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邏輯分析儀的選擇和使用 |
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一、邏輯分析儀的發(fā)展
自20世紀(jì)70 年代初研制成微處理器，出現(xiàn)4位和8位總線，傳統(tǒng)示波器的雙通道輸入無(wú)法滿足8位字節(jié)的觀察。微處理器和存儲(chǔ)器的測(cè)試需要不同于時(shí)域和頻域儀器。數(shù)域測(cè)試儀器應(yīng)運(yùn)而生。HP公司推出狀態(tài)分析儀和Biomation公司推出定時(shí)分析儀（兩者最初很不相同）之后不久，用戶開(kāi)始接受這種數(shù)域測(cè)試儀器作為最終解決數(shù)字電路測(cè)試的手段，不久狀態(tài)分析儀與定時(shí)分析儀合并成邏輯分析儀。
20世紀(jì)80 年代后期，邏輯分析儀變得更加復(fù)雜，當(dāng)然使用起來(lái)也就更加困難。例如，引入多電平樹(shù)形觸發(fā)，以應(yīng)付條件語(yǔ)句如IF、THEN、ELSE等復(fù)雜事件。這類組合觸發(fā)必然更加靈活，同時(shí)對(duì)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)就不是那樣容易掌握了。
邏輯分析儀的探頭日益顯得重要。需用夾子夾住穿孔式元件上的16根引腳和雙列直插式元件上的只有0.1″間隙的引腳時(shí)，就出現(xiàn)探頭問(wèn)題。今天的邏輯分析儀提供幾百個(gè)工作在200MHz頻率上的通道信號(hào)連接就是個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。適配器、夾子和輔助爪鉤等多種多樣，但是最好的辦法的是設(shè)計(jì)一種廉價(jià)的測(cè)試夾具，邏輯分析儀直接連接到夾具上，形成可靠和緊湊的接觸。
今天的發(fā)展趨勢(shì)
邏輯分析儀的基本取向近年來(lái)在計(jì)算機(jī)與儀器的不斷融合中找到了解決的辦法。Tektronix公司TLA600系列邏輯分析儀著重解決導(dǎo)向和發(fā)展能力，亦即儀器如何動(dòng)作和如何構(gòu)建有特色的結(jié)構(gòu)。導(dǎo)向采用微軟的Windows接口，它非常容易驅(qū)動(dòng)。改進(jìn)信號(hào)發(fā)現(xiàn)能力必然涉及到儀器結(jié)構(gòu)的變動(dòng)。在所有要處理的數(shù)據(jù)中著重處理與時(shí)間有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，不同類型的信息采用多窗口顯示。例如，對(duì)于微處理器來(lái)說(shuō)，最好能同時(shí)觀察定時(shí)和狀態(tài)以及反匯編源碼，而且各窗口上的光標(biāo)彼此跟蹤相連。
關(guān)于觸發(fā)，總是傳統(tǒng)邏輯分析儀中的難題。TLA600系列邏輯分析儀為用戶提供觸發(fā)庫(kù)，使復(fù)雜觸發(fā)事件的設(shè)置簡(jiǎn)單化，保證你精力集中解決測(cè)試問(wèn)題上，而不必花時(shí)間去調(diào)整邏輯分析儀的觸發(fā)設(shè)置。該庫(kù)中包含有許多易于掌握的觸發(fā)設(shè)置，可以作為通常需要修改的觸發(fā)起始點(diǎn)。需要特殊的觸發(fā)能力只是問(wèn)題的一部分。除了由錯(cuò)誤事件直接觸發(fā)外，用戶還希望從過(guò)去的時(shí)段去觀察信號(hào)，找出造成錯(cuò)誤的根源和它前后的關(guān)系。精細(xì)的觸發(fā)和深存儲(chǔ)器可提高超前觸發(fā)能力。
在PC機(jī)平臺(tái)上使用Windows，除了為廣大用戶提供了許多熟知的好處之外，只要給定正確的軟件和相關(guān)工具，即可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從目標(biāo)文件格式中提取源碼和符號(hào)，支持微軟公司的CMO/DCOM標(biāo)準(zhǔn)，而且處理器可運(yùn)行各種控制操作。
二、邏輯分析儀的選擇
