電子測量技術第9章數據域測量

第8章數據域測量以時間或事件出現的次序為自變量，把狀態值作為因變量的函數關系，屬于數據域范疇。

8.1概述邏輯分析儀是一種主要的通用數據域測試儀器，數據域測試儀器的測試對象是對數字系統中數字系統信號的測試。數字系統信號的主要特征：(1)數字信息幾乎都是多位傳輸的，是按時序傳遞的，并常伴有競爭和冒險現象發生；(2)數字系統常由硬件和軟件構成，其數字信息互相穿插、互相影響、難以區分，許多信息僅發生一次，出現偶然性或單次發生的信息；(3)對造成系統出錯的誤碼常混在一串正確的數據流中，實際上只有在錯誤已經發生后，才能辨認出來，這樣就要求捕捉導致錯誤結果的那些信息，以便查找出錯誤的原因；(4)信息速度的變化范圍很大。數字系統基本的檢測要求：跟蹤與分析狀態數據流，這是對數字系統進行功能分析所必須的基本測量。跟蹤狀態流需要利用地址總線，最好同時也能觀測數據總線，以便分析總線的全面工作情況。需監視的位數多達20－40位或更多，并且是同步進行的。由于有的總線是復用的，因此要求測量時有選擇數據的能力。(2)為監視總線上的數據流，需要設置一個觸發字。(3)對于分析異步總線，需要了解各信號狀態序列和每個信號在給定狀態的持續時間，以便判斷系統是否按正確的時序運行。這就要求能分析信號狀態之間的時間關系。(4)需要捕捉干擾或毛刺。8.2邏輯分析儀的特點(1)足夠多的輸入通道；(2)多種觸發方式；(3)具有記憶能力；(4)具有負的延遲能力；(5)具有限定能力（鑒別挑選）；(6)靈活而直觀的顯示方式（功能和圖形顯示）；(7)具有驅動時域儀器的能力（觸發示波器）；(8)可靠的毛刺檢測能力；(9)其他特點(與邏輯分析系統配合使用)。8.3邏輯分析儀的分類１.邏輯狀態分析儀以“0”、“1”字符或助記符顯示被測系統的邏輯狀態。特點：用被測系統的時鐘來控制記錄速度，與被測系統同步工作。２.邏輯定時分析儀用時間圖來顯示被測信號，顯示的是一連串類似方波的偽波形。特點：內部有時鐘發生器，在內部時鐘控制下記錄數據與被測系統異步工作。（內部時鐘遠高于被測系統時鐘、內存大）３.數據域與數據域儀器比較：(1)時域信號是以連續時間為自變量的函數。(2)頻域以頻率為自變量，功率或能量為因變量的函數關系。(3)數據域以離散的時間或事件出現的次序為自變量，把狀態值作為因變量的函數關系。數字字發生器及脈沖發生器作為激勵源，響應儀器為邏輯顯示器、邏輯分析儀、邏輯比較器等。邏輯分析儀是在示波器的基礎上發展起來的。8.4邏輯分析儀的基本工作原理

1.數據捕獲部分：用來捕獲并存儲要觀察的數據。

①數據輸入電路：將各通道的輸入變換成相應的數據流；

②觸發產生電路：根據數據捕獲方式，在數據流中搜索特定的數據字，當搜索到特定的數據字時，就產生觸發信號去控制數據存儲器開始存儲有效數據或停止存儲數據，以便將數據流進行分塊。

2.數據顯示部分：將存儲在存儲器中的有效數據以多種方式顯示出來，以便對捕獲的數據進行分析。

高性能邏輯分析儀在功能上有許多特點，其中最為關鍵的幾部分為高速數據的同步采集與可靠存儲，高速多通道數據的多功能觸發跟蹤，以及系統快速后處理功能的實現，例如數據變換、模擬、統計、識別甚至故障提示與查詢等。8.5邏輯分析儀的主要電路１.數據獲取控制電路作用：在被測試的數據流中打開一個窗口，把對分析有意義的數據存入存儲器中。主要觸發方式：①自激觸發；②起始顯示觸發；③起始延遲觸發；④終端顯示觸發；２.圖形顯示（MAP）電路把已存入RAM中的數據讀出并顯示在屏幕上。特點（與數據接收相比）：①不根據數據字的要求捕獲數據，只要是在暫存器中暫存的數據字，分析儀內部存儲器都給以存儲和顯示器顯示。②由于內存有限，當被測數據字大大高于存儲容量時，必須采用多次取樣方式，以保證存入暫存器的數據都有機會存入存儲器(采用隨機取樣)。３.數據整形和邏輯電平轉換電路

