电路开发的基本测试仪器与测试方法

1、课 程 设 计课程名称微型计算机原理及应用题目名称电路开发的基本测试仪器与测试方法专业班级15级自动化卓越工程师（1）班学生姓名蔡家鑫、陈梓楷、邓中奋、 郭子维、 洪泽钦指导教师李卫军2017年5月12日摘要本文介绍了电路开发的基本测试仪器的性能特征以及在电路故障诊断中仪器的测试方法。在电路故障检测中,正确的测试方法可以大大提高操作人员的测试速度和准确性,便于测试人员做出准确的故障判断,提高工作效率。本文分别介绍了数字示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪、任意波形发生器的基本原理、使用方法与主要性能指标，以及采用逻辑分析仪对电路进行时序调试。内容通俗易懂，符合科学性，内容讲解详细，是很好的电路调试参

2、考文献，非常适用初学者学习参考。关键词：电路调试、数字示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪、 任意波形发生器目录1.数字示波器的原理及使用方法61.1概述61.2数字示波器的分类61.3数字示波器的原理61.3.1系统控制部分71.3.2取样存储部分71.3.3读出显示部分81.4数字示波器的技术特性及功能81.4.1光标数字读出测量方式81.4.2储存和取出波形参数81.4.3自动测量功能81.4.4“滚动”与“单次捕获”91.5数字示波器的使用91.6数字示波器的主要性能指标111.6.1带宽111.6.2采样率111.6.3存储深度121.6.4上升时间121.6.5频率响应122.基于DDS

3、技术的任意波形发生器122.1 DDS技术132.2 基于DDS技术的任意波形发生器142.2.1 波形产生的方法152.2.2 基于DDS技术的任意波形发生器的优缺点162.3 任意波形发生器的主要性能指标。163. 频谱分析仪原理及使用方法163.1 频谱分析仪基础163.2频谱仪基本概念173.3频谱仪原理的实现183.4频谱仪基本测量193.5频谱分析仪误差分析213.6频谱仪基本使用214.逻辑分析仪的原理234.1数据域分析的概念234.2逻辑分析仪的特点234.3逻辑分析仪的分类244.4逻辑分析仪的组成244.5触发方式254.6采样方式274.7 显示方式295. 使用逻辑分

4、析仪调试时序问题325.1概述325.2调试仪器及其简介325.3调试步骤325.31寻找探测点。325.32挑选探头。335.33逻辑分析仪的性能考虑。335.34检查总线。335.35检查信号线。345.36了解故障细节。345.37观察模拟波形。355.4 小结36参考文献371.数字示波器的原理及使用方法1.1概述数字示波器是智能化数字存储示波器的简称，是模拟示波器技术、数字化测量技术、计算机技术的综合产物。它能够长期存储波形，可进行负延时触发，便于观测单次过程和缓变信号，具有多种显示方式和多种输出方式，同时还可以进行数学计算和数据处理，功能扩展也十分方便，比普通模拟示波器具有更强大的

5、功能，因此在电子电信类实验室中使用越来越广泛1.2数字示波器的分类数字示波器有三大类：第一类将信号数字化后再建波形，具有记忆、存储被观测信号的功能，可以用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号，以及不同时间不同地点观测到的信号的数字储存示波器DSO(Digital Storage Oscilloscope) ；第二类通过多层次辉度或彩色可显示长时间内信号的变化情况的数字荧光示波器DPO（Digital Phosphor Oscilloscope）；第三类是能把数字示波器对信号细节的分析能力和逻辑分析仪多通道定时测量能力组合在一起，可用于分析数模混合信号交互影响的混合信号示波器MSO（

6、Mixed Signal Oscilloscope）。而我们最常用的是第一类数字储存示波器DSO1.3数字示波器的原理数字示波器可以分为取样存储部分、读出显示部分和系统控制部分等三大部分，它们之间通过数据总线、地址总线以及控制总线相互联系和交换信息，以完成各种测量功能，其基本组成框图如图1所示。1.3.1系统控制部分由键盘、只读存储器(ROM)、CPU 及I/O接口等组成。在ROM内写有仪器的管理程序，在管理程序的控制下。对键盘进行扫描产生扫描码，接受使用者的操作，以便设定输入灵敏度、扫描速度、读写速度等参数和各种测试功能。1.3.2取样存储部分主要由输入通道、取样保持电路、取样脉冲形成电路、

