電子等行業發展迅速,進而帶動示波器市場快速增長。發展到2020年,我國示波器行業規模已達到35億元,行業產量突破100萬臺,預計2022-2026年,我國示波器市場將保持增長態勢,年均復合增長率在8.4%以上。

    根據信號不同,示波器可分為模擬示波器和數字示波器,相比于模擬示波器,數字示波器具有更高的測量效率、測量精度,近年來,隨著電子技術發展,數字示波器替代模擬示波器成為趨勢。在5G智能時代下,示波器市場需求正不斷升級,人機交互、高寬帶、高采樣精度、多通道成為示波器重要開發方向。

    一、數字示波器產業概述

    示波器屬于通用的儀器,具備較好的場景泛化能力。目前大多科技產品均會涉及電子電路,其中電子元件設計、驗證和調試過程中,均需要使用示波器以分析眾多電信號。本質上示波器是一種診斷儀器,能夠繪制電信號圖,幫助工程師或研發人員了解信號電壓值隨時間變化產生的波動,從而判斷是否存在故障組件使信號失真

    示波器一般分為數字示波器與模擬示波器。通常而言,數字示波器與模擬示波器均可用于電子信號測試,但兩者各有側重。模擬示波器用于測試要求實時顯示并且變化很快的信號;數字示波器則用來顯示周期性相對較強的信號,同時數字示波器內置CPUDSP處理器可以處理分析信號,能夠較好分析數據。

    數字示波器具備信號采集、顯示、測量與分析、存儲4大功能。其中采集部分主要是由三顆芯片和一個電路組成。即放大器芯片(AMP),A/D芯片,存儲器芯片和觸發器電路。輸入的電壓信號經耦合電路后送至前端放大器,前端放大器將信號放大,以提高示波器的靈敏度和動態范圍。放大器輸出的信號由取樣/保持電路進行取樣,并由A/D轉換器數字化,經過A/D轉換后,信號變成了數字形式存入存儲器中,微處理器對存儲器中的數字化信號波形進行相應的處理,并顯示在顯示屏上。

    數字示波器整體產業鏈相對復雜,上游主要IC芯片(AMP芯片、存儲芯片等)、PCB和電容等原材料供應商組成,中游主要數字示波器的生產與制造,目前國內市場仍被國外先進企業占據主要市場,國內企業有普源精電和鼎陽科技等,下游主要應用為電子科技行業。

    作為數字示波器上游原材料最核心材料的芯片產業,目前國內進口依賴十分嚴重,以AMP芯片為例,全球AMP芯片市場基本被意法半導體(ST)和東芝(Toshiba)壟斷,國內主要依賴進口,就目前國內集成電路進出口狀況而言,我國集成電路出口量約是進口量的一半的左右,隨著集成電路整體需求持續增長,進出口皆處于增長趨勢,總體比值變化幅度較小,反而整體凈進口量處于穩步增長態勢。整體來看,上游芯片的壟斷在一定程度影響了數字示波器技術的發展。

    數字示波器下游主要應用于電子科技行業發展,隨著我國電子信息國產化持續推進,數字示波器作為電子測量關鍵儀表儀器將受益快速擴張。數據顯示,2018-2021年以來,我國規上電子信息制造業快速增長,從10.6億元增長至14.13億元,已超過2017年以來的今年最高值。

    二、數字示波器的核心指標

    對數字示波器來說,其核心性能指標包括了帶寬、采樣速率和存儲深度。帶寬是指輸入一個幅度相同,頻率變化的信號,當示波器讀數比真值衰減 3dB時,此時的頻率即為示波器的帶寬。帶寬決定了示波器所能檢測到的信號頻率范圍,最高帶寬越高,能夠檢測的最高信號頻率越高。而實時采樣率與帶寬密切相關,其決定了示波器 ADC 在單位時間間隔內可采集的樣本點數,直接影響信號波形的還原程度,實時采樣率越高,采樣速度越快,失真越小。最高帶寬和實時采樣率越高,其技術難度越高,應用領域越豐富,產品價格也越昂貴。存儲深度是指數字示波器所能存儲的采樣點多少的量度。

    在行業內,數字示波器按照帶寬會將產品分為低端、中端和高端三種類別。根據國際標準,最高帶寬小于1GHz的數字示波器產品為低端數字示波器產品,在市場上的占比約為40%,主要用于對測試功能、測量精度等指標要求不是很高的應用場景,比如教育教學、研發、測量低頻電路、電子兼容性、電源和電網等場合。主要玩家有泰克、普源精電、鼎陽等廠商。

