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測試難題一網打盡 邏輯分析儀不可或缺
針對多接腳裝置而生

【作者: 王岫晨】   2019年07月17日 星期三

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像許多電子測試與量測工具一樣,邏輯分析儀為特定類型問題提供了一套解決方案。邏輯分析儀是一套多用途的工具,可協助工程師進行數位硬體除錯、設計驗證和嵌入式軟體除錯,是設計數位電路的工程師不可或缺的工具。邏輯分析儀可用於數位量測,包括各種訊號或困難的觸發需求。



圖一 : 邏輯分析儀可協助工程師進行數位硬體除錯、設計驗證和嵌入式軟體除錯,並可用於數位量測,包括各種訊號觸發,是設計數位電路不可或缺的工具。觸發功能則是邏輯分析儀與示波器最大的不同之處。
圖一 : 邏輯分析儀可協助工程師進行數位硬體除錯、設計驗證和嵌入式軟體除錯,並可用於數位量測,包括各種訊號觸發,是設計數位電路不可或缺的工具。觸發功能則是邏輯分析儀與示波器最大的不同之處。

邏輯分析儀是針對擷取多接腳裝置及匯流排資料所設計的。「擷取率」係指對輸入訊號進行取樣的頻率,這與示波器中時基的功能相同。有兩種資料擷取或時脈模式:


時序擷取

捕捉訊號時序資訊。在這種模式中,邏輯分析儀內部的時脈會拿來當作取樣資料,亦即資料取樣愈快,所測量的解析度就愈高。由於目標裝置與邏輯分析儀所取得的資料之間沒有固定的時序關係,因此這種擷取模式主要用於SUT待測訊號間的時序關係是主要的觀察重點時。


狀態擷取

可用於擷取SUT的「狀態」。SUT的訊號定義了取樣點(擷取資訊的時間及頻率)。用來當作擷取時脈的訊號可能是系統時脈、匯流排上的控制訊號,或造成SUT改變狀態的訊號。在有效邊緣取樣資料,並於邏輯訊號穩定時,顯示出SUT的情況。邏輯分析儀僅會在所選訊號為有效值時開始取樣。


至於如何決定要使用哪種擷取類型?想要檢視資料的方法!如果想要捕捉長時、連續的時序細節記錄,選用時序擷取、內部(或非同步)時脈準沒錯。另一種情況是,想要擷取SUT所看到的實際資料。在這種情況下,可以選擇狀態(同步)擷取。透過狀態擷取,每個SUT的連續狀態都會循序地顯示在「清單」視窗中。用於狀態擷取的外部時脈訊號則可能是其他相關的訊號。


設定觸發

觸發功能是一項邏輯分析儀與示波器不同的功能。示波器有觸發器,但是這些觸發器僅有相當有限的功能,只能在二位元條件下響應;而邏輯分析儀則可評估多種邏輯條件,以決定何時要進行觸發。觸發的目的是為了選擇邏輯分析儀要擷取那種資料,邏輯分析儀可以追蹤待測系統的邏輯狀態,並在SUT發生使用者定義的事件時啟動觸發器。


討論邏輯分析儀時,很重要的是必須瞭解「事件」一詞。這個詞彙有許多意義,可以是有意或無意出現在單一訊號線路中的簡單轉態。如果使用者正在尋找突波,則這可能是感興趣的「事件」。一個事件可能是特定訊號發生的時刻。或者,一個事件也可以是定義的邏輯情況,可能來自整個匯流排的訊號轉態組合。必須注意在所有情況下,事件就是指從這個週期到下個週期期間,訊號發生變化時所出現的狀態。


有許多情況都可以用來觸發邏輯分析儀。例如,邏輯分析儀可以辨識出匯流排或計數器輸出的特定二位元。其他觸發選擇包括:


● 字元:以二進位、十六進位等定義的特定邏輯碼型。


● 範圍:事件所發生的低及高值。


● 計數器:使用者編程的事件數,可由計數器來追蹤。


● 訊號:外部訊號(例如系統重設)