7、A/D转换器、信号数据存储器等组成。取样保持电路在取样脉冲的控制下，对被测信号进行取样，经A/D转换器变换成数字信号，然后存入信号数据存储器中。取样脉冲的形成受触发信号的控制，同时也受控制。取样和存储过程如图 所示。 1.3.3读出显示部分由显示缓冲存储器、D/A转换器、 扫描发生器、放大器、放大器和示波管电路组成。它在接到读命令后，先将存储在显示缓冲存储器中的数字信号送D/A转换器，将其重新恢复成模拟信号，经放大后送示波管，同时扫描发生器产 生的扫描阶梯波电压把被测信号在水平方向展 开，从而将信号波形显示在屏幕上。读出和显示过 程如图所示。1.4数字示波器的技术特性及功能1.4.1光标数字读

8、出测量方式通常,数字示波器都具有4 条测量光标,2条电压光标(水平)和2条时间光标(垂直)。它们分别用来在屏幕上标示出所测量的电压差V或时间差t；若电压光标1(下)处于零电平,则电压光标2(上)的位置就是对零点的电压V,由荧火屏或 LCD 显示器上的数字与符号显示测量值、极性与单位;当时间光标1(左)取在t=0的参考点,则时间光标2(右)所在位置即是相对于时间起点(零时刻)的时间间隔t1.4.2储存和取出波形参数这是第一、三类数字示波器的特有功能。它们具有16k通道存储容量。数字化存储波形参数比模拟记忆示波器具有突出的优点,信号不衰减,易于取出复现和进行计算机分析处理。 尤其用DSO观测瞬间动

9、态过程或在现场、野外测试,则可将测量结果随数字存储示波器带回到研究室或实验室进行细致的分析和数据处理。1.4.3自动测量功能在使用数字示波器时，借助光标与数字显示，按程序自动完成波形的显示和波形参数的计算与数字化测量，包括：被观测电压信号（可以是自传感器送入的电压信号）的最大/小值、峰-峰值、平均值、有效值、脉冲的宽度、上升/下降的时间、信号频率、周期、相位差的测量，时间轴扫描参数的自动设置和一起自身的自动校准等。1.4.4“滚动”与“单次捕获”“滚动” 功能用于观测较慢速的信号,其信息流自荧光屏的一侧连续移动到另一侧,按下“滚动”键即可实现此操作。当发现需要捕捉或恰是所要研究的信号波形显示时

10、,即刻利用“锁存”键锁定。用于捕捉,观测单次瞬变波形:负触发延迟用于超前触发;正触发延迟用于滞后触发。触发量可以自行选择。1.5数字示波器的使用数字示波器的面板介绍屏幕刻度和标记信息探头：为在测试点或信号源与示波器之间建立一条信号的物理连接。但在首次将探头与任一输入通道连接时，进行此项调节，使探头与输入通道相配。未经补偿或补偿偏差的探头会导致测量误差或错误。将探头菜单衰减系数设定为10X，将探头上的开关设定为10X，并将示波器探头与通道1连接。如使用探头钩形头，应确保与探头接触紧密。将探头端部与探头补偿器的信号输出连接器相连，基准导线夹与探头补偿器的地线连接器相连，打开通道1，然后按 AUTO

11、 如必要用探头补偿调节棒或者非金属质地的改锥调整探头上的可变电容，直到屏幕显示的波形如图的“补偿正确”。按键功能简介Acquire: 采样、峰值检测、平均值、记录长度Display: 类型、矢量、波形保持、波形更新、对比Utility: 打印机菜单、接口菜单、蜂鸣器、语言菜单、下一项Program:编辑、步骤（可编辑15组）、记忆/菜单/时间设置、储存Cursor: 信源（CH1 CH2）、水平、垂直Measure: 峰峰值、振幅、平均值、均方根值、顶端值、低端值、最大值（电压）、最小值、频率、周期、上升时间、下降时间、正脉冲宽度、负脉冲宽度、占空比（正脉冲宽度/周期）*100%RUN/Sto

12、p：开始和停止波形采集垂直控制区域（1）CH1、CH2的position旋钮：调节波形的垂直位置（2）CH1、CH2的菜单按钮：显示垂直波形功能和显示相关。当CH1或CH2被选择时，垂直菜单依次包括有：耦合方式、反向显示、频宽限制设定键、探头衰减、输入阻抗显示（3）MATH功能按钮：选择不同的数学处理功能。可选择CH1+CH2、CH1-CH2或FFT(快速傅里叶转换)（4）REF：参考波形。打开这个功能前必须先在示波器中存入一 个波形，再用REF调出这个波形，用这个波形做为一个标准波形，用新测的波形看是否与参考波形重合来判断信号是否好坏。水平控制区域（1）MENU：选择水平功能的开关。控制所选

