基于數(shù)字電路和系統(tǒng)診斷測試的邏輯分析儀研究

為什么要使用邏輯分析儀

當一個數(shù)字電路或系統(tǒng)所實現(xiàn)的邏輯功能與無故障電路或系統(tǒng)所實現(xiàn)的邏輯功能不同，表明這個電路或系統(tǒng)已出現(xiàn)故障。 數(shù)字電路或系統(tǒng)故障分為物理故障和邏輯故障。內(nèi)部連線斷開或短接、電路元件不良等造成物理故障。數(shù)字電路及數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部控制邏輯不正確為邏輯故障。在這些故障中不隨時間改變的故障稱為永久故障；時隱時現(xiàn)的故障稱為間歇故障。數(shù)字電路及數(shù)字系統(tǒng)故障診斷大部分局限于固定性邏輯故障。為了做好故障檢測和故障定位，確保數(shù)字電路及系統(tǒng)正常，就必須對數(shù)字電路及系統(tǒng)進行測試，以檢驗電路及系統(tǒng)的工作狀況。要診斷數(shù)字電路故障必須借助專用的儀器才能解決，這些儀器能確定數(shù)字電路及系統(tǒng)中是否存在故障，進而判定故障的位置。

圖1 邏輯分析儀和示波器一起工作

我們把排除數(shù)字電路和系統(tǒng)的硬件與軟件故障，提高系統(tǒng)性能提供所需信息，確保電路及系統(tǒng)可靠性的測試稱為數(shù)據(jù)域測試，它有別于傳統(tǒng)的頻域測試和時域測試，更區(qū)別于射頻調(diào)制域測試和隨機信號的統(tǒng)計域測試。數(shù)據(jù)域測試儀器按其功能分為節(jié)點測試器、邏輯分析儀和開發(fā)系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)域測試中，邏輯分析儀是一種最有力工具，它以總線概念為基礎(chǔ)，能同時對多個節(jié)點進行測試，一般具有足夠的輸入通道、超前觀測能力、多種觸發(fā)方式、存儲能力、多功能顯示和比較能力等。使用邏輯分析儀主要場合如下：①需要同時查看多個信號； ②需要用與硬件同樣的方法查看數(shù)字信號； ③需要對多條線高低電平模式觸發(fā)，并查看結(jié)果； ④即時跟蹤軟件在系統(tǒng)中的執(zhí)行情況。

通常我們將數(shù)字系統(tǒng)分成硬件和軟件，在測試這些系統(tǒng)時，我們有很多事情要做，譬如硬件電路初步設(shè)計、軟件方案制定和初步編制、硬件電路調(diào)試、軟件調(diào)試、以及最終系統(tǒng)定型等，在這些工作中幾乎每一步工作都需要邏輯分析儀幫助。由于使用情況不同，在很多系統(tǒng)中并不需要把以上的每個部分測試一遍。邏輯分析儀在測試和故障診斷中分為以下五個層次：第一個層次：只查看硬件系統(tǒng)的一些常見故障，例如時鐘信號和其他信號的波形、信號中是否存在嚴重影響系統(tǒng)的毛刺信號等；第二個層次：對硬件系統(tǒng)各個信號的時序進行分析，以便最好地利用系統(tǒng)資源，消除由定時分析分析出的一些故障；第三個層次：硬件對軟件的執(zhí)行情況進行分析，以確保寫入的程序被硬件系統(tǒng)完整執(zhí)行；第四個層次：實時監(jiān)測軟件執(zhí)行情況，對軟件進行實時調(diào)試；第五個層次：對現(xiàn)有電子系統(tǒng)軟硬件進行系統(tǒng)分析，達到對現(xiàn)有電子系統(tǒng)軟硬件全面透徹了解和掌握其功能。

邏輯分析儀發(fā)展和有關(guān)概念

數(shù)據(jù)域測試追溯到上世紀五十年代初或更早，而其真正使用是在六十年代初對電子計算機的診斷工作。七十年代隨著微處理器研制，市面上出現(xiàn)四位和八位總線，傳統(tǒng)示波器雙通道無法滿足8bit觀察，微處理器和存儲器測試需要有不同于時域和頻域測試的儀器，真正的數(shù)據(jù)域測試儀器應(yīng)運而生。當時HP公司推出狀態(tài)分析儀和Biomation 公司推出定時分析儀不久，用戶開始接受這種數(shù)據(jù)域測試儀器作為解決數(shù)字電路的測試手段；經(jīng)過一段時間發(fā)展，狀態(tài)分析儀與定時分析儀合并成現(xiàn)在的邏輯分析儀。20 世紀80年代后期，邏輯分析儀功能和性能大大提高，而且變得更加復雜，使用起來有一定難度。例如，引入多電平樹形觸發(fā)，以應(yīng)付條件語句如IF 、THEN、ELSE 等復雜事件，使觸發(fā)變得更加靈活。今后，邏輯分析儀基本發(fā)展趨勢是將計算機技術(shù)與儀器不斷融合，在PC平臺上使用，使邏輯分析儀功能大大增強，同時成本下降，操作變得更加容易。

