得心应手的逻辑分析仪(应用指南)

得心应手的逻辑分析仪应用指南13372引言...........................................................2示波器，还是逻辑分析仪?.........................................3什么是逻辑分析仪................................................5定时分析仪基础...............................................5状态分析仪基础..............................................12有效使用数字工具...............................................17如何接到您的目标系统...........................................20总结..........................................................23为您的工作任务选择使用了正确的工具，您就能更高效和更节省时间地应对数字调试挑战。在您选择正确的工具之前，了解您所拥有的工具和这些工具能做哪些事情是极为重要的。这篇应用指南为您简要讲述逻辑分析仪的基础知识。虽然没有详细介绍所能做的每一种测量，但能使您很好了解逻辑分析仪能完成的任务。所回答的问题包括“为什么我要使用逻辑分析仪?”和“逻辑分析仪将能为我做什么?”目录引言3在选择是使用示波器，还是使用逻辑分析仪时，多数工程师会选择示波器。为什么?因为大多数用户更熟悉示波器。但示波器的测量能力不能适应有些应用的需要，而逻辑分析仪却可能提供更有用的信息。由于示波器和逻辑分析仪在测量能力上有所重叠，因此在某些情况下两种仪器都可以使用。如何确定哪种仪器更适合您的应用呢?让我们回顾一些基本的指导方针。示波器，还是逻辑分析仪?什么时候应使用示波器当您需要看到信号上小的电压变化当您需要很高的时间间隔精度一般来说，在需要高垂直或电压分辨率时应使用示波器。即如果您需要看到如图1所示的每一微小电压变化，就应使用示波器。许多示波器，包括新一代数字示波器，还能够提供非常高的时间间隔分辨率。也就是能以很高的精度测量两个事件间的时间间隔。总之，当您需要参数信息时，就应使用示波器。图1.示波器波形4什么时候应使用逻辑分析仪当您需要同时看到许多信号当您需要以与硬件相同的工作方式观察系统中的信号当您需要在若干信号线的高或低电平上进行码型触发，并观察结果逻辑分析仪源出于示波器。它们用和示波器相同的方式展现数据，水平轴代表时间，垂直轴代表电压幅度。但与示波器提供很高的电压分辨率及时间间隔精度不同，逻辑分析仪能同时捕获和显示数百个信号，这是示波器达不到的。当系统中的信号穿越阈值电平时，逻辑分析仪的反应与您的逻辑电路相同。它能识别信号是低电平还是高电平。它也能在这些信号的高和低电平的码型上触发。一般来说，当您需要观察多于示波器通道数的信号线，并且不需要精密的时间间隔信息时，就应使用逻辑分析仪。如果您需要得到像上升和下降时间这类参数信息时，逻辑分析仪并非好的选择(见图2)。而在观察总线—例如微处理器地址、数据或控制总线上的时间关系或数据时，逻辑分析仪是特别有用的。逻辑分析仪还能解码微处理器总线信息，并以有意义的形式呈现。总之，当您完成了参数设计阶段，开始关注许多信号间的定时关系和需要在逻辑高和低电平码型上触发时，逻辑分析仪就是正确的工具。图2.示波器和定时波形5前面已谈到何时应使用逻辑分析仪，现在让我们对逻辑分析仪作更详细的介绍。到目前为止，“逻辑分析仪”这一术语的使用并不十分严格。实际上大多数逻辑分析仪是定时分析仪和状态分析仪的综合体。