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国产示波器进口替代加速,突破高端的主要壁垒有哪些

国产示波器进口替代加速,突破高端的主要壁垒有哪些

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  • 发布时间:2022-11-29 08:31
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国产示波器进口替代加速,突破高端的主要壁垒有哪些

 

近年来,得益于我国制造业升级,智能实验室、新能源汽车、消费电子等行业发展迅速,进而带动示波器市场快速增长。发展到2020年,我国示波器行业规模已达到35亿元,行业产量突破100万台,预计2022-2026年,我国示波器市场将保持增长态势,年均复合增长率在8.4%以上。

根据信号不同,示波器可分为模拟示波器和数字示波器,相比于模拟示波器,数字示波器具有更高的测量效率、测量精度,近年来,随着电子技术发展,数字示波器替代模拟示波器成为趋势。在5G智能时代下,示波器市场需求正不断升级,人机交互、高宽带、高采样精度、多通道成为示波器重要开发方向。

一、数字示波器产业概述

示波器属于通用的仪器,具备较好的场景泛化能力。目前大多科技产品均会涉及电子电路,其中电子元件设计、验证和调试过程中,均需要使用示波器以分析众多电信号。本质上示波器是一种诊断仪器,能够绘制电信号图,帮助工程师或研发人员了解信号电压值随时间变化产生的波动,从而判断是否存在故障组件使信号失真

示波器一般分为数字示波器与模拟示波器。通常而言,数字示波器与模拟示波器均可用于电子信号测试,但两者各有侧重。模拟示波器用于测试要求实时显示并且变化很快的信号;数字示波器则用来显示周期性相对较强的信号,同时数字示波器内置CPU或DSP处理器可以处理分析信号,能够较好分析数据。

数字示波器具备信号采集、显示、测量与分析、存储4大功能。其中采集部分主要是由三颗芯片和一个电路组成。即放大器芯片(AMP),A/D芯片,存储器芯片和触发器电路。输入的电压信号经耦合电路后送至前端放大器,前端放大器将信号放大,以提高示波器的灵敏度和动态范围。放大器输出的信号由取样/保持电路进行取样,并由A/D转换器数字化,经过A/D转换后,信号变成了数字形式存入存储器中,微处理器对存储器中的数字化信号波形进行相应的处理,并显示在显示屏上。

数字示波器整体产业链相对复杂,上游主要IC芯片(AMP芯片、存储芯片等)、PCB和电容等原材料供应商组成,中游主要数字示波器的生产与制造,目前国内市场仍被国外先进企业占据主要市场,国内企业有普源精电和鼎阳科技等,下游主要应用为电子科技行业。

作为数字示波器上游原材料最核心材料的芯片产业,目前国内进口依赖十分严重,以AMP芯片为例,全球AMP芯片市场基本被意法半导体(ST)和东芝(Toshiba)垄断,国内主要依赖进口,就目前国内集成电路进出口状况而言,我国集成电路出口量约是进口量的一半的左右,随着集成电路整体需求持续增长,进出口皆处于增长趋势,总体比值变化幅度较小,反而整体净进口量处于稳步增长态势。整体来看,上游芯片的垄断在一定程度影响了数字示波器技术的发展。

数字示波器下游主要应用于电子科技行业发展,随着我国电子信息国产化持续推进,数字示波器作为电子测量关键仪表仪器将受益快速扩张。数据显示,2018-2021年以来,我国规上电子信息制造业快速增长,从10.6亿元增长至14.13亿元,已超过2017年以来的今年最高值。

二、数字示波器的核心指标

对数字示波器来说,其核心性能指标包括了带宽、采样速率和存储深度。带宽是指输入一个幅度相同,频率变化的信号,当示波器读数比真值衰减 3dB时,此时的频率即为示波器的带宽。带宽决定了示波器所能检测到的信号频率范围,最高带宽越高,能够检测的最高信号频率越高。而实时采样率与带宽密切相关,其决定了示波器 ADC 在单位时间间隔内可采集的样本点数,直接影响信号波形的还原程度,实时采样率越高,采样速度越快,失真越小。最高带宽和实时采样率越高,其技术难度越高,应用领域越丰富,产品价格也越昂贵。存储深度是指数字示波器所能存储的采样点多少的量度。

在行业内,数字示波器按照带宽会将产品分为低端、中端和高端三种类别。根据国际标准,最高带宽小于1GHz的数字示波器产品为低端数字示波器产品,在市场上的占比约为40%,主要用于对测试功能、测量精度等指标要求不是很高的应用场景,比如教育教学、研发、测量低频电路、电子兼容性、电源和电网等场合。主要玩家有泰克、普源精电、鼎阳等厂商。

