邏輯分析儀使用

1、泰克邏輯分析儀文章最大限度地利用邏輯分析儀Chris Loberg，泰克公司邏輯分析儀是一種多功能工具，可以幫助工程師進行數(shù)字硬件調(diào)試、設計檢驗和嵌入式軟件調(diào) 試。然而，許多工程師在應該使用邏輯分析儀時，卻使用了數(shù)字示波器，其主要原因是工程師比 邏輯分析儀更熟悉示波器。但邏輯分析儀在過去幾年中已經(jīng)取得了很大的進步，對許多應用，它 們將比其它儀器幫助您用更少的時間找到麻煩的漏洞的根本原因。當然，示波器和邏輯分析儀之間有很多類似的地方，但也有一些重要的差異。為了更好地了解兩 臺儀器可以怎樣滿足您的特定需求，我們有必要先比較一下它們的各種功能。數(shù)字示波器是一種通用的查看信號的基礎工具。其高采樣率和高

2、帶寬，可以在時間跨度內(nèi)捕獲許 多數(shù)據(jù)點，測量信號跳變 （邊沿 ）、瞬態(tài)事件和小時間增量。示波器當然也能查看與邏輯分析儀相 同的數(shù)字信號，但示波器一般用于模擬測量，如上升時間、下降時間、峰值幅度及邊沿間經(jīng)過的 時間。示波器一般有最多四條輸入通道。但在您需要同時測量五個數(shù)字信號時，或您的數(shù)字系統(tǒng)擁有一條 32位數(shù)據(jù)總線和一條 64 位地址總線時，該怎么辦呢？這時需要工具中有多得多的輸入。邏輯 分析儀一般有 34-136 條通道。每條通道輸入一個數(shù)字信號。某些復雜的系統(tǒng)設計要求數(shù)千條輸入 通道。市場上也為這些任務提供了近似規(guī)模的邏輯分析儀。與示波器不同，邏輯分析儀不測量模擬細節(jié)，而是檢測邏輯門限電平

3、。邏輯分析儀只查找兩個邏 輯電平。在輸入高于門限電壓 （V） 時，我們把這個電平稱為 “高”或“1。”相反，我們把低于 Vth 的 電平稱為 “低”或“0。”在邏輯分析儀對輸入采樣時，它存儲一個 “1”或一個“0，”具體視相對于電壓 門限的信號電平而定。邏輯分析儀的波形定時顯示與產(chǎn)品技術資料中找到的或仿真器生成的定時圖類似。所有信號都時 間相關，以便能夠查看建立時間和保持時間、脈寬、外來數(shù)據(jù)或丟失數(shù)據(jù)。除高通道數(shù)外，邏輯 分析儀提供了許多重要功能，支持數(shù)字設計檢驗和調(diào)試，包括：完善的觸發(fā)功能，您可以指定邏輯分析儀采集數(shù)據(jù)的條件高密度探頭和適配器，簡化與被測系統(tǒng)（SUT）的連接分析功能，把捕獲的

4、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成處理器指令，并關聯(lián)到源代碼使用邏輯分析儀與使用其它儀器類似。下面幾節(jié)將介紹四個主要步驟：連接，設置，采集，分析。連接被測系統(tǒng)邏輯分析儀采集探頭連接到SUT上。在探頭的內(nèi)部比較器上，比較輸入電壓與門限電壓（Vth），判定信號的邏輯狀態(tài)（1或0）。門限值由用戶設置，從TTL電平到CMOS、ECL和用戶自定義門 限。邏輯分析儀探頭分成多種物理形式：通用探頭，帶有飛線組”預計用于點到點調(diào)試。高密度多通道探頭，在電路板上要求專用連接器。探頭能夠采集高質(zhì)量信號，其對SUT的影響最小。高密度壓縮探頭，使用無連接器探頭。這種探頭推薦用于要求更高信號密度的應用，或要 求無連接器探頭連接機制、以快速可靠

5、地連接 SUT的應用。邏輯分析儀的探頭阻抗（電容、電阻和電感）成為被測電路整體負載的一部分。所有探頭都表現(xiàn)出 負載特點。邏輯分析儀探頭應給 SUT引入的負載達到最小，同時為邏輯分析儀提供準確的信號。探頭電容一般會“滾降”信號跳變邊沿，如圖1所示。這種滾降會使邊沿跳變降慢，降慢的量為圖1中“tD表示的時間量。為什么這一點非常重要？因為比較慢的邊沿越過電路邏輯門限會比較 遲，進而在SUT引入定時誤差。在時鐘速率提高時，這個問題會更加嚴重。圖1.邏輯分析儀的探頭阻抗會影響信號上升時間，測量定時關系。圖示內(nèi)容：Actual Risetime:實際上升時間Observed Risetime （with