13、波形的时基，水平位置和水平值（2）Position旋钮：调节波形的水平位置（3）旋钮：调节所选波形的水平刻度触发控制（1）MENU:选择触发类型（边缘触发、视频触发、脉冲触发、延 迟触发）、触发源和触发模式（2）LEVEL：调节触发基准1.6数字示波器的主要性能指标1.6.1带宽数字示波器带宽指输入不同频率的等幅 正弦波信号，当输出波形的幅度随频率变化下降到实际幅度的70.7时的频率值（即f-3dB）。带宽决定了数字示波器对信号的基本测量能力。随着信号频率的增加，数字示波器对信号的准确显示能力下降。实际测试中我们会发现，当被测信号的频率与数字示波器带宽相近时，数字示波器将无法分辨信号的高频变化

14、，显示信号出现失真。1.6.2采样率指采样设备单位时间内对待测信号采样的次数，表示为样点数每秒（S/s）。示波器的采样速率越快，所显示的波形的分辨率和清晰度就越高，重要信息和事件丢失的概率就越小，信号重建时也就越真实。根据奈奎斯特定理，采样速率要大于等于2倍的被测信号频率，才能不失真地还原原始信号。但这个定理的前提是基于无限长的时间和连续的信号，在实际测试中，数字示波器的技术无法满足此条件。数字示波器为了准确地再现原始信号，采样速率一般为原始信号最高频率的2.5-10倍。 1.6.3存储深度 存储深度是示波器所能存储的采样点多少的量度。如果需要不间断的捕捉一个脉冲串，则要求示波器有足够的内存以

15、便捕捉整个事件。将所要捕捉的时间长度除以精确重现信号所须的取样速度，可以计算出所要求的存储深度，也称记录长度。在存储深度一定的情况下，存储速度越快，存储时间就越短，他们之间是一个反比关系。1.6.4上升时间 上升时间的定义为脉冲幅度从10上升到90的这段时间，它反映了数字示波器垂直系统的瞬态特性。数字示波器必须要有足够快的上升时间，才能准确地捕获快速变换的信号细节。数字示波器的上升时间越快，对信号的快速变换的捕获也就越准确。1.6.5频率响应 频率响应为当输入不同频率的等幅正弦波信号时的响应性能，它包含从直流或交流低频几赫兹的正弦信号一直到无法显示幅度的频率为止的全部频率范围内的幅度响应。实际

16、测量中只考虑带宽性能还不足以保证数字示波器能够准确重现原始信号， 在对数字示波器计量工作中，我们发现有的数字示波器频率响应曲线在低频段并不平坦，会出现较大的起伏，如果测试相应频率的信号就会出现失真现象。2. 基于DDS技术的任意波形发生器波形发生器是在电路设计与调试中应用很多的一种信号发生装置和信号源。一般的信号源只能产生几种固定形状的波形，而任意波形示波器（AWG）可以创造和产生任何可以设想的波形，大大方便了人们的设计与调试。作为当代最新的一类信号源，它正日益引起人们的重视。任意波形发生（Arbitary Waveform Generator）的主要工作原理有两种：一种是基于直接数字合成（D

17、irect Digital Synthesis）技术,即DDS技术的AWG；另一种是传统的AWG。本章将主要介绍直接数字频率合成技术的原理以及运用此技术的任意波形发生器。2.1 DDS技术DDS的基本理论虽然早在70年代就已经提出来了，但是由于硬件条件的限制，它在初期并没有得到很大的重视。随着现代电子技术和大规模集成电路的发展，DDS技术得到了飞速的发展，并且已经成为最重要的频率合成技术，现在也被广泛应用于任意波形发生器。根据傅里叶变换定理，任意周期信号都可以分解为一系列正弦或余弦信号之和，不失一般性，以正弦信号的产生为例想详细说明直接数字频率合成技术的原理。DDS系统的结构有很多种，但是基本

18、的电路原理可以用图2-1表示。 图2-1 DDS技术原理框图DDS技术是建立在采样原理的基础上，通过查表法产生波形。首先需要对需要产生的波形进行采样，将采用值数字化后存入存储器作为查找表，然后通过查找表将数据读出，经D/A转换器转换成模拟量，把存入的波形重新合成出来。 DDS系统有一个时钟信号作为参考时钟同步系统的各个组成部分。频率字（FSW）实际上就是相位增加量，每个时钟脉冲输入时，相位累加器都会把频率字累加一次，对应地输出也增加了相位。相位累加器的输出接在了波形存储器的地址线上，因此其输出的改变就相当于查表，于是把存储在存储器里的波形抽样值经查找表查出。ROM的输出送到D/A转换器转换为模