    帶寬在1GHz~10GHz之間的產品稱為中端產品,此類產品主要用來查看信號完整性分析、眼圖和抖動分析、高速數據采集分析等,應用場景包括高階教育教學、研發、部分生產測試比如MIPI、USB Type-C等中等速度數據總線分析。市場占比約為40%。主要玩家有是德科技、泰克、R&S、力科、NI、恒河、安立等廠商。

    帶寬超過10GHz的數字示波器稱為高端數字示波器,主要應用在高性能電路研發和前沿研究,比如高速串行總線收發器研發、光通信網絡物理層測試、超寬帶信號分析、太赫茲系統、高端芯片研發測試等。市場占比約為20%。主要廠商有是德科技、泰克和力科等。

    三、國內數字示波器主要集中在中低端,壁壘有三個

    從市場格局來看,海外廠商占了多數高端市場份額,國產廠商產品主要集中在低帶寬市場。比如是德科技、力科和泰克的示波器的最高采樣率分別達到110GHz、100GHz 33GHz,而國內廠商產品主要集中在4GHz 以下的低帶寬市場。目前,國內做到最高的頻段是普源精電的DS70000 系列,最高帶寬為5GHz,國內外頭部廠商的示波器在帶寬領域的存在較大差距。從采樣率指標來看,海外廠商仍然具有明顯優勢。

    與帶寬密切相關的其實是ADC芯片,它是負責前端的模擬量信號采樣,并轉換成數字信號,僅需數字中頻,然后進行分析。國產儀器要想在高端示波器領域有所突破,必須要突破三大壁壘:

    首先是ADC等關鍵芯片。一般來說電子測量儀器行業上游供應商主要有各種原材料供應商,包括了IC芯片、二極管、三極管、 RCL元件、 PCB板及漆包線等。而IC芯片是其核心材料,占了其成本的近4成。據鼎陽科技與普源精電的招股說明書披露,其原材料采購中,IC芯片占比最大,接近 40%;其次是電子元器件(二極管、三極管、 RLC等)占比約為 PCB占比約為 10%,顯示屏約為 7%,結構件約為 17%,其他材料約 6%。

    ADC芯片是影響帶寬的關鍵,其性能將會影響整個示波器的可測量的頻帶范圍。目前國內的ADC、DAC產品主要采購ADI、TI的產品。但其實,2 GHz帶寬以上的示波器產品的ADC,廠商很多都會自己做,比如全球做示波器的廠家中,現在有五家是可以自研,是德科技、泰克、力科,R&S和普源精電都是自研的。其他的廠商基本上都是外采,而外采ADC的品牌很少有高端的產品,因此,如果想要往高端走,自研ADC的需求還是比較高的。

    二是數字中頻的運算能力,就是算力,包括實時性。所謂實時性就是因為隨著采樣率越高,采樣的速度越大,所以單位時間內獲得的數據量就越大。為了使示波器本身死區時間不至于過長,死區時間就相當于采集一段然后進行分析的這段時間,儀表是不采集的,叫死區時間。時間越長就相當于采集不到的數據越多。要想把采集時間做得越短越好,示波器的速度、中頻就會要求處理的算力比較高,所以這塊也是也是需要突破的點。這就需要CPU、GPU、FGPA、DSP等處理器的支持。頻域的儀表,還有比如晶振、混勻器或者混平的電路。因為 示波器像廣播,是要混頻某頻段來進行分析,對于分析帶寬也是有要求。而帶寬受制于中頻,也就是受制于FPGA,所以整個FPGA的研發性能,包括 DSP的參數、性能等,包括他們的算法。這塊國內起步還是比較晚的。

    三是軟件。示波器本身對于行業的應用相對較多,所以推出軟件的 license 比如去測高階的USB,串行或者并行的數字處理信號等需要軟件來輔助客戶進行測量。這一塊也需要示波器 廠商進行軟件方面的研發。

    目前國內廠商在軟件方面也有一些布局,基礎的license 做的還可以了,比如 USB 等串行總線分析。但是比起國外的廠商,軟件的覆蓋率相對來可能是比較低的,比如和是德科技相比,是德科技的一款示波器的軟件有三、四十種,鼎陽和普源就10來種,還是差的比較多。做軟件的是根據市場需求來做的,所以如果一旦示波器應用的范圍更廣,軟件的種類相對會更加豐富。

    當然,客戶也可以不要原廠的軟件自己去寫,但需要了解編程,還需要示波器廠家開放示波器里面的內核供客戶使用。但如果客戶沒有自己編寫軟件的能力,就需要依靠原廠提出的軟件,包括軟件的平臺來使用。

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