6、large capacitive loading）:觀察到的上升時間（帶有大的電容負載）在高速系統(tǒng)中，探頭電容過高可能會阻礙SUT工作。選擇總電容最低的探頭總是至關重要。還要指出的是，探頭夾和線組會提高其連接的電路的電容負載。應盡可能使用正確補償?shù)倪m配器。設置邏輯分析儀邏輯分析儀是為從多引腳器件和總線中捕獲數(shù)據(jù)而設計的。捕獲速率”一詞是指對輸入采樣的頻次。它的功能與示波器中的時基功能相同。注意在描述邏輯分析儀操作時，采樣” 采集”和 捕獲”這幾個詞經(jīng)常會互換使用。有兩種數(shù)據(jù)采集或時鐘模式：定時采集捕獲信號定時信息。在這種模式下，使用邏輯分析儀內(nèi)部時鐘對數(shù)據(jù)采樣。數(shù)據(jù) 采樣速度越快，測量分辨率越

7、高。目標器件與邏輯分析儀采集的數(shù)據(jù)之間沒有固定的定時 關系。這種采集模式主要用于 SUT 信號之間定時關系最為重要時。狀態(tài)采集用來采集SUT的狀態(tài)”來自SUT的信號定義了樣點（什么時候采集數(shù)據(jù)，采集 數(shù)據(jù)的頻次 ）。用來為采集提供時鐘輸入的信號可以是系統(tǒng)時鐘，也可以是總線上的控制 信號，還可以是導致SUT改變狀態(tài)的信號。在活動邊沿上采樣的數(shù)據(jù)表示邏輯信號穩(wěn)定 時 SUT 的情況。在、且只在選擇的信號有效時，邏輯分析儀才會采樣。如果您想捕獲很長的相鄰定時細節(jié)記錄，那么定時采集、內(nèi)部 （或異步 ）時鐘可以擔此重任。您也 可能想像SUT看到的那樣采集數(shù)據(jù)。在這種情況下，您應選擇狀態(tài) （同步）采集。在

8、狀態(tài)采集中， 將在列表窗口中順序顯示 SUT 的每個后續(xù)狀態(tài)。狀態(tài)采集使用的外部時鐘信號可以是任何相關信 號。觸發(fā)是把邏輯分析儀與示波器區(qū)分開的另一種功能。示波器擁有觸發(fā)功能，但它們對二進制條 件的響應能力有限。相比之下，可以評估各種邏輯 （布爾 ）條件，確定邏輯分析儀什么時候觸發(fā) 采集。觸發(fā)的目的是選擇邏輯分析儀捕獲哪些數(shù)據(jù)。邏輯分析儀可以跟蹤SUT邏輯狀態(tài)，在SUT中發(fā)生用戶定義的事件時觸發(fā)采集。在討論邏輯分析儀時，必需了解“事件”這個詞。它有多種含義。它可以是一個信號線路上的 簡單跳變，包括故意跳變或非故意跳變。如果您正在查找毛刺，那么毛刺就是關心的“事 件”。事件也可以定義為整個總線中

9、信號跳變組合導致的邏輯條件。但注意不管是哪種情況， 事件都是信號從一個周期變到下一個周期時出現(xiàn)的某個東西。采集狀態(tài)數(shù)據(jù)和定時數(shù)據(jù)在硬件和軟件調(diào)試 （系統(tǒng)聯(lián)調(diào) ）時，最好擁有相關的狀態(tài)信息和定時信息。在一開始時，問題可能 會檢測為總線上的無效狀態(tài)。這可能是由建立時間和保持時間違規(guī)之類的問題引起的。如果邏輯 分析儀不能同時捕獲定時數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，那么將很難隔離問題，而且耗時非常長。某些邏輯分析儀要求連接單獨的定時探頭，采集定時信息，使用單獨的采集硬件。這些儀器要求 一次把兩種探頭連接到 SUT 上，如圖 2所示。第一只探頭把 SUT 連接到定時模塊上，第二只探 頭把相同的測試點連接到狀態(tài)模塊上。這