19、拟量输出，然后经过滤波器得到较为平整的信号。相位累加器加到一定值后，受到其字长的限制，输出将会溢出，这样便是波形存储器的地址循环了一次。所以改变频率字增量，就可以改变相位累加器的溢出时间，在时钟频率不变的情况下，就可以改变输出频率。可以用下列式子表示输出频率f0 与系统时钟频率fs 之间的关系： 其中，d为频率字，N为相位累加器的字长。例1：假设在波形存储器内存储了1024个波形数据，系统d时钟频率为1.024MHz，相位累加器的字长N为10，频率字（FSW）的值d为1。在时钟脉冲的作用下，相位累加器累加1024个时钟周期后溢出，即经过1024个系统始终周期，输出波形循环一周，系统的输出频率f

20、0 =1.024 x 106 /1024 =1KHz。若将d的值改为2，则相位累加器在512个时钟周期后溢出，系统的输出频率就变成 f0 =1.024 x 106 /512 =2KHz。当d=1时，输出频率最小：称为DDS系统的频率分辨率（或者称为频率间隔）。由上式输出频率与频率分辨率的表达式，可知：1. 系统的输出频率只与频率字的值d，系统时间频率f0 ，相位累加器的字长N有关。在时间频率和相位累加器字长不变时，可以通过改变频率字的值来改变输出频率。2. 系统的频率分辨率只与系统的时钟频率和相位累加器的字长有关。可以通过增加改变其一值改变频率分辨率。3. 可以通过给相位累加器加初始值的方法来

21、预设系统输出波形的相位。2.2 基于DDS技术的任意波形发生器 DDS系统具有优良的频率转换特性，且对于输出波形的调制完全是在数字域中完成，简洁方便，所以经常用于任意波形的发生。2.2.1 波形产生的方法 基于DDS技术的任意波形发生器产生波形的方法一般有两种，一种是利用调制波来实现复杂波形的产生，另一种是通过改变波形存储器的存储数据来生成周期性的波形。方法一：我们知道任何一个波形，都可以用三个广义参数来定义：幅度变化A(t); 相位变化 (t); 频率变化(t)。我们只需要改变这一些参数，就可以实现波形的调制，从而得到想要的波形。 图2-2 DDS系统的调制从图2-2中可以看出，频

22、率的调制可以通过对频率字的调制来实现，相位的调制可以通过对相位累加器输出的调制来实现，赋值的调试可以通过对波形存储器输出的调制来实现。通过对频率，相位，幅度的调制，我们可以得到想要的调制波形，这是极为方便的。方法二： 图2-3 DDS系统任意波形的产生如图2-3所示，第二种方法便是利用上位机（人可以直接发出操控指令的计算机）生成所需要波形的数据，然后通过单片机将生成数据写入波形存储器中（RAM）中，再由DDS系统将波形合成出来，这样便能够产生所需要的波形。2.2.2 基于DDS技术的任意波形发生器的优缺点优点：具有非常高的频率分辨率； 快速输出能力； 波形质量好。缺点：基于DDS技术啊AWG最

23、主要的缺点就是在高频状态下的波形抖动和数据丢失问题。缺点原因分析：该AWG在产生波形的时候是逐点跳跃的，这样的话在较高频率下，AWG会掠过波形上的某些点，这会引起波形的抖动甚至数据的丢失。所以基于DDS技术的任意波形发生器一般不适合用于产生超高频的任意波形。2.3 任意波形发生器的主要性能指标。最高取样速率：决定了输出波形的最大频率。由奈奎斯定理（每个周期至少采样两次才能重构波形）可知，输出波形的频率小于最高取样速率的二分之一。因此，最高取样速率越高，输出 波形的最高频率就越大。现在的AWG产品 一般在 1MS/sec-1.024GS/sec 之间。垂直分辨率 ：也称输出幅度分辨率，主要取决于

24、D/A转换器，以位数表示。位数越大，输出波形幅度量化误差越小，输出波形越逼真。现在WAG的垂直分辨率一般为8-16bit。波形存储容量：以存储波形的容量来表示。越大存储的波形可以越复杂或者同时存储不同的波形。3. 频谱分析仪原理及使用方法3.1 频谱分析仪基础对于一个电信号，通常有两种分析表示的方法，即时域方法和频域方法。时域是表示电信号随时间的变化情况，可用示波器进行测量。在时域内，以时间为水平轴，垂直轴为幅度轴，用示波器测量实际信号的瞬时值随时间的变化，观察信号波形，称为时域分析。频域表示电信号随频率的变化情况，可用频谱分析仪测量。在频域内，水平轴表示频率，垂直轴表示幅度，用频谱分析仪测量