根據(jù)硬件設(shè)備設(shè)計上差異，目前邏輯分析儀分為獨立式邏輯分析儀和需結(jié)合電腦的PC-based卡式虛擬邏輯分析儀。獨立式邏輯分析儀將所有的測試軟件、運算管理元件整合在一臺儀器中，儀器顯示、采集、觸發(fā)、測量結(jié)果等都在一個機箱內(nèi)，速度快，操作簡便，直觀方便，它們配有儀器接口與計算機進行通訊。卡式虛擬邏輯分析儀需要搭配電腦一起使用，顯示屏與主機分開，價格相對低廉，但顯示和測量結(jié)果都需要借著計算機才能實現(xiàn)，操作麻煩，有很多局限。就整體規(guī)格而言，獨立式邏輯分析儀已發(fā)展到相當高的標準，例如采樣率達8GHz、通道數(shù)可擴充到300個以上，存儲深度相對較高。基于計算機接口的卡式虛擬邏輯分析儀，以較小的成本提供了相應(yīng)性能，但是卡式虛擬邏輯分析儀有很大缺點，它需要配備電腦才能使用，尤其數(shù)字測試中，工程師往往會陷入一堆PCB板中，采用旋鈕的儀器要比在屏幕上移動鼠標更加方便。

邏輯分析儀技術(shù)復雜，市場已被美國人壟斷，其主要供應(yīng)商為Agilent和Tektronix，但是它們的價格比較昂貴。中國雖然有一些邏輯分析儀廠商，但大都是虛擬邏輯分析儀，技術(shù)含量普遍較低，尤其不能滿足像示波器那樣排除系統(tǒng)故障的現(xiàn)場需要，因此邏輯分析儀在我國沒有普遍應(yīng)用，國內(nèi)很需要一些獨立便攜、使用簡單、售價不能太高的邏輯分析儀。不管我們使用怎樣的邏輯分析儀，都應(yīng)注意以下邏輯分析儀指標和概念。

1、通道數(shù)量：

通道數(shù)量是邏輯分析儀最易理解和直觀指標。如果需要對一個數(shù)字電路系統(tǒng)進行全面分析，就需要把所有應(yīng)觀測的信號全部引入邏輯分析儀。邏輯分析儀通道數(shù)至少為被測系統(tǒng)字長（數(shù)據(jù)總線數(shù)）＋被測系統(tǒng)控制總線數(shù)＋時鐘線數(shù)。對于一個8位系統(tǒng)，至少需要具有34個通道的邏輯分析儀，因此市面上主流邏輯分析儀為34通道，現(xiàn)在邏輯分析儀通道數(shù)量已高達340通道。34個通道的邏輯分析儀，因此市面上主流邏輯分析儀為34通道，現(xiàn)在邏輯分析儀通道數(shù)量已高達340通道。

2、定時采樣速率：

在定時采樣分析時，要有足夠的定時分辨率，即應(yīng)當有足夠高的定時分析采樣速率。現(xiàn)在主流邏輯分析儀采樣速率高達2GS/s ，在這個速率下，我們可以看到0.5ps 時間上細節(jié)。

3、狀態(tài)分析速率：

在狀態(tài)分析時，邏輯分析儀的采樣基準時鐘就用被測試對象的工作時鐘（邏輯分析儀外部時鐘），這個時鐘最高速率就是邏輯分析儀的高狀態(tài)分析速率。即該邏輯分析儀可以分析的系統(tǒng)最快工作頻率。現(xiàn)在主流邏輯分析儀狀態(tài)分析速率為100MHz～500MHz之間。

4、每通道記錄長度

邏輯分析儀內(nèi)存用于存儲它所采樣的數(shù)據(jù)，以用于對比、分析、轉(zhuǎn)換（譬如將其所捕捉到的信號轉(zhuǎn)換成非二進制信號）。

5、測試夾具和探頭：

邏輯分析儀通過探頭與被測器件連接。探頭在保持信號完整性中占有重要位置。隨著芯片封裝密度越來越高，IC管腳間距已達0.3mm以下，要很好將信號引出，特別是BGA封裝，確實困難；同時分立器件尺寸越來越小，典型已達到0.5mm*0.8mm。此時測試夾具或芯片管腳適配器作用很重要，它們既可以讓人脫手操作，更可以引出芯片管腳，防止短路燒壞芯片。