10、稱為“雙重探測”。這種方法會損害信號的阻抗環(huán)境。 一次使用兩只探頭將加重信號負擔，劣化 SUT 的上升時間和下降時間、幅度和噪聲性能。TimingProbesStateProbes圖2.雙重探測要求每個測試點上有兩只探頭，這會降低測量質(zhì)量 圖示內(nèi)容：Timi ng Probes:定時探頭State Probes狀態(tài)探頭最好通過同一只探頭，同時采集定時數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，如圖3所示。一條連接、一個設置、一次采集，可以同時提供定時數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。這簡化了探頭的機械連接，減少了問題。一只探頭對 電路的影響較低，保證測量精度更高，對電路操作的影響更小。圖3同時探測通過一只探頭同時提供狀態(tài)采集和定時采集，實

11、現(xiàn)了更簡單的、更干凈的測量環(huán) 境。圖示內(nèi)容：Timi ng/State Probes:定時 /狀態(tài)探頭邏輯分析儀擁有探測系統(tǒng)、觸發(fā)系統(tǒng)和時鐘系統(tǒng)，把數(shù)據(jù)傳送到實時采集內(nèi)存中。這個內(nèi)存是儀 器的心臟，是從SUT采樣的所有數(shù)據(jù)的目的地，也是所有儀器分析和顯示畫面的來源。邏輯分析儀擁有內(nèi)存，能夠以儀器的采樣率對數(shù)據(jù)分類。這個內(nèi)存可以視為一個擁有通道寬度和 內(nèi)存深度的矩陣，如圖4所示。儀器累積所有信號活動記錄，直到觸發(fā)事件或用戶告訴儀器停 止。結(jié)果是采集數(shù)據(jù)，本質(zhì)上是一個多通道波形畫面，讓您查看以非常高的定時精度采集的所有 信號的交互情況。Memory DepthInput 136 |j3回回Q匚&q

12、uot;IE回回們弓回= I4口 匚<)匚 2C Input 1 = 匚I口64k256k1M圖4邏輯分析儀在深內(nèi)存中存儲采集數(shù)據(jù)，使用一條全深度通道支持每個數(shù)字輸入。采集更多的樣點（時間）可以提高同時捕獲導致錯誤的誤碼和問題的可能。邏輯分析儀連續(xù)對數(shù)據(jù) 采樣，填充實時采集內(nèi)存，根據(jù)先進先出的原則丟掉溢出數(shù)據(jù)。因此，一直會有一條實時數(shù)據(jù)流 流經(jīng)內(nèi)存。在觸發(fā)事件發(fā)生時， 暫停”過程開始，把數(shù)據(jù)保留在內(nèi)存中。觸發(fā)在內(nèi)存中的位置非常靈活，可以捕獲和檢查觸發(fā)事件之前、之后及周圍的事件。這是一種重 要的調(diào)試功能。如果您觸發(fā)了一個癥狀，通常是某種錯誤，您可以設置邏輯分析儀，存儲觸發(fā)前 的數(shù)據(jù)（預觸發(fā)

13、數(shù)據(jù)），捕獲導致癥狀的問題。還可以設置邏輯分析儀，存儲觸發(fā)之后一定數(shù)量的 數(shù)據(jù)（后觸發(fā)數(shù)據(jù)），查看錯誤可能有哪些后續(xù)影響。邏輯分析儀的主采集內(nèi)存存儲信號活動完善的長記錄。當今某些邏輯分析儀可以透過數(shù)百條通道 以幾千兆赫的速度捕獲數(shù)據(jù)，在長記錄長度中累積結(jié)果。顯示的每個信號跳變都被視為發(fā)生在活 動時鐘速率定義的采樣間隔內(nèi)部某個地方。捕獲的邊沿可能發(fā)生在前一個樣點之后幾皮秒，或發(fā) 生在后一個樣點之前幾皮秒，或兩者之間任何地方。因此，采樣間隔決定著儀器的分辨率。不斷進化的高速計算總線和通信設備正在推動著邏輯分析儀中更高定時分辨率的需求。高速緩沖 內(nèi)存解決了這一挑戰(zhàn)，它在觸發(fā)點周圍以更高的間隔捕獲信息