我们下面将讲述这两种分析仪各自的特殊功能。定时分析仪基础时分析仪是逻辑分析仪中类似示波器的部分。我们可以将它们看成是亲密的堂兄堂弟。定时分析仪用与示波器相同的通用形式显示信息，水平轴代表时间，垂直轴代表电压幅度。由于这两种仪器上的波形与时间相关，因此称为“时域”中的显示。选择正确的采样方法定时分析仪通过采样输入波形确定信号是高还是低。定时分析仪只关心用户定义的电压阈值。如果采样时信号高于该阈值，就以高或1显示;低于阈值的用0或低显示。从这些采样点得到一张由1和0组成，代表输入波形1bit图的列表。分析仪只确定波形是高还是低—而不认可中间电平。这张表格保存在存储器中，并可用它重建输入波形的1bit图，如图3所示。什么是逻辑分析仪?采样结果(0代表低于阈值)采样结果(1代表高于阈值)从采样结果重建的定时分析仪显示图3.定时分析仪采样点阈值采样点6现在我们观察图4上的显示，这里数字示波器和定时分析仪显示实际相同的信号(正弦波)。定时分析仪趋向于把各种信号拉成方波，这似乎会影响到它的可用性，但我们应记住定时分析仪并非是用作参数测量的仪器。如果您要检验信号的上升时间，就不应使用分析仪，而应使用示波器。但如果您需要通过同时观察几条甚至几百条信号线验证信号间的定时关系，那么定时分析仪就是正确选择。例如，假定我们必须每2ms刷新一次系统中的动态RAM。为保证存储器内的所有内容均在这2ms内刷新，我们用计数器对RAM的所有行顺序计数并进行刷新。如果要确认在再次开始前计数器已完成对所有行的计数，就可把定时分析仪设置为在计数器开始和显示所有计数时触发。这里并不关心参数—我们仅仅要检查计数器从1到N的计数，然后再次开始。图4.示波器和定时分析仪显示相同的信号7分析仪把跳变放在下一采样点上当定时分析仪对输入线进行采样时，得到的是状态高或低。如果信号线在某次采样时为一种状态(高或低)，在下一次采样时为相反的状态，分析仪就“知道”输入信号在两次采样间的某个时刻产生跳变。它并不知道跳变究竟发生在何时，因此把跳变点放在下一次采样上，如图5所示。这就造成分析仪对跳变实际产生时刻和显示时刻的不确定性。这种不确定性的最坏情况是一个采样周期，即在上一采样点后跳变立即产生的情况。在采用这项技术时，需要对分辨率和总采集时间作适当权衡。应记住每个采样点都要使用一个存储器位置。分辨率越高(采样率越快)，采集窗就越短。图5.定时分析仪采样输入线跳变产生在采样点之间输入信号采样点最大不确定度分析仪显示8只需要28个存储器位置(14个采样点+14个时间间隔)跳变采样当我们捕获如图6所示带有数据突发的输入线上的数据时，我们必须把采样率调到高分辨率(例如4ns)，以捕获开始处的快脉冲。这意味着具有4K(4096样本)存储器的定时分析仪在16.4µs后将停止采集数据，使您不能捕获到第二个数据突发。应注意在通常的调试工作中，我们采样和捕获了长时间没有活动的数据。它们使用了逻辑分析仪存储器，却不能提供更多的信息。如果我们知道跳变何时产生，是正跳变还是负跳变，就能够解决这一问题。只存储跳变发生时刻的基本信息，可以更有效地使用存储器。为实现跳变定时，我们可在定时分析仪和计数器的输入处使用“跳变探测器”。现在定时分析仪只保存跳变前的那些样本，以及至上一跳变的流逝时间。采用这种方法，每一跳变就只需使用两个存储器位置，输入无活动时就完全无需存储器。Agilent16800/900系列逻辑分析仪就使用了这项跳变定时技术。在我们的例子中，根据每一突发中存在多少脉冲数，现在能捕获到第二、第三、第四和第五个突发。并同时保持达到4ns的高定时分辨率(图7)。这里我们谈到了“有效存储器深度”，它等于捕获的总时间数据除以采样周期(4ns)。注意:这是对跳变定时技术的原理性说明。采样点(全部保存在存储器中)36ns50µs36ns存储器满4096×4ns=16.4µs图7.