● 突波:擷取期間所出現的脈衝


● 計時器:兩個事件之間的時間距離,或單一事件的發生期間,可由計時器追蹤。


● 類比:利用示波器觸發類比特性或交互觸發邏輯分析儀


當所有這些觸發器條件出現時,則可能利用廣泛的搜尋狀態失效的功能向下追蹤系統錯誤,然後利用逐漸明顯的觸發條件,進一步改善搜尋結果。


擷取狀態和時序資料

在硬體與軟體除錯(系統整合)期間,如能找出狀態及時序資訊的關聯性,將會非常有幫助。一開始被偵測為是匯流排上無效狀態的問題,有可能是因為設定/違反時間保持所造成的。如果邏輯分析儀無法同時取得時序及狀態資料,則問題的辨認將會變得很困難,並很耗時。


某些邏輯分析儀要求連接個別的時序探棒,以擷取時序資訊,並使用個別的擷取硬體。這些儀器會要求將兩種探棒同時連接至待測系統。一組探棒將SUT連接至時序模組,另一組探棒則由相同的測試點連接至狀態模組,稱之為「雙探測」,這是一種向訊號阻抗環境妥協的安排。


同時使用兩組探棒會降低訊號的負載,並使SUT的上升與下降時間、振幅、雜訊效能降級。在實際量測中,可能會連接四組、八組或更多連接多導體的纜線。


簡化連結

最好的方式,是透過相同的探棒同時擷取時序及狀態資料。一組接線、一次設定、一次擷取,同時提供時序及狀態資料。這可以簡化探棒的機械連接,並減少問題。有了同步時序及狀態擷取功能,邏輯分析儀便可擷取所有支援時序及狀態分析所需的資訊。不需採取下個步驟,因此,可以降低雙探棒方法中所可能發生之錯誤及機械故障的機會。單一探棒對電路的影響較低,可以確保更準確的量測,並對電路運作有較少的干擾。時序解析度愈高,設計上可見到、可觸發的細節就愈多,這可增加找出問題的機會。



圖二 : 「雙探測」需要在每個測試點使用兩組探棒,因而降低了量測品質。可透過同一組探棒的狀態與時序擷取功能進行同步探測,以提供一個較簡單、較乾淨的量測環境。~The End
圖二 : 「雙探測」需要在每個測試點使用兩組探棒,因而降低了量測品質。可透過同一組探棒的狀態與時序擷取功能進行同步探測,以提供一個較簡單、較乾淨的量測環境。~The End

時脈模式設定秘訣


以下為設定邏輯分析儀擷取資料須遵守的一些通則:


時序(非同步)擷取:取樣時脈率扮演決定擷取解析度的重要角色。任何量測的時序準確度會是一個取樣週期加上其他製造商所指定的錯誤。例如,當取樣時脈率為2ns時,每2ns就會將新取樣資料存到擷取記憶體中。在取樣時脈後所改變的資料不會被擷取,直到下一個取樣時脈為止,這是因為在這2ns期間資料發生變化的準確時間是未知的,所以淨解析度為2ns。


狀態(同步)擷取:當擷取狀態資訊時,邏輯分析儀就像所有同步裝置一樣,必須在取樣時脈輸入前後出現穩定的資料,才能確保擷取到正確的資料。


解決方案

羅德史瓦茲RTB2000/RTM3000/RTA4000數位示波器


圖三 : 羅德史瓦茲RTB2000數位示波器
圖三 : 羅德史瓦茲RTB2000數位示波器圖片來源:rohde-schwarz.com

台灣羅德史瓦茲:「這是物超所值的數位示波器!」


R&S RTB2000/RTM3000/RTA4000 此三款是R&S新一代示波器系列,以「Power of Ten」10位元垂直解析度、10.1吋顯示螢幕、10倍數的擷取記憶體等為設計概念。頻寬選擇從70MHz到1GHz ,提供靈活的選擇;同時亦提供多種升級選項,包括16個數位通道的整合邏輯分析儀(MSO) 、多種協議解碼和觸發選項、任意波形及訊號產生器。R&S RTC1000 除了示波器標準功能外,更整合了數位電表、元件測試儀、函數產生器等多種功能;精簡的機構設計同時擁有九種功能於一體,讓使用者在占用最少空間的情況下進行各種測試,是一款物超所值的數位示波器。