14、。這里，在內(nèi)存填滿時，新樣點也 不斷替換最老的樣點。每條通道都有自己的緩沖內(nèi)存。這類采集保留著跳變和事件的動態(tài)高分辨 率記錄，在主內(nèi)存采集底層的分辨率是看不到的。分析和顯示結(jié)果邏輯分析儀的實時采集內(nèi)存中存儲的數(shù)據(jù)可以用于各種顯示和分析模式。一旦信息存儲在系統(tǒng) 中，可以以多種格式查看這些信息，從定時波形到與源代碼相關的指令助記符。波形顯示是一種多通道詳細視圖，用戶可以查看捕獲的所有信號的時間關系，在很大程度上與示 波器的顯示畫面類似。波形顯示通常用于定時分析中，特別適合：診斷SUT硬件中的定時問題把記錄的結(jié)果與仿真器輸出或產(chǎn)品技術資料中的定時圖進行對比，檢驗硬件正確運行 測量與硬件定時有關的特點

15、，包括爭用條件、傳播延遲、存在或不存在脈沖分析毛刺列表顯示以用戶可以選擇的字母數(shù)字形式提供狀態(tài)信息。列表中的數(shù)據(jù)值來自整個總線中捕獲的 樣點，可以用十六進制或其它格式表示。想象一下，穿過總線上所有波形取一個豎“片”，如圖 5所示。穿過4位總線的片代表著一個樣點，這個樣點存儲在實時采集內(nèi)存中。如圖5所示，陰影片中的數(shù)字是邏輯分析儀將顯示的數(shù)字，一般采取十六進制形式。列表顯示的目的是顯示SUT的狀態(tài)，讓用戶看到SUT看到的一模一樣的信息。D30021D1Do_nLTLlIncremenlState =0111 binary = 7 hexadecimal圖5.在外部時鐘信號啟用采集時，狀態(tài)采集捕獲

16、總線上的一“片”數(shù)據(jù) 狀態(tài)數(shù)據(jù)以多種格式顯示。實時指令軌跡反匯編每個總線事務，確定通過總線具體讀取哪些指 令。它在邏輯分析儀顯示畫面上放置相應的指令助記符及相關地址。另一個顯示畫面-源代碼調(diào)試畫面，把源代碼與指令軌跡歷史關聯(lián)起來，提高調(diào)試工作效率。它 可以即時查看指令執(zhí)行時實際進行的操作。源代碼顯示畫面可以與實時指令軌跡關聯(lián)起來。在處理器特定支持套件的幫助下，狀態(tài)分析數(shù)據(jù)可以以助記符方式顯示。這可以更簡便地調(diào)試SUT中的軟件問題。在配備這些知識后，您可以進入低級狀態(tài)顯示 （如十六進制顯示），或進入定 時圖顯示，追蹤錯誤根源。自動測量可以在邏輯分析儀采集數(shù)據(jù)上執(zhí)行完善的測量。有多種示波器類測量可

17、供選擇，包括頻 率、周期、脈寬、占空比和邊沿數(shù)。自動測量功能在非常大的樣點總量上迅速提供測量結(jié)果，獲 得快速全面的數(shù)據(jù)。下面兩個實例說明了可以怎樣使用邏輯分析儀，解決常見的測量問題捕獲建立時間和保持時間違規(guī) 建立時間是指在時鐘邊沿位移到器件之前輸入數(shù)據(jù)必須有效、穩(wěn)定的最短時間。保持時間是指在 時鐘邊沿發(fā)生后數(shù)據(jù)必須有效、穩(wěn)定的最短時間。數(shù)字器件制造商規(guī)定了建立時間和保持時間參 數(shù)，工程師必須特別注意，確保設計不會違反規(guī)范。但當今容限越來越緊張，業(yè)內(nèi)正廣泛使用更 快的部件來實現(xiàn)更高的吞吐量，使得建立時間和保持時間違規(guī)越來越常見。近年來，建立時間和保持時間要求都已經(jīng)縮小到大多數(shù)傳統(tǒng)通用邏輯分析儀難