如果數(shù)字電路出現(xiàn)故障，我們一般優(yōu)先就考慮使用邏輯分析儀來(lái)檢查數(shù)字電路的完整性，不難發(fā)現(xiàn)存在的故障；但是在其他情況下你是否考慮到使用邏輯分析儀呢？譬如說(shuō)：第一點(diǎn)如何觀察測(cè)試系統(tǒng)在執(zhí)行我們事先編制好的程序時(shí)，是不是真正地在按照我們?cè)O(shè)計(jì)好的程序來(lái)執(zhí)行呢？如果我們向系統(tǒng)寫入的是（MOV A,B）而系統(tǒng)則是執(zhí)行的（ADD A,B），那會(huì)造成什么樣的后果？第二點(diǎn)：怎么樣真正地監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)，而不是用DEBUG等方式進(jìn)行設(shè)置斷點(diǎn)后，查看預(yù)先設(shè)定的某些變量或內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是我們預(yù)先想得到的值。在這里我們有第三、第四等等很多問(wèn)題有待解決。
通常我們將數(shù)字系統(tǒng)分成硬件部分和軟件部分，在研發(fā)設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)時(shí)，我們有很多事情要做，譬如硬件電路的初步設(shè)計(jì)、軟件的方案制定和初步編制、硬件電路的調(diào)試、 軟件的調(diào)試、以及最終的系統(tǒng)的定型等等工作，在這些工作中幾乎每一步工作都要邏輯分析儀的幫助，但是鑒于每個(gè)單位的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和人員狀況不同，并且在很多系統(tǒng)的使用中都不是要把以上的每個(gè)部分都進(jìn)行一 遍，這樣我們就把邏輯分析儀的使用分成以下幾個(gè)層次：
第一個(gè)層次：只要查看硬件系統(tǒng)的一些常見(jiàn)的故障，例如時(shí)鐘信號(hào)和其他信號(hào)的波形、信號(hào)中是否存在嚴(yán)重影響系統(tǒng)的毛刺信號(hào)等故障；
第二個(gè)層次：要對(duì)硬件系統(tǒng)的各個(gè)信號(hào)的時(shí)序進(jìn)行很好的分析，以便最好地利用系統(tǒng)資源，消除由定時(shí)分析能夠分析出的一些故障；
第三個(gè)層次：要對(duì)硬件對(duì)軟件的執(zhí)行情況的分析，以確保寫入的程序被硬件系統(tǒng)完整地執(zhí)行；
第四個(gè)層次：需要實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)軟件的執(zhí)行情況，對(duì)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)地調(diào)試。
第五個(gè)層次：需要進(jìn)行現(xiàn)有客戶系統(tǒng)的軟件和硬件系統(tǒng)性的解剖分析，達(dá)到我們對(duì)現(xiàn)有客戶系統(tǒng)的軟件和硬件系統(tǒng)全面透徹地了解和掌握的功能。
對(duì)以上的幾個(gè)層次的要求，我們可以看出，他們并不都需要很高檔的邏輯分析儀，對(duì)于第一層次的使用者，他們甚至用一臺(tái)功能比較好的示波器就可以解決問(wèn)題，針對(duì)以上的幾個(gè)使用層次，在選擇儀器時(shí)可以選用相應(yīng)的儀器。實(shí)際上邏輯分析儀也有幾個(gè)層次，他們有：
1、 普通2～4通道的數(shù)字存儲(chǔ)器，例如TDS3000系列（加上TDS3TRG高級(jí)觸發(fā)模塊），利用它的一些高級(jí)觸發(fā)功能（例如脈沖寬度觸發(fā)、欠幅脈沖觸發(fā)、各個(gè)通道之間的一定的與、或、與或、異或關(guān)系的觸發(fā)）就可以找到我們希望看到的信號(hào)，發(fā)現(xiàn)并排除一些故障，況且示波器的功能還可以作為其他使用，在這里我們只不過(guò)用了一臺(tái)示波器的附加功能，可以說(shuō)這種方式是最節(jié)省的方式。
2、當(dāng)示波器的通道數(shù)不夠時(shí)，也可以選用一些帶有簡(jiǎn)單的定時(shí)分析功能的多通道定時(shí)分析儀器，如早期的邏輯分析儀和現(xiàn)在市面上還有的混合信號(hào)示波器，如Agilent的546××D示波器。
