电子测量技术第9章数据域测量

第8章数据域测量以时间或事件出现的次序为自变量，把状态值作为因变量的函数关系，属于数据域范畴。

8.1概述逻辑分析仪是一种主要的通用数据域测试仪器，数据域测试仪器的测试对象是对数字系统中数字系统信号的测试。数字系统信号的主要特征：(1)数字信息几乎都是多位传输的，是按时序传递的，并常伴有竞争和冒险现象发生；(2)数字系统常由硬件和软件构成，其数字信息互相穿插、互相影响、难以区分，许多信息仅发生一次，出现偶然性或单次发生的信息；(3)对造成系统出错的误码常混在一串正确的数据流中，实际上只有在错误已经发生后，才能辨认出来，这样就要求捕捉导致错误结果的那些信息，以便查找出错误的原因；(4)信息速度的变化范围很大。数字系统基本的检测要求：跟踪与分析状态数据流，这是对数字系统进行功能分析所必须的基本测量。跟踪状态流需要利用地址总线，最好同时也能观测数据总线，以便分析总线的全面工作情况。需监视的位数多达20－40位或更多，并且是同步进行的。由于有的总线是复用的，因此要求测量时有选择数据的能力。(2)为监视总线上的数据流，需要设置一个触发字。(3)对于分析异步总线，需要了解各信号状态序列和每个信号在给定状态的持续时间，以便判断系统是否按正确的时序运行。这就要求能分析信号状态之间的时间关系。(4)需要捕捉干扰或毛刺。8.2逻辑分析仪的特点(1)足够多的输入通道；(2)多种触发方式；(3)具有记忆能力；(4)具有负的延迟能力；(5)具有限定能力（鉴别挑选）；(6)灵活而直观的显示方式（功能和图形显示）；(7)具有驱动时域仪器的能力（触发示波器）；(8)可靠的毛刺检测能力；(9)其他特点(与逻辑分析系统配合使用)。8.3逻辑分析仪的分类１.逻辑状态分析仪以“0”、“1”字符或助记符显示被测系统的逻辑状态。特点：用被测系统的时钟来控制记录速度，与被测系统同步工作。２.逻辑定时分析仪用时间图来显示被测信号，显示的是一连串类似方波的伪波形。特点：内部有时钟发生器，在内部时钟控制下记录数据与被测系统异步工作。（内部时钟远高于被测系统时钟、内存大）３.数据域与数据域仪器比较：(1)时域信号是以连续时间为自变量的函数。(2)频域以频率为自变量，功率或能量为因变量的函数关系。(3)数据域以离散的时间或事件出现的次序为自变量，把状态值作为因变量的函数关系。数字字发生器及脉冲发生器作为激励源，响应仪器为逻辑显示器、逻辑分析仪、逻辑比较器等。逻辑分析仪是在示波器的基础上发展起来的。8.4逻辑分析仪的基本工作原理

1.数据捕获部分：用来捕获并存储要观察的数据。

①数据输入电路：将各通道的输入变换成相应的数据流；

②触发产生电路：根据数据捕获方式，在数据流中搜索特定的数据字，当搜索到特定的数据字时，就产生触发信号去控制数据存储器开始存储有效数据或停止存储数据，以便将数据流进行分块。

2.数据显示部分：将存储在存储器中的有效数据以多种方式显示出来，以便对捕获的数据进行分析。

高性能逻辑分析仪在功能上有许多特点，其中最为关键的几部分为高速数据的同步采集与可靠存储，高速多通道数据的多功能触发跟踪，以及系统快速后处理功能的实现，例如数据变换、模拟、统计、识别甚至故障提示与查询等。8.5逻辑分析仪的主要电路１.数据获取控制电路作用：在被测试的数据流中打开一个窗口，把对分析有意义的数据存入存储器中。主要触发方式：①自激触发；②起始显示触发；③起始延迟触发；④终端显示触发；２.图形显示（MAP）电路把已存入RAM中的数据读出并显示在屏幕上。特点（与数据接收相比）：①不根据数据字的要求捕获数据，只要是在暂存器中暂存的数据字，分析仪内部存储器都给以存储和显示器显示。②由于内存有限，当被测数据字大大高于存储容量时，必须采用多次取样方式，以保证存入暂存器的数据都有机会存入存储器(采用随机取样)。３.数据整形和逻辑电平转换电路