带宽在1GHz~10GHz之间的产品称为中端产品,此类产品主要用来查看信号完整性分析、眼图和抖动分析、高速数据采集分析等,应用场景包括高阶教育教学、研发、部分生产测试比如MIPI、USB Type-C等中等速度数据总线分析。市场占比约为40%。主要玩家有是德科技、泰克、R&S、力科、NI、恒河、安立等厂商。

带宽超过10GHz的数字示波器称为高端数字示波器,主要应用在高性能电路研发和前沿研究,比如高速串行总线收发器研发、光通信网络物理层测试、超宽带信号分析、太赫兹系统、高端芯片研发测试等。市场占比约为20%。主要厂商有是德科技、泰克和力科等。

三、国内数字示波器主要集中在中低端,壁垒有三个

从市场格局来看,海外厂商占了多数高端市场份额,国产厂商产品主要集中在低带宽市场。比如是德科技、力科和泰克的示波器的最高采样率分别达到110GHz、100GHz 和33GHz,而国内厂商产品主要集中在4GHz 以下的低带宽市场。目前,国内做到最高的频段是普源精电的DS70000 系列,最高带宽为5GHz,国内外头部厂商的示波器在带宽领域的存在较大差距。从采样率指标来看,海外厂商仍然具有明显优势。

与带宽密切相关的其实是ADC芯片,它是负责前端的模拟量信号采样,并转换成数字信号,仅需数字中频,然后进行分析。国产仪器要想在高端示波器领域有所突破,必须要突破三大壁垒:

首先是ADC等关键芯片。一般来说电子测量仪器行业上游供应商主要有各种原材料供应商,包括了IC芯片、二极管、三极管、 RCL元件、 PCB板及漆包线等。而IC芯片是其核心材料,占了其成本的近4成。据鼎阳科技与普源精电的招股说明书披露,其原材料采购中,IC芯片占比最大,接近 40%;其次是电子元器件(二极管、三极管、 RLC等)占比约为 PCB占比约为 10%,显示屏约为 7%,结构件约为 17%,其他材料约 6%。

而ADC芯片是影响带宽的关键,其性能将会影响整个示波器的可测量的频带范围。目前国内的ADC、DAC产品主要采购ADI、TI的产品。但其实,2 GHz带宽以上的示波器产品的ADC,厂商很多都会自己做,比如全球做示波器的厂家中,现在有五家是可以自研,是德科技、泰克、力科,R&S和普源精电都是自研的。其他的厂商基本上都是外采,而外采ADC的品牌很少有高端的产品,因此,如果想要往高端走,自研ADC的需求还是比较高的。

二是数字中频的运算能力,就是算力,包括实时性。所谓实时性就是因为随着采样率越高,采样的速度越大,所以单位时间内获得的数据量就越大。为了使示波器本身死区时间不至于过长,死区时间就相当于采集一段然后进行分析的这段时间,仪表是不采集的,叫死区时间。时间越长就相当于采集不到的数据越多。要想把采集时间做得越短越好,示波器的速度、中频就会要求处理的算力比较高,所以这块也是也是需要突破的点。这就需要CPU、GPU、FGPA、DSP等处理器的支持。频域的仪表,还有比如晶振、混匀器或者混平的电路。因为 示波器像广播,是要混频某频段来进行分析,对于分析带宽也是有要求。而带宽受制于中频,也就是受制于FPGA,所以整个FPGA的研发性能,包括 DSP的参数、性能等,包括他们的算法。这块国内起步还是比较晚的。

三是软件。示波器本身对于行业的应用相对较多,所以推出软件的 license 比如去测高阶的USB,串行或者并行的数字处理信号等需要软件来辅助客户进行测量。这一块也需要示波器 厂商进行软件方面的研发。

目前国内厂商在软件方面也有一些布局,基础的license 做的还可以了,比如 USB 等串行总线分析。但是比起国外的厂商,软件的覆盖率相对来可能是比较低的,比如和是德科技相比,是德科技的一款示波器的软件有三、四十种,鼎阳和普源就10来种,还是差的比较多。做软件的是根据市场需求来做的,所以如果一旦示波器应用的范围更广,软件的种类相对会更加丰富。

当然,客户也可以不要原厂的软件自己去写,但需要了解编程,还需要示波器厂家开放示波器里面的内核供客户使用。但如果客户没有自己编写软件的能力,就需要依靠原厂提出的软件,包括软件的平台来使用。

来源:集贤网 

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