3、一些功能比較簡(jiǎn)單，速度不是特別快的的計(jì)算機(jī)插卡 式，基于Windows、絕大部分功能都由軟件來(lái)完成的虛擬儀器，這類產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的很多廠家都有生產(chǎn)。
4、采樣速率、觸發(fā)功能、分析功能都很強(qiáng)大的不可擴(kuò)展的固定式整機(jī)。例TLA600系列。
5、功能更強(qiáng)擴(kuò)展性更好的模塊化插卡式整機(jī)；對(duì)不同的用戶，可以針對(duì)需要，選擇不同檔次的儀器。
邏輯分析儀的一些技術(shù)指標(biāo)：
1、邏輯分析儀的通道數(shù) ：在需要邏輯分析儀的地方，要對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面地分析，就應(yīng)當(dāng)把所有應(yīng)當(dāng)觀測(cè)的信號(hào)全部引入邏輯分析儀當(dāng)中，這樣邏輯分析儀的通道數(shù)至少應(yīng)當(dāng)是：被測(cè)系統(tǒng)的字長(zhǎng)（數(shù)字總線數(shù)）＋被測(cè)系統(tǒng)的控制總線數(shù)＋時(shí)鐘線數(shù)。這樣對(duì)于一個(gè)16位機(jī)系統(tǒng)，就至少需要68個(gè)通道。現(xiàn)在幾個(gè)廠家的主流產(chǎn)品的通道數(shù)多達(dá)340通道以上。例Tektronix等。
2、定時(shí)采樣速率 ：在定時(shí)采樣分析時(shí)，要有足夠的 定時(shí)分辨率，就應(yīng)當(dāng)足夠高的定時(shí)分析采樣速率，我們應(yīng)當(dāng)知道，并不是只有高速系統(tǒng)才需要高的采樣速率（見(jiàn)下表）現(xiàn)在的主流產(chǎn)品的采樣速率高達(dá)2Gs/S，在這個(gè)速率下，我們可以看到0.5ps時(shí)間上的細(xì)節(jié)。
以下是一些很常見(jiàn)的芯片的工作頻率和建立/保持時(shí)間的列表，我們可以看出，即使它們的工作頻率很低，但在時(shí)間分析（Timing)中要求的分辨率也很高。
Clock
Rate
Setup
Hold
Altera Max 7000 PLD
Lattice GAL22V10-7 PAL
TI TMS320C549-40 DSP
Motorola MCM69D536 SRAM
Motorola MPC 860 Comm Controller
200 MHz
133 MHz
80 MHz
66 MHz
50 MHz
2.5ns
4.5ns
5ns
3ns
4ns
0.5ns
0ns
0ns
1ns
2ns
表一：典型的數(shù)字設(shè)備
3、狀態(tài)分析速率：在狀態(tài)分析時(shí)，邏輯分析儀采樣基準(zhǔn)時(shí)鐘就用被測(cè)試對(duì)象的工作時(shí)鐘（邏輯分析儀的外部時(shí)鐘）這個(gè)時(shí)鐘的最高速率就是邏輯分析儀的高狀態(tài)分析速率。也就是說(shuō)，該邏輯分析儀可以分析的系統(tǒng)最快的工作頻率�，F(xiàn)在的主流產(chǎn)品的定時(shí)分析速率在100MHz，最高可高達(dá)300MHz甚至更高。
4、邏輯分析儀的每通道的內(nèi)存長(zhǎng)度：邏輯分析儀的內(nèi)存是用于存儲(chǔ)它所采樣的數(shù)據(jù)，以用于對(duì)比、分析、轉(zhuǎn)換(譬如將其所捕捉到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成非二進(jìn)制信號(hào)【匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言 、C++ 等】，等在選擇內(nèi)存長(zhǎng)度時(shí)的基準(zhǔn)是“大于我們即將觀測(cè)的系統(tǒng)可以進(jìn)行最大分割后的最大塊的長(zhǎng)度。