邏輯分析儀與示波器比較

邏輯分析儀確實起步晚，在示波器不能滿足多路需求基礎(chǔ)上發(fā)展而來，因此我們必要了解邏輯分析儀和示波器差別。在電子測試領(lǐng)域，示波器是最早的測試設(shè)備，起源于雷達掃描原理，對信號波形的采集和再現(xiàn)，源于傳統(tǒng)的模擬信號和模擬電路測試基礎(chǔ)。隨著數(shù)字技術(shù)發(fā)展，對數(shù)字信號測試越來越重要，最早數(shù)字信號測試往往借著示波器，后來出現(xiàn)了定時分析儀和狀態(tài)分析儀，從定時和狀態(tài)的角度分析和測試多路數(shù)字信號。由于當時的定時分析儀和狀態(tài)分析儀價格昂貴，兩者在市場上的概念很好，但影響不大，測試范圍很窄。

由于邏輯分析儀不像示波器那樣有許多電壓等級，通常只顯示兩個高低電平（邏輯1和0），設(shè)定了參考電壓后，邏輯分析儀將被測信號通過比較器進行判定，高于參考電壓者為1,低于參考電壓者為0，在1與0之間形成數(shù)字波形。整體而言，邏輯分析儀測量被測信號時，并不顯示出電壓值，只是1跟0差別；如果要測量電壓就一定需要示波器。除了電壓值顯示不同外，邏輯分析儀與示波器另一個差別在于通道數(shù)量。一般示波器只有2個通道或4個通道，而邏輯分析儀擁有16個、32個、64個或上百個通道數(shù)。邏輯分析儀與示波器比較見表1。

表1  邏輯分析儀與示波器比較 

   資料來源：根據(jù)翟春林主編《業(yè)余邏輯分析儀》整理，2003年11月第1版，無線電技術(shù)出版社，香港

從誕生開始，邏輯分析儀給人三種印象：①價格昂貴，操作麻煩；②對使用者要求較高；③與示波器功能大同小異，只是多增加了通道和部分時序功能。隨著IT技術(shù)發(fā)展，基于計算機接口和處理技術(shù)的采集式虛擬邏輯分析儀出現(xiàn)，邏輯分析儀已逐漸降低成本，走入普通研究室，邏輯分析儀和示波器一樣已逐步成為基本的測試工具。邏輯分析儀和示波器雖然在測試原理上有較大差異，隨著技術(shù)的進步，示波器和邏輯分析儀應(yīng)用和概念融合，已出現(xiàn)混合信號測試儀器。

邏輯分析儀的使用

邏輯分析儀從誕生開始，往往給人一種電子儀器“奢侈品”感覺，既貴又難用，這是人們對以往 邏輯分析儀一種成見，也是對現(xiàn)有邏輯分析儀一種誤解。現(xiàn)行邏輯分析儀已超越傳統(tǒng)，有的邏輯分析儀既實惠又可以像示波器那樣方便使用（例如OLA2032B售價不超過2萬元人民幣），操作界面完全和流行的數(shù)字示波器一樣，使用邏輯分析儀已變得容易。邏輯分析儀使用上主要與數(shù)字信號相連，快速捕獲數(shù)字信號并進行分析，我們一般注意以下四個操作就可以發(fā)揮邏輯分析儀價值，邏輯分析儀使用就不再那么麻煩：

第一、邏輯分析儀邏輯探頭與被測系統(tǒng)（DUT）相連。使用邏輯分析儀前，首先應(yīng)選擇合適的邏輯探頭與被測系統(tǒng)相連，探頭利用內(nèi)部比較器將輸入電壓與門限電壓相比較，確定信號邏輯狀態(tài)（1或0）。邏輯探頭有很多種，根據(jù)自己需要我們選擇相應(yīng)的探頭夾具。常用探頭有用于點對點故障查找的“夾子狀”，有用在電路板上專用的高密度型。邏輯探頭應(yīng)能捕獲高質(zhì)量信號，并且對被測系統(tǒng)影響最小。而且邏輯探頭應(yīng)能提供高質(zhì)量信號并傳遞給邏輯分析儀，并且與電路板及設(shè)備以多種方式連接。

第二、設(shè)置時鐘模式和觸發(fā)條件。邏輯分析儀與被測系統(tǒng)連接好后，需要設(shè)置時鐘模式與觸發(fā)條件。邏輯分析儀數(shù)據(jù)捕獲方式不同于示波器，有兩種捕獲方式：異步捕獲和同步捕獲。異步捕獲類似于示波器的數(shù)據(jù)捕獲方式。