太克科技TLA7000邏輯分析儀


圖四 : 太克科技TLA7000邏輯分析儀
圖四 : 太克科技TLA7000邏輯分析儀圖片來源:tektronix.com

太克科技:「我們的儀器擁有業界最快的擷取速度!」


使用太克的邏輯分析儀,工程師可以透過業界的最高擷取速度來擷取快速邊緣。依指定應用程式來調整的支援套件,可更輕鬆地使用探棒、擷取、解碼、分析及確認微處理器、FPGA或記憶體設計的效能。


經濟型的TLA6400系列邏輯分析儀提供偵錯、驗證和最佳化數位系統功能所需效能。使用完整的訊號完整性偵錯工具組合,可快速隔離、找出及辨識捉摸不定和難以找到的問題。至於模組式TLA7000系列邏輯分析儀,則提供擷取最快速微處理器和記憶體設計上,邏輯詳細資訊所需的速度和彈性。透過相同的探棒找出捉摸不定錯誤的來源並使用易於閱讀的大型顯示器、快速資料輸送量以及類比和數位訊號時序關聯的檢視,來掌握所有可視性。


是德科技邏輯分析儀


圖五 : 是德科技邏輯分析儀
圖五 : 是德科技邏輯分析儀圖片來源:keysight.com

是德科技:「這一系列邏輯分析儀可滿足最嚴格的數位除錯需求。」


是德科技邏輯分析儀提供最準確可靠的量測結果,讓您能清楚觀察系統特性,以大幅減輕開發專案的風險。


● U41XX系列模組化邏輯分析儀(安裝在AXIe機箱中)具備高達4Gb/s的狀態擷取速率、136 個通道/模組和高達200M的記憶體深度,提供同類產品中最高的效能和最佳的長期價值


● 16860系列可攜式邏輯分析儀提供業界最快的時序分析功能與深度記憶體,可快速對數位系統進行除錯。充分利用 2.5 GHz 時序擷取和高達 128 M 的取樣記憶體;高達 1.4 GHz 的觸發定序器(可進行狀態和時序擷取);單端和差動探量選項


● 16900系列模組化邏輯分析儀能夠靈活地配置系統。使用者可以先購買目前需要的功能與● 16800系列可攜式邏輯分析儀以經濟實惠的價格,提供結合高效能邏輯分析儀和碼型產生器於一機的固定配置機型。您可在採購產品時或是將來需求增加後,將狀態速率和記憶體深度升級


NI PXI架構邏輯分析器/數位波型產生器


圖六 : NI PXI架構儀器
圖六 : NI PXI架構儀器圖片來源:ni.com

國家儀器:「我們的儀器提供彈性強大的軟硬體功能!」


NI邏輯分析器與數位波形產生器組合,可針對數位IC與電子的設計、測試、除錯作業,滿足相關的分析與產生需求。此組合並具備 NI LabVIEW SignalExpress 互動式軟體,不需程式設計即可建立應用;另包含NI 6542或NI 6552數位波型產生器/分析器。


且多種組合均提供PCI、PXI,或PXIe規格。NI 6542組合具備32個通道,且可相容於5.0V、3.3V、2.5V,與1.8V邏輯,可從電路或系統中驅動輸入或擷取輸出。若需要彈性的電壓準位(以10mV為調整間隔,-2.0 V ~ 5.5 V);針對激發響應應用,於各個週期控制通道方向;並以低負載被動探測電路的功能,均可使用 NI 6552 組合。這些組合提供彈性且強大的軟硬體功能,可讓工程師透過短版儀器,進行複雜的波型產生、時脈/狀態行為分析,與報表產生作業。


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