5、邏輯分析儀的探頭：邏輯分析儀通過(guò)探頭與被測(cè)器件連接，探頭起著信號(hào)接口的作用，在保持信號(hào)完整性中占有重要位置。邏輯分析儀與數(shù)字示波器不同，雖然相對(duì)上下限值的幅度變化并不重要，但幅度失真一定會(huì)轉(zhuǎn)換成定時(shí)誤差。邏輯分析儀具有幾十至幾百通道的 探頭其頻率響應(yīng)從幾十至幾百M(fèi)Hz,保證各路探頭的相對(duì)延時(shí)最小和保持幅度的失真較低。這是表征邏輯分析儀探頭性能的關(guān)鍵參數(shù)。Agilent公司的無(wú)源探頭和Tektronix公司的有源探頭最具代表性，屬于邏輯分析儀的高檔探頭。
邏輯分析儀的強(qiáng)項(xiàng)在于能洞察許多信道中信號(hào)的定時(shí)關(guān)系。可惜的是，如果各個(gè)通道之間略有差別便會(huì)產(chǎn)生通道的定時(shí)偏差，在某些型號(hào)的 邏輯分析儀里，這種偏差能減小到最小，但是仍有殘留值存在。通用邏輯分析儀，如Tektronix公司的TLA600型或Agilent公司的HP16600型，在所有通道中的時(shí)間偏差約為1ns。因而探頭非常重要，詳見(jiàn)本站“測(cè)試附件及連接探頭”。
a）探頭的阻性負(fù)載，也就是探頭的接入系統(tǒng)中以后對(duì)系統(tǒng)電流的分流作用的大小，在數(shù)字系統(tǒng)中，系統(tǒng)的電流負(fù)載能力一般在幾個(gè)KΩ以上，分流效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響一般可以忽略，現(xiàn)在流行的幾種長(zhǎng)邏輯分析儀探頭的阻抗一般在20～200KΩ之間。
b）探頭的容性負(fù)載：容性負(fù)載就是探頭接入系統(tǒng)時(shí)，探頭的等效電容，這個(gè)值一般在1～30PF之間，在現(xiàn)在的高速系統(tǒng)中，容性負(fù)載對(duì)電路的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于阻性負(fù)載，如果這個(gè)值太大，將會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)中的信號(hào)“沿”的形狀改變整個(gè)電路的性質(zhì)，改變邏輯分析儀對(duì)系統(tǒng)觀測(cè)的實(shí)時(shí)性，導(dǎo)致我們看到的并不是系統(tǒng)原有的特性。
c）探頭的易用性：是指探頭接入系統(tǒng)時(shí)的難易程度，隨著芯片封裝的密度越來(lái)越高，出現(xiàn)了BGA、QFP、TQFP、PLCC、SOP等各種各樣的封裝形式，IC的腳間距最小的已達(dá)到0.3mm以下，要很好的將信號(hào)引出，特別是BGA封裝，確實(shí)有困難，并且分立器件的尺寸也越來(lái)越小，典型的已達(dá)到0.5mm×0.8mm。d) 與現(xiàn)有電路板上的調(diào)試部分的兼容性。
6、系統(tǒng)的開(kāi)放性：隨著數(shù)據(jù)共享的呼聲越來(lái)越高，我們所使用的系統(tǒng)的開(kāi)放性就越來(lái)越重要，現(xiàn)在的邏輯分析儀的操作系統(tǒng)也由過(guò)去的專用系統(tǒng)發(fā)展到使用Windows介面，這樣我們?cè)谑褂脮r(shí)很方便。
小結(jié)
如果在你的工作中有數(shù)字邏輯信號(hào)，你就有機(jī)會(huì)使用邏輯分析儀。因此應(yīng)選好一種邏輯分析儀，既符合所用的功能，又不太超越所需的功能。用戶多半會(huì)找一種容易操作的儀器，它在功能控制上操作步驟較少，菜單種類也不多，而且不太復(fù)雜。
從另一方面說(shuō)，如果需要用最快速度的和最大型的分析能力很強(qiáng)的邏輯分析儀，已有現(xiàn)成的解決方案。這種新穎儀器幾乎不會(huì)出現(xiàn)通道對(duì)通道的延時(shí)以及探頭的負(fù)載影響。如果你稍有疏漏，則可能要花費(fèi)幾萬(wàn)美元的學(xué)費(fèi)才能取得經(jīng)驗(yàn)。
確實(shí)能捕獲到信號(hào)才是第一重要的事。當(dāng)你知道正在捕獲的 數(shù)據(jù)是有用的數(shù)據(jù)時(shí)就靠邏輯分析儀能力的發(fā)揮了。
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