使用跳变探测器的采样36ns50µs36ns采样点(只将采样点保存在存储器中)123456789101112131412345678910图6.高分辨率的采样9分析仪显示毛刺捕获数字系统中一个令人头痛的问题是“毛刺”。毛刺因为会在最不恰当的时间造成灾难性的后果而声名狼藉。如何捕获36小时才产生一次，并会导致系统崩溃的毛刺呢?定时分析仪在此可大显身手。Agilent逻辑分析仪具有毛刺捕获和触发能力，能容易地跟踪难以捕捉毛刺问题。毛刺可由电路板走线间的电容性耦合、电源纹波、某些器件要求的高瞬时电流，或其它事件造成。定时分析仪可采样输入数据，保持对采样间所产生任何跳变的跟踪，从而容易地识别毛刺。在分析仪中，把毛刺定义为相邻两次采样间穿越逻辑阈值一次以上的任何跳变(图8)。正如我们在前面所讨论的，分析仪保持对采样间所有跳变的跟踪。为了识别毛刺，我们要“教”分析仪保持对所有多个跳变的跟踪，并将它们作为毛刺显示。显示毛刺是一种很有用的功能，它也有助于提供毛刺触发和显示产生于毛刺前数据的能力，从而帮助我们确定毛刺产生的原因。这种能力也能使分析仪只捕获毛刺产生时我们所要的数据。回顾本节开始时提到的例子。我们有一个系统因毛刺出现在一条信号线上周期性的崩溃。由于周期很长，即使能保存所有数据(假定我们有足够的存储能力)，也必须对如此不可思议的巨大信息量分类。另一种方法是使用没有毛刺触发能力的分析仪，按仪器前面板的run按钮，直到您看到毛刺。可惜这两种方法都不实际。如果我们能告诉分析仪在毛刺上触发，它就能在找到毛刺后停止，捕获毛刺出现前的所有数据。我们先让分析仪工作，在系统崩溃时就得到导致错误的数据记录。图8.毛刺毛刺分析仪输入采样点在下一样本上显示的毛刺10触发定时分析仪用户非常熟悉的另一个示波器术语是“触发”。它也在逻辑分析仪中使用，但常称为“跟踪点”。与示波器的迹线总是在触发后开始不同，逻辑分析仪连续捕获数据，并在找到跟踪点后停止采集。这样，逻辑分析仪就能显示出被称为负时间的跟踪点前的信息，以及跟踪点后的信息。码型触发设置定时分析仪的跟踪特性与设置示波器的触发电平和斜率稍有一点区别。许多分析仪是在跨多条输入线的高和低码型上触发。注意图9中的菜单。我们已告诉分析仪当“INT4”的通道0,2,4,6为高(逻辑1)，1,3,5,7通道为低(逻辑0)时开始捕获数据。图10显示得到的结果，中间的垂直线示出了跟踪点。在跟踪点，通道0,2,4,6均为高，而通道1,3,5,7均为低。为使某些用户更感方便，绝大多数分析仪的触发点不仅可用二进制(1和0)，而且可用十六进制，八进制，ASCII或十进制设置。例如在前面的例子若采用十六进制设置，触发特性即可用55代替01010101。在查看4,8,16,24,32bit宽的总线时，使用十六进制的触发点会更加方便。想想如果用二进制设置24bit总线会多麻烦啊!图9.INT4设置在高低码型上触发11边沿触发边沿触发对习惯使用示波器的用户是一种很熟悉的概念。在调节示波器的“触发电平”旋钮时，您知道是在设置电压比较器的电平，它告诉示波器在输入电压穿越该电平时触发。定时分析仪的边沿触发与其基本相似，只是触发电平已预设置到逻辑阈值。为什么在定时分析仪中也包含边沿触发?许多逻辑器件都与电平相关，这些器件的时钟和控制信号都对边沿敏感。边沿触发使您能与器件时钟同步地捕获数据。例如，考虑一个不能正确移位数据的边沿触发移位寄存器。这是数据问题还是时钟沿问题呢?为了检查这一器件，我们需要验证时钟边沿记录的数据(图11)。您能告诉分析仪在时钟边沿(上升或下降)捕获数据，并获取移位寄存器的所有输出。当然在这种情况下，我们必须延迟跟踪点，以顾及通过移位寄存器的传播延迟。图10.带有跟踪点的波形图11.边沿触发移位寄存器数据时钟DQOUT3OUT2OUT1OUT0DQDQDQ12时钟状态分析仪基础在本应用指南的