被測信號進入邏輯分析儀是按照邏輯類型進行整形和電平轉換的，即把任何輸入的數據信號轉換成二進制形式。為適應檢測不同邏輯系列(TTL、CMOS、ECL等)數字系統的需要，門限電平有一個可調范圍，一般是－10V～＋10V。用高速電壓比較器判斷信號的邏輯電平是“1”還是“0”。４.并行數據輸入電路分為兩類：①采用鎖定電路監測輸入數據，只要在兩次取樣之間發現有瞬變狀態，鎖存器就鎖存這個狀態。顯示時用一個采樣周期的寬度展寬顯示毛刺。(不足：毛刺與數據一樣顯示，難以區分；有些毛刺靠鎖存方法不能發現)②采用高速邏輯電路，在每個輸入通道上裝兩個毛刺檢測器，按采樣周期交替工作。只要兩個檢測器中的任何一個在一次采樣周期內發現測試數據有兩次瞬變，就在毛刺存儲器存儲一個位信號，邏輯分析儀顯示兩個存儲器的合成信號。５.限定與觸發識別電路為了在很長的數據流中獲取唯一的所需要的數據段。識別電路就是多位并行數字比較器。作用：①進行限定判斷和識別觸發字；②產生受限定的觸發信號和寫時鐘，以實現觸發限定和顯示限定兩種功能。8.6邏輯分析儀的主要工作方式１.數據的采集方式定時分析(異步時鐘或內時鐘)方式；狀態分析(同步時鐘或外時鐘)方式。2.觸發與跟蹤方式

含義：由一個數據字、字或事件的序列來控制獲取數據，并選擇觀察系統工作情況的窗口。觀察大量數據的方法是，設置特定的觀察起點、終點或與被分析數據有一定關系的某一參考點，這個特定的點在數據流中一旦出現，便形成一次觸發，相應地把數據存入存儲器。這個過程稱為觸發。由邏輯分析儀收集并在顯示屏上顯示出來的一組數據稱為一次跟蹤。實際上，跟蹤是被測數據流中的一個觀察窗口。(1)基本觸發①開始觸發：指當識別觸發字時，就開始存儲有效數據，直到存儲器存滿為止。②終止觸發：指當判定存儲器已存滿新數據之后，才開始在數據流中搜索觸發字。一旦識別觸發字，便停止存儲數據。(2)延遲觸發在數據流中搜索到觸發字時，并不立即進行跟蹤，而是延遲一定數目的觸發字之后，才開始或停止存儲有效數據。分為：字延遲；事件延遲。(3)序列觸發由多個觸發字按預定的次序排列，只有當被觀察的程序按同樣的順序先后滿足所有觸發條件時才能觸發，從而進入跟蹤狀態。３.數據的存儲

每個通道能夠存儲的狀態數據總數稱為存儲深度。根據所采用的存儲器的不同，存儲方式可分為：(1)移位寄存器存儲邏輯分析儀采用移位寄存器存儲數據(FIFO)。(2)隨機存儲器存儲使用隨機存儲器(RAM)作為邏輯分析儀的存儲器，每個存儲單元由地址計數器進行選址。目前的邏輯分析儀大都采取這種方法存儲數據。４.數據顯示的區別為了便于對數字系統進行分析，邏輯分析儀有多種顯示方式，其中狀態表和定時圖顯示分別是狀態分析儀和定時分析儀的基本顯示方式。映射圖顯示可以觀察系統運行全貌的動態情況。它用一系列光點表示一個數據流，其主要原理是把邏輯分析儀內存中獲取的每一個數據字分成低位和高位兩部分，再分別經D/A轉換成模擬信號，驅動CRT的x、y偏轉板，從而合成顯示一個光點。5.數據的建立和保持時間數據建立時間（ts，數據必須比時鐘跳變提前建立的時間）和數據保持時間（th，數據必須在時鐘跳變后繼續保持的時間）是邏輯狀態分析儀進行同步檢測時所特有的性能指標。

時鐘對數據取樣(數據通道與時鐘通道不一致)：(a)取樣現態，(b)取樣下態，(c)取樣不定態。在(b)、(c)兩種情況下，將造成取樣數據錯誤或不穩定的讀數，tD為取樣時間。由于電路元器件的誤差，各元器件的傳輸延遲時間不同，為了可靠地讀取數據，必須使通道的最小延遲時間tDmin