25、信号响应随频率的变化波形，称为频域分析。信号的时域分析和频域分析都可以用来反映信号的特性，但是分析的角度不同，各有适用的场所。时域分析研究信号的瞬时幅度与时间的关系，常用于阶跃响应与脉冲响应测量；频域分析研究信号的各频率分量的幅度与频率的关系，常用于测量信号的幅频特性、频率响应、频谱纯度和谐波失真等。时域和频域两种分析方法都能表示同一信号特性，它们之间是可以相互转换的，用傅里叶级数和傅里叶变换来表示。在傅里叶理论中，任何时域的电信号均是由一个或多个不同频率的幅度和相位的正弦波组成的。换言之，时域信号可以转换成频域信号，频域信号也可以通过傅里叶逆变换换成时域信号。傅里叶变换：Y(f)= 时域信号

26、变换成频域信号傅里叶逆变换：y(t)= 频域信号变换成时域信号 式中：Y(f) 信号的频域 y(t) 信号的时域 f 频率 3.2频谱仪基本概念频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等3.3频谱仪原理的实现 输入衰减器： 频谱分析仪的保护电路，保证混频器有一个合适的信号输入电平，以防止混频器过载、增益压缩和失真。低通滤波器： 在低频可以·有效抑制镜像响应，阻

27、止高频信号达到混频器，还阻止同本振混频产生的带外信号，以避免在中频产生不需要的响应。在微波频段，频谱分析仪采用预选器代替低通滤波器，预选器实质上就是一个调谐滤波器，调谐滤波器和本振在系统控制下同步调谐预选信号，对带外和镜像响应进行有效的抑制。混频器： 把RF输入信号的频率混频成频谱分析仪能够滤波、放大和检波的频率范围。混频器除了接收RF输入信号外，还接收频谱分析仪内部产生的本振信号。混频器是一个非线性器材，这意味着混频器的输出不仅包括输入信号频率和本振信号频率，还包含输入信号频率和本振信号的和频与差频。本地振荡器： 简称本振。本振是一个电压控制的振荡器，它的频率由扫描产生器控制中频滤波器： 中

28、频滤波器是一个固定的带通滤波器，它可以使输入信号在频谱分析仪的显示器上显示，但前提是混频器的输出频率必须在中频滤波器的频段内检波器： 把中频信号转换成视频信号。检波器是一个整流器，其目的是处理输入信号，以便显示并测量输入信号。最简单检波器由一个二极管、电阻负载和低通滤波器组成。扫描产生器： 控制本振频率，控制频谱分析仪显示器的水平轴偏移，其斜波形状使频谱分析仪在显示器上从左到右显示信号信息，且重复运动更新扫描迹线。显示器： 显示输入信号频谱并测量输入信号的幅度与频率。带通滤波器： 一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备对数放大器： 指输出信号幅度与输入信号幅度呈对数函数关系的放大电路。

29、实际的对数放大器总是兼具线性和对数放大功能。中频放大器： 功率放大器的一种，同时具有选频的功能，即对特定频段的功率增益高于其他频段的增益。3.4频谱仪基本测量观察或测量幅度调制信号的方法有：时域法和频域法。时域法：用示波器观察和测量时域信号。如图 Emax：调制信号包络的最大电压值 Emin：调制信号包络的最小电压值 m：幅度调制信号的调制指数频域法：用频谱分析仪观察和测量幅度调制信号。如图 dB：相对载波的边带幅度 fm：调制频率fpeak：载波峰值频偏 fpeak=m*fm测量调频信号的方法有：频域法、Bessel函数法、Haberly法频域法：如图Bessel函数法：如图Haberly法

30、：如图测量脉冲调制信号的方法有：窄带测量、宽带测量RBW：分辨宽度PRF：输入脉冲信号的重复频率：脉冲宽度T：脉冲周期Pp：峰值脉冲功率Pc：载波分量功率Pp=Pc-20*log（/T）3.5频谱分析仪误差分析频率准确度(1) 频率参考的稳定度和准确度(2) 本振的线性度(3) 扫描时间准确度(4) 中频带宽滤波器的中心(5) 剩余调频(6) 显示分辨率幅度准确度(1) 标度准确度(2) 输入衰减器准确度(3) 参考电平准确度(4) 频响平坦度(5) 分辨带宽切换误差(6) 预选器（YTF）跟踪(7) 各种失真3.6频谱仪基本使用如图：附：频谱分析仪硬软键功能FREQUENCY频率键：设置频谱