異步捕獲模式：此時邏輯分析儀用內(nèi)部時鐘進行數(shù)據(jù)采樣，采樣速度越快，測試分辨率越高。采樣速率對于異步定時分析非常重要，異步捕獲模式常用在目標設(shè)備與邏輯分析儀捕獲數(shù)據(jù)之間沒有固定的時間關(guān)系，而且主要考慮被測系統(tǒng)信號間時間關(guān)系。同步捕獲模式：同步捕獲模式用一個源自被測系統(tǒng)信號做采樣時鐘信號，用于捕獲確定時間的信號。邏輯分析儀在外部時鐘信號邊緣采樣，采集的數(shù)據(jù)代表邏輯信號穩(wěn)定時被測電路所處狀態(tài)。邏輯分析儀引入的時鐘信號有所限制，一般要小于某一固定頻率，該頻率稱為邏輯分析儀最大狀態(tài)速率，也稱為邏輯分析儀帶寬。設(shè)置觸發(fā)方式：邏輯分析儀可以對各種邏輯條件進行觸發(fā)。觸發(fā)目的為邏輯分析儀設(shè)定什么時候開始捕獲數(shù)據(jù)、捕獲哪些數(shù)據(jù)，使邏輯分析儀跟蹤被測電路的邏輯狀態(tài)，并在被測系統(tǒng)中用戶定義的事件處進行觸發(fā)。邏輯分析儀觸發(fā)條件大致有兩類：單一通道觸發(fā)條件設(shè)定和通道間觸發(fā)條件設(shè)定。單一通道的觸發(fā)類似于示波器的觸發(fā)，例上升/下降沿觸發(fā)、脈沖寬度觸等。通道間邏輯觸發(fā)對于邏輯分析儀比較重要，發(fā)揮邏輯分析儀觀察通道間邏輯關(guān)系以及邏輯狀態(tài)的核心作用，其分為兩類：一類單純?yōu)槊恳煌ǖ涝O(shè)置觸發(fā)條件；另一類碼型觸發(fā)或事件觸發(fā)。有些邏輯分析儀具有更高級的按階層觸發(fā)，這些觸發(fā)對于數(shù)字電路中包頭和包尾識別非常有用。   

第三、捕獲被測信號。使用邏輯分析儀需要確定對多少信號進行捕獲和分析，即邏輯分析儀通道數(shù)。數(shù)字系統(tǒng)總線具有各自不同的寬度，通道數(shù)一般為總線寬度3~4倍（數(shù)據(jù)線+地址線+控制線+時鐘）。確定捕獲多少信號后，接著考慮邏輯分析儀捕獲操作過程持續(xù)時間， 即邏輯分析儀存儲深度。邏輯分析儀探頭、觸發(fā)器和時鐘系統(tǒng)實時捕獲數(shù)據(jù)后馬上傳遞到存儲器。存儲器是邏輯分析儀中心，它不僅是來自被測系統(tǒng)所有采樣數(shù)據(jù)最終目的地，也是邏輯分析儀進行分析和顯示的數(shù)據(jù)源。

第四、分析與顯示捕獲數(shù)據(jù)。邏輯分析儀實時捕獲的被測信號存儲到存儲器，已系統(tǒng)中存儲的信號數(shù)據(jù)，能夠以各種不同格式查看，例如時間波形與二進制代碼等。大多數(shù)情況下，工程師習慣使用總線形式顯示捕獲數(shù)據(jù)，一般的邏輯分析儀可以同時觀察幾組并行總線和相互的數(shù)據(jù)關(guān)系，了解邏輯代碼真正用意。使用邏輯分析儀觀察并行總線時，一般先觀察同步狀態(tài)數(shù)據(jù)，如果狀態(tài)數(shù)據(jù)存在問題，接著觀察異步時鐘數(shù)據(jù)，尋找問題所在。有些邏輯分析儀（例如OLA2032B）具有類似數(shù)字示波器波形搜索功能，更加方便對已捕獲數(shù)據(jù)進行分析。

圖2  邏輯分析儀Auto-Scale功能

結(jié)束語

邏輯分析儀每次捕獲并顯示多個信號，同時分析這些信號的時間關(guān)系和邏輯關(guān)系，它是數(shù)字設(shè)計驗證與調(diào)試過程中公認最出色的工具，能夠檢驗數(shù)字電路是否正常工作，幫助查找并快速排除數(shù)字電路系統(tǒng)故障。它有別于示波器，技術(shù)的發(fā)展使邏輯分析儀不再那么遙遙不可及，每個工程師未來都會容易使用它有別于示波器，技術(shù)的發(fā)展使邏輯分析儀不再那么遙遙不可及，每個工程師未來都會容易使用。

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