大于或等于時鐘通道的最大延遲時間tDmax

，即tDmin>tDmax

。設置延遲網絡和暫存器，實現系統運行同步。6.最高工作頻率因為定時分析儀的內時鐘與輸入數據間的時間關系是不確定的，因此數據建立時間和保持時間的概念在定時分析儀中便沒有意義，而用最小脈沖寬度（MPW）或最小脈沖持續時間（MPD）來表示能可靠地觀測到的最窄脈沖：式中，k是一個規定的常數，f為時鐘頻率。采樣頻率取被測系統工作頻率的5～10倍。7.影響時間分辨率的因素①由于硬件的延時和負載電容的影響，使信號的跳變時間加長；②由于存在門限電平誤差，儀器設置的門限電平不可能與電路實際工作的門限電平完全一致，使得信號在定時分析儀和被測電路中的翻轉時間不同，于是產生附加測量誤差。8.7邏輯狀態分析儀1.基本工作原理和流程圖8.7.2主要單元電路的工作原理1.輸入電路首先通過輸入電路采集數據并輸入到儀器內。邏輯分析儀一般有三種輸入電路：數據、時鐘、限定輸入電路。為了能準確地采集數據，要求：①輸入電路盡量減小對被測電路的影響。②輸入電路能按閾值電平轉換成TTL電平。③要求輸入電路傳輸時間短，輸入電路原理圖間傳輸延遲差異小。輸入電路由輸入衰減器、源極跟隨器、電壓比較器及整形輸出電路組成。2.字識別和符合電路輸入的數據和時鐘經過輸入電路進行電平轉換、整形和延遲，然后送至緩沖器。同時經整形后的時鐘分別送至暫存器、觸發識別電路和數據獲取電路。經緩沖器輸出兩個互補信號，一個到識別電路（又稱符合電路），另一個到內存的輸入端。3.數據獲取電路由三部分組成：①形成一個與被測系統時鐘同步的恒定脈寬的脈沖HACL。②利用時鐘的平均電平來控制時鐘及觸發指示。③控制存儲器的寫入與讀出。8.8邏輯分析儀的應用例8.8.1顯示數據流。對于邏輯狀態分析儀，顯示數據流是最基本的用途。如果要測試二-十六進制的計數器的狀態流，將探極的四個通道接到被測計數器的輸出端，不用的通道全部置OFF位(包括甄別通道Q0，Q1)；然后選擇觸發字，若選0000，觸發方式置起始顯示，時鐘輸入用計數器的CP進行同步。在CRT上將顯示出二-十六進制的輸出狀態流，如圖7.8.1所示。例8.8.2利用分析儀取出微處理器中的任何程序。邏輯狀態分析儀是分析軟件和檢查程序的最好工具。將探極夾到被測電路中去，通過選擇觸發字和觸發方式，就可以在CRT上顯示出程序流的情況，如圖7.8.2所示。例8.8.3利用“單次”和“終端顯示”觸發方式，尋找和分析微處理器中如何達到某一種狀態。圖8.8.3所示的二-十進制計數器的計數情況不正確，應該在99復位，結果在89就復位了。為什么會在89復位呢？這個原因是狀態分析儀無法解決的，但邏輯分析儀有驅動示波器的能力。因此，可重新調整邏輯分析儀，觸發方法置起始顯示方式，觸發字置88，用觸發輸出來啟動示波器，則可發現在復位母線上的狀態90處有一個毛刺，如圖8.8.4所示。得知是由復位線上產生的這一瞬變過程所致的。這樣就尋找出了故障的原因。例8.8.4利用“自激”觸發方式來檢查電路重復信號。當正常工作時，從CRT上顯示的將是0和1的疊加。發生故障時則顯示1或0，這樣就能清楚地看出工作不正常，然后再仔細尋找故障產生的原因及故障地點。例8.8.5“起始顯示”和“起始延遲”的使用。存儲器的容量再大，但總是有限的，為了適應測量的要求，可以利用邏輯分析儀的延遲功能來解決。首先將初始觸發字設置好，如果要看M個時鐘后的數據信號，則觸發方式置起始延遲，延遲設定置M，時鐘輸入用系統的時鐘，這樣CRT顯示的將是經過M個時鐘延遲后的16個數據信號。SL4型邏輯分析儀可延遲99999個時鐘數。例8.8.6無時鐘、無觸發指示的應用。無時鐘高、低指示，如果在大于0.1s的時間里沒有時鐘脈沖，則“無時鐘指示燈”就亮了，告訴測量者時鐘工作不正常。由于時鐘輸入是與閾值電平進行比較的，高于閾值電平或低于閾值電平，或者在閾值電平±0.2V之內都能給予指示，這樣就成為一支邏輯筆。而無觸發指示，是表示觸發不符合時的標志，不論是觸發條件設錯，還是沒有這個數據，在操作面板上的“無觸發指示燈”就亮起來。例8.8