31、分析仪的中心频率或是起始频率和停止频率，中心频率步长与中心频率补偿。AMPLITUDE幅度键：激活幅度软件菜单，用来设置频谱分析仪的参考电平、射频输入衰减、显示器对数刻度和线性工作模式等。SPAN扫频宽度键：设置频谱分析仪的扫频宽度和零视频宽度等。MKR功能键：激活码刻及其相应的软键菜单，完成信号的绝对测量与相对测量。FREQ COUNT功能键：激活频率计算器并在频谱分析仪的CRT上显示结果PEAK SEARCH功能键：置码刻至信号的峰值点并显示相应的软件菜单SWEEP硬键：设置频谱分析仪的扫描时间、连续扫描或单扫描等BW硬键：设置频谱分析仪的分辨带宽和视频带宽TRIG硬键：进入频谱分析仪触发

32、功能的软键菜单AUTO COUPLE硬键：使频谱分析仪进入自动连锁模式菜单TRACE硬键：迹线清除、迹线扫描、迹线最大保持以及迹线运算DISPLAY硬键：进入显示功能的软键菜单PRESET硬键：重新启动频谱分析仪CONFIG硬键：进入频谱分析仪的仪器配置功能菜单CAL硬键：校准键AUX CTRL硬键：进入跟踪信号产生器、内外混频器、解调器和后面板功能的软键菜单COPY硬键：转换频谱分析仪CRT显示数据到GPIB接口连接的打印机或绘图仪MODULE硬键：进入其软键菜单SAVE硬键：储存测量仪器状态和测量迹线RECALL硬键：调用储存在寄存器里的仪器状态和迹线MEAS/USER硬键：测量用户键4.

33、逻辑分析仪的原理4.1数据域分析的概念图1.数据与分析实例l 研究以离散时间或事件为自变量，状态值为因变量的数据流。l 在数据域分析中，往往关心的是各信号相对于阈值是高电平还是低电平及各信号之间的配合在整体上表示的意义，而不关心每条信号线上电压的确切数值。l 在数据域分析中讨论的不再是电压，也往往不是一个信号的电平，而是涉及设备结构的数据格式的状态空间(多个逻辑值的组合)。4.2逻辑分析仪的特点l 有足够多的输入通道l 具有多种灵活的触发方式，确保对被观察的数据流准确定位（对软件而言可以跟踪系统运行中的任意程序段，对硬件而言可以检测并显示系统中存在的毛刺干扰）。l 具有记忆功能，可以观测单次及

34、非周期性数据信息，并可诊断随机性故障。l 具有延迟能力，用以分析故障产生的原因。l 具有限定功能，实现对欲获取的数据进行挑选，并删除无关数据。l 具有多种显示方式，可用字符、助记符、汇编语言显示程序，用二进制、八进制、十进制、十六进制等显示数据，用定时图显示信息之间的时序关系。l 具有驱动时域仪器的能力，以便复显待测信号的真实波形及有利于故障定位l 具有可靠的毛刺检测能力。4.3逻辑分析仪的分类l 按工作特点分类:逻辑状态分析仪(同步采样)定时逻辑分析仪（异步采样）l 按结构特点分类:台式逻辑分析仪便携式逻辑分析仪外接式逻辑分析仪卡式逻辑分析仪4.4逻辑分析仪的组成逻辑分析仪的组成结构如图2所

35、示，它主要包括数据捕获和数据显示两大部分。图2 逻辑分析仪结构由于数字系统的测试一般要观察较长时间范围的信号间逻辑关系或较长的数据流才能进行分析，逻辑分析仪一般采用先进行数据捕获即采集并存储数据，然后进行数据显示并观察分析的方式。因此逻辑分析仪内部结构可划分为两大部分：数据捕获及数据显示。数据捕获部分包括信号输入、采样、数据存储、触发产生和时钟电路等。外部被测信号送到信号输入电路，与门限电平进行比较，通过比较器整形为符合逻辑分析仪内部逻辑电平的信号（如TTL电平信号）。采样电路在采样时钟控制下对信号进行采样，采样获得的数据流送到触发产生电路进行触发识别，根据数据捕获方式，在数据流中搜索特定的数

36、据字（触发字），当搜索到符合条件的触发字时，就产生触发信号。数据存储电路在触发信号的作用下进行相应的数据存储控制，而时钟电路可以选择外时钟或内时钟作为系统的工作时钟。数据捕获完成后，由显示控制电路将存储的数据以适当方式（波形或字符列表等）显示出来，以便对捕获的数据进行观察分析。4.5触发方式触发：由一个事件来控制数据获取，即选择观察窗口的位置。组合触发：当输入数据设定触发字一致时，产生触发脉冲。每一个输入通道都有一个触发字选择设置开关，每个开关有三种触发条件：1、0、x，“1”表示高电平，“0”表示低电平，“x”表示任意值。例如某逻辑分析仪有八个通道，如果触发字设为011001x0，则在八个输