被测信号进入逻辑分析仪是按照逻辑类型进行整形和电平转换的，即把任何输入的数据信号转换成二进制形式。为适应检测不同逻辑系列(TTL、CMOS、ECL等)数字系统的需要，门限电平有一个可调范围，一般是－10V～＋10V。用高速电压比较器判断信号的逻辑电平是“1”还是“0”。４.并行数据输入电路分为两类：①采用锁定电路监测输入数据，只要在两次取样之间发现有瞬变状态，锁存器就锁存这个状态。显示时用一个采样周期的宽度展宽显示毛刺。(不足：毛刺与数据一样显示，难以区分；有些毛刺靠锁存方法不能发现)②采用高速逻辑电路，在每个输入通道上装两个毛刺检测器，按采样周期交替工作。只要两个检测器中的任何一个在一次采样周期内发现测试数据有两次瞬变，就在毛刺存储器存储一个位信号，逻辑分析仪显示两个存储器的合成信号。５.限定与触发识别电路为了在很长的数据流中获取唯一的所需要的数据段。识别电路就是多位并行数字比较器。作用：①进行限定判断和识别触发字；②产生受限定的触发信号和写时钟，以实现触发限定和显示限定两种功能。8.6逻辑分析仪的主要工作方式１.数据的采集方式定时分析(异步时钟或内时钟)方式；状态分析(同步时钟或外时钟)方式。2.触发与跟踪方式

含义：由一个数据字、字或事件的序列来控制获取数据，并选择观察系统工作情况的窗口。观察大量数据的方法是，设置特定的观察起点、终点或与被分析数据有一定关系的某一参考点，这个特定的点在数据流中一旦出现，便形成一次触发，相应地把数据存入存储器。这个过程称为触发。由逻辑分析仪收集并在显示屏上显示出来的一组数据称为一次跟踪。实际上，跟踪是被测数据流中的一个观察窗口。(1)基本触发①开始触发：指当识别触发字时，就开始存储有效数据，直到存储器存满为止。②终止触发：指当判定存储器已存满新数据之后，才开始在数据流中搜索触发字。一旦识别触发字，便停止存储数据。(2)延迟触发在数据流中搜索到触发字时，并不立即进行跟踪，而是延迟一定数目的触发字之后，才开始或停止存储有效数据。分为：字延迟；事件延迟。(3)序列触发由多个触发字按预定的次序排列，只有当被观察的程序按同样的顺序先后满足所有触发条件时才能触发，从而进入跟踪状态。３.数据的存储

每个通道能够存储的状态数据总数称为存储深度。根据所采用的存储器的不同，存储方式可分为：(1)移位寄存器存储逻辑分析仪采用移位寄存器存储数据(FIFO)。(2)随机存储器存储使用随机存储器(RAM)作为逻辑分析仪的存储器，每个存储单元由地址计数器进行选址。目前的逻辑分析仪大都采取这种方法存储数据。４.数据显示的区别为了便于对数字系统进行分析，逻辑分析仪有多种显示方式，其中状态表和定时图显示分别是状态分析仪和定时分析仪的基本显示方式。映射图显示可以观察系统运行全貌的动态情况。它用一系列光点表示一个数据流，其主要原理是把逻辑分析仪内存中获取的每一个数据字分成低位和高位两部分，再分别经D/A转换成模拟信号，驱动CRT的x、y偏转板，从而合成显示一个光点。5.数据的建立和保持时间数据建立时间（ts，数据必须比时钟跳变提前建立的时间）和数据保持时间（th，数据必须在时钟跳变后继续保持的时间）是逻辑状态分析仪进行同步检测时所特有的性能指标。

时钟对数据取样(数据通道与时钟通道不一致)：(a)取样现态，(b)取样下态，(c)取样不定态。在(b)、(c)两种情况下，将造成取样数据错误或不稳定的读数，tD为取样时间。由于电路元器件的误差，各元器件的传输延迟时间不同，为了可靠地读取数据，必须使通道的最小延迟时间tDmin