18、以檢測和捕獲事件 的水平。唯一真正的解決方式是納秒級采樣分辨率的邏輯分析儀。下面的實例使用同步采集模式，依賴外部時鐘信號驅(qū)動采樣。不管是哪種模式，邏輯分析儀都能 夠在觸發(fā)點周圍提供一個以高分辨率采樣數(shù)據(jù)的緩沖器。在這種情況下，DUT是一個擁有單一輸出的“D觸發(fā)裝置，但這個實例也適用于擁有數(shù)百條輸出的器件。在這個實例中，DUT本身提供外部時鐘信號，控制同步采集。可以使用邏輯分析儀的拖放式觸發(fā) 功能，創(chuàng)建建立時間和保持時間觸發(fā)。這種模式可以定義建立時間和保持時間違規(guī)參數(shù)，如圖6所示。設置窗口中還有其它子菜單，提煉信號定義的其它方面，包括邏輯條件及正向項或負向 項。* fiMIfl* WAH圖6.可

19、以定義建立時間和保持時間違規(guī)事件參數(shù)，創(chuàng)建觸發(fā)在測試運行時，邏輯分析儀實際評估時鐘的每個上升沿，確定建立時間或保持時間違規(guī)。它監(jiān)測 數(shù)百萬個事件，只捕獲未能滿足建立時間或保持時間要求的事件。得到的顯示畫面如圖7所示。這里的建立時間是2.375 ns,遠低于10 ns的規(guī)定極限。Fl LA 比 dW 叩&阻¥8|z¥ “1 ao -弘亠Machv 恵出 L> I Q W>| "I Swffc|4EuJKv«u Dg圖7.得到的畫面，顯示建立時間和保持時間違規(guī)信號完整性直觀地觀測和測量信號是發(fā)現(xiàn)信號完整性相關問題的唯一途徑。在極大程度上，

20、信號完整性測量 都使用幾乎任何電氣工程實驗室中工程師同樣熟悉的儀器執(zhí)行。這些儀器包括邏輯分析儀和示波 器，以及基本工具箱中配備的探頭和應用軟件。此外，可以使用信號源提供失真信號，對新器件 和系統(tǒng)執(zhí)行壓力測試和評估。在調(diào)試數(shù)字信號完整性問題時，特別是在擁有大量總線、輸入和輸出的復雜系統(tǒng)中，邏輯分析儀 是第一條防線。它提供了高通道數(shù)、深內(nèi)存及高級觸發(fā)，從許多測試點中采集數(shù)字信息，然后以 相干方式顯示信息。由于它是一臺數(shù)字儀器，邏輯分析儀檢測其正在監(jiān)測的信號上的門限交點， 然后顯示邏輯IC看到的邏輯信號。得到的定時波形清楚、可以理解，并可以方便地與預計數(shù)據(jù)對比，確認事情正常運行。這些定時 波形通常是

21、搜索損害信號完整性的信號問題的起點。在反匯編程序和處理器配套軟件的幫助下， 可以進一步理解這些結(jié)果，邏輯分析儀可以把實時軟件軌跡（與源代碼相關）與低級硬件活動關聯(lián) 起來，如圖8所示。Ti*(tfr ite qwv i inl 細齊性*才亞止】4trLb«屮in IrtpL£i：團利# lli*±bl.F 曲'_ ikBFrtriltt* /l#M - Fl S *LF*AT Im*i計.Tti性 *F 兩 num 苗磚燈3 丹磯血(nilI |iwifeitAt-b in.|wititkb«. nttiir-Moi1尸產(chǎn)戸產(chǎn)尸a4-x!L I I

22、Q妬 4>U*IlW.EL4w -4MU* 0*mn-Kutthfl I ：11圖8.這個邏輯分析儀畫面顯示與源代碼相關的定時波形和實時軟件軌跡。但是，并不是每臺邏輯分析儀都適合在當今極高 （及日益提高的）數(shù)字數(shù)據(jù)速率下執(zhí)行信號完整性 分析。表1提供了某些規(guī)范指引，在選擇邏輯分析儀進行高級信號完整性調(diào)試時應考慮這些指 引。如果我們把所有重點放在采樣率和內(nèi)存容量上，那么很容易就會忽略了邏輯分析儀中的觸發(fā) 功能。而觸發(fā)通常是找到問題的最快捷方式。畢竟，如果邏輯分析儀觸發(fā)了一個錯誤，那么證明 錯誤已經(jīng)發(fā)生。當前大多數(shù)邏輯分析儀包括觸發(fā)功能，可以檢測某些損害信號完整性的事件，如 毛刺及建立時間和保持時間違規(guī)等事件。這些觸發(fā)條件可以一次應用到數(shù)百條通道中，這是邏輯 分析儀獨一無二的優(yōu)勢。邏輯分析儀功能推薦信號完整性