37、入数据通道中出现下面两种组合中的一种时都会产生触发：01100100或01100110。组合触发是逻辑分析仪最基本的触发方式。跟踪：采集并显示数据的一次过程称为一次跟踪。1.基本的触发跟踪方式：u 始端触发（触发起始跟踪） u 终端触发（触发终止跟踪）2.延迟触发：延迟触发是在数据流中搜索到触发字时，并不立即跟踪，而是延迟一定数量的数据后才开始或停止存储数据，它可以改变触发字与数据窗口的相对位置。延迟触发时的跟踪如图3所示，设置不同的延迟数，就可以将窗口灵活定位在数据流中不同的位置。3.序列触发：序列触发的触发条件是多个触发字的序列，它是当数据流中按顺序出现各个触发字时才触发，即顺序在前的触发

38、字必须出现后，后面的触发字才有效。序列触发常用于复杂分支程序的跟踪，图4中所示是一个两级序列触发的工作原理。4.手动触发：手动触发是一种人工强制触发。该方式下，只要设置分析开始，即进行触发并显示数据。它是一种无条件的触发，由于该方式下观察窗口在数据流中的位置是随机的，亦称随机触发。5.限定触发：限定触发是对设置的触发字再加限定条件的触发方式。4.6采样方式逻辑分析仪有两种采样方式，分别是定时采样和状态采样。 大多数逻辑分析仪都包含两种分析功能，定时分析和状态分析。 两种采样方式分别对应着两种分析功能，定时采样用于定时分析、状态采样用于状态分析。l 定时采样定时分析仪使用自己的内部时钟控制数据采

39、样。这种类型的时钟计时会使逻辑分析仪中的数据采样与被测设备中的时钟异步。具体来讲：l 定时分析仪适用于显示信号活动“相当于其他信号”“何时”发生。l 定时分析仪侧重于查看各个信号之间的时序关系，而不是与被测设备中控制执行的信号之间的时序关系。l 这就是为什么定时分析仪可以对与被测设备时钟信号“不同步”或异步的数据进行采样。在定时采集模式下，逻辑分析仪的工作是对输入波形进行采样，从而确定它们是高电平还是低电平。为了确定高低，逻辑分析仪会将输入信号的电压电平与用户定义的电压阈值进行比较。如果采样时信号高于阈值，则分析仪将信号显示为 1 或高。同样，低于阈值的信号将显示为 0 或低。下图阐释了当正弦

40、波跨过阈值电平时逻辑分析仪对其进行采样的情况。图5 定时分析采集原理l 状态采样状态分析仪需要来自被测设备的采样时钟信号。这种类型的时钟计时可使逻辑分析仪中的数据采样与被测设备中的计时事件同步。具体来讲：l 状态分析仪适用于显示“有效时钟或控制信号”期间的信号活动是“什么”。l 状态分析仪侧重于查看指定执行时间内的信号活动，而不是与时序无关的信号活动。l 这就是为什么状态分析仪需要对与被测设备时钟信号“同步化”或同步的数据进行采样。对于微处理器，数据和地址可以出现在相同的信号线上。要采集正确的数据，逻辑分析仪必须对数据采样加以限制，使之只在所需的数据有效并出现在信号线上时进行。为此，它会从相同

41、的信号线上采集数据样本，但使用来自被测设备的不同采样时钟。图7 状态采集原理图8 异步采样与同步采样的区别4.7 显示方式l 列表显示u 数据显示(同步或异步都可)u 程序代码显示(同步分析)l 波形显示u 主要用于定时分析(内时钟)u 也能用于同步分析(外时钟)l 高级原代码显示u 软件调试，软硬件联调 l 直方图显示u 软件调试和优化l 直方图显示各程序模块执行时间的分布情况,调用概率统计分析时间直方图:测量子程序运行占用CPU的时间(找到最大值)地址直方图:调用子程序次数和概率分布l 应用:性能分析与改进性能软件性能分析(例如程序运行速度分析)硬件性能分析(例如I/O传输速度分析)l 图