大于或等于时钟通道的最大延迟时间tDmax

，即tDmin>tDmax

。设置延迟网络和暂存器，实现系统运行同步。6.最高工作频率因为定时分析仪的内时钟与输入数据间的时间关系是不确定的，因此数据建立时间和保持时间的概念在定时分析仪中便没有意义，而用最小脉冲宽度（MPW）或最小脉冲持续时间（MPD）来表示能可靠地观测到的最窄脉冲：式中，k是一个规定的常数，f为时钟频率。采样频率取被测系统工作频率的5～10倍。7.影响时间分辨率的因素①由于硬件的延时和负载电容的影响，使信号的跳变时间加长；②由于存在门限电平误差，仪器设置的门限电平不可能与电路实际工作的门限电平完全一致，使得信号在定时分析仪和被测电路中的翻转时间不同，于是产生附加测量误差。8.7逻辑状态分析仪1.基本工作原理和流程图8.7.2主要单元电路的工作原理1.输入电路首先通过输入电路采集数据并输入到仪器内。逻辑分析仪一般有三种输入电路：数据、时钟、限定输入电路。为了能准确地采集数据，要求：①输入电路尽量减小对被测电路的影响。②输入电路能按阈值电平转换成TTL电平。③要求输入电路传输时间短，输入电路原理图间传输延迟差异小。输入电路由输入衰减器、源极跟随器、电压比较器及整形输出电路组成。2.字识别和符合电路输入的数据和时钟经过输入电路进行电平转换、整形和延迟，然后送至缓冲器。同时经整形后的时钟分别送至暂存器、触发识别电路和数据获取电路。经缓冲器输出两个互补信号，一个到识别电路（又称符合电路），另一个到内存的输入端。3.数据获取电路由三部分组成：①形成一个与被测系统时钟同步的恒定脉宽的脉冲HACL。②利用时钟的平均电平来控制时钟及触发指示。③控制存储器的写入与读出。8.8逻辑分析仪的应用例8.8.1显示数据流。对于逻辑状态分析仪，显示数据流是最基本的用途。如果要测试二-十六进制的计数器的状态流，将探极的四个通道接到被测计数器的输出端，不用的通道全部置OFF位(包括甄别通道Q0，Q1)；然后选择触发字，若选0000，触发方式置起始显示，时钟输入用计数器的CP进行同步。在CRT上将显示出二-十六进制的输出状态流，如图7.8.1所示。例8.8.2利用分析仪取出微处理器中的任何程序。逻辑状态分析仪是分析软件和检查程序的最好工具。将探极夹到被测电路中去，通过选择触发字和触发方式，就可以在CRT上显示出程序流的情况，如图7.8.2所示。例8.8.3利用“单次”和“终端显示”触发方式，寻找和分析微处理器中如何达到某一种状态。图8.8.3所示的二-十进制计数器的计数情况不正确，应该在99复位，结果在89就复位了。为什么会在89复位呢？这个原因是状态分析仪无法解决的，但逻辑分析仪有驱动示波器的能力。因此，可重新调整逻辑分析仪，触发方法置起始显示方式，触发字置88，用触发输出来启动示波器，则可发现在复位母线上的状态90处有一个毛刺，如图8.8.4所示。得知是由复位线上产生的这一瞬变过程所致的。这样就寻找出了故障的原因。例8.8.4利用“自激”触发方式来检查电路重复信号。当正常工作时，从CRT上显示的将是0和1的叠加。发生故障时则显示1或0，这样就能清楚地看出工作不正常，然后再仔细寻找故障产生的原因及故障地点。例8.8.5“起始显示”和“起始延迟”的使用。存储器的容量再大，但总是有限的，为了适应测量的要求，可以利用逻辑分析仪的延迟功能来解决。首先将初始触发字设置好，如果要看M个时钟后的数据信号，则触发方式置起始延迟，延迟设定置M，时钟输入用系统的时钟，这样CRT显示的将是经过M个时钟延迟后的16个数据信号。SL4型逻辑分析仪可延迟99999个时钟数。例8.8.6无时钟、无触发指示的应用。无时钟高、低指示，如果在大于0.1s的时间里没有时钟脉冲，则“无时钟指示灯”就亮了，告诉测量者时钟工作不正常。由于时钟输入是与阈值电平进行比较的，高于阈值电平或低于阈值电平，或者在阈值电平±0.2V之内都能给予指示，这样就成为一支逻辑笔。而无触发指示，是表示触发不符合时的标志，不论是触发条件设错，还是没有这个数据，在操作面板上的“无触发指示灯”就亮起来。例8.8