42、形显示u XY模式5. 使用逻辑分析仪调试时序问题5.1概述在今天的数字世界，嵌入式系统比以往任何时候都更为复杂。使用速度更快、功耗更低的设备和功能更强大的电路，工程师需要考虑信号完整性问题。在调试和验证过程中，大部分数字电路失效可以追溯到信号完整性问题。这里将通过一个经典案例讨论如何使用逻辑分析仪的特性和功能来解决这些和时序相关的问题，以快速、方便地找到设计问题的根源。 如果设备出现故障，要进行系统调试，一种方法是先查找毛刺。毛刺是非常窄的脉冲，毛刺在系统中可能导致、也可能不导致逻辑出错。毛刺对系统运行的影响是无法预测的。毛刺可以是多种设备故障(包括竞争情况、端接错误、驱动器错误、时序违规和

43、串扰)的最初迹象。5.2调试仪器及其简介本次调试中使用的逻辑分析仪为Tektronix TLA系列逻辑分析仪。TLA系列逻辑分析仪提供对数字系统功能进行诊断、验证和优化所需的性能。TLA系列还提供完整的信号完整性诊断工具套件，可快速隔离、识别和检定难检问题，是应对当今数字设计所有诊断挑战的理想工具。 TLA系列逻辑分析仪具有的MagniVu 采集模式在所有通道上有更高的采样分辨率，因此在时基或状态采集模式中可完全避免错过事件。除此之外，其iView 显示功能能在一台显示器上显示时间相关的集成模拟和数字数据，让用户获得完整的系统信息。5.3调试步骤5.31寻找探测点。探测点的考虑在你的设计电路中

44、布置合适的探测点对于后期的调试工作具有至关重要的作用。有了合适的探测点，你可以把不同位置的信号时序问题关联起来，查看总线的运行情况，并分析硬件和软件接口。因此寻找问题根源的第一步就是寻找信号的探测点。5.32挑选探头。探头的特性对于测量非常重要，总电容负载偏高的探头可以改变系统性能并带来（或隐藏）时序问题。尤其在高速系统，偏高的探头电容负载可能导致被测系统(SUT)无法正常运行。因此，尽可能选择较小的总电容负载探头。5.33逻辑分析仪的性能考虑。逻辑分析仪的性能对于系统调试，寻找问题源起了重要作用。而要正确选择逻辑分析仪来满足测试需求，首先需要了解逻辑分析仪的基本功能。逻辑分析仪的最基本的功能

45、是利用采集的数据绘出时序分析图。如果被测系统工作正常，并且逻辑分析仪的采集设置正确，逻辑分析仪的时序显示应该与设计仿真或规格书上的数据完全相同，但在实际情况下，这还与逻辑分析仪的分辨率(即采样率)密切相关。逻辑分析仪的采样时钟与输入信号是异步的，采样率越高，就越可能准确检测到信号的异常事件(如毛刺)。为了分析更快的信号，逻辑分析仪通常提供更高的分辨率采集模式，在触发点周围采集更多的数据。本次案例中使用的是Tektronix TLA系列逻辑分析仪。5.34检查总线。先重点观察系统运行情况，并从整体上寻找故障。逻辑分析仪的总线时序分析将标记出现的所有毛刺。需要寻找间歇性事件(如毛刺)时，最好使用具

46、有较长记录长度的逻辑分析仪。逻辑分析仪在任何一个信号线中监测到毛刺，则会标记总线和时间位置。在图1中，顶部的波形显示了代表逻辑分析仪的深存储定时取样速率的取样点序列。下面两个信号是总线波形4位控制总线和8位地址总线。出现在这两个总线波形中的红色毛刺标记说明在这些位置上的取样点之间有多次跳变。图1 取样点序列，控制总线和地址总线显示红色毛刺标记5.35检查信号线。现在来查找问题的来源。使用逻辑分析仪的时序信号波形显示总线的各个信号线，并标记毛刺发生的位置。在图2中，逻辑分析仪已将控制总线扩展为四个单独的信号，并将地址总线扩展为八个单独的信号。图3中总线波形上的红色毛刺标记，现在显示为信号线Con

47、trol(3)和Control(0)上的毛刺标记，以及信号线Address(0)上的两处毛刺。图2 扩展的4位控制总线和8位地址总线。在单个信号上显示红色毛刺标记5.36了解故障细节。接下来使用高分辨率时序图详细检查故障。了解事件点与其他事件点之间的关系。泰克TLA系列逻辑分析仪的MagniVu功能能在最大16Kb的存储深度下为每个通道提供高达50GHz的数字采样率,并可与普通采样率深记录长度的时序分析功能同时运行。这样，一个逻辑分析仪无须更换探头，同时实现了深度时序逻辑分析仪和高分辨率时序逻辑分析仪两个功能。在本例中，似乎有两个不同的问题导致了毛刺的发生。首先，重点观察Control(3)信号线，并打开Control(3)信号的MagniVu波形