電子測量技術(shù)第9章數(shù)據(jù)域測量

第8章數(shù)據(jù)域測量以時間或事件出現(xiàn)的次序為自變量，把狀態(tài)值作為因變量的函數(shù)關(guān)系，屬于數(shù)據(jù)域范疇。

8.1概述邏輯分析儀是一種主要的通用數(shù)據(jù)域測試儀器，數(shù)據(jù)域測試儀器的測試對象是對數(shù)字系統(tǒng)中數(shù)字系統(tǒng)信號的測試。數(shù)字系統(tǒng)信號的主要特征：(1)數(shù)字信息幾乎都是多位傳輸?shù)模前磿r序傳遞的，并常伴有競爭和冒險現(xiàn)象發(fā)生；(2)數(shù)字系統(tǒng)常由硬件和軟件構(gòu)成，其數(shù)字信息互相穿插、互相影響、難以區(qū)分，許多信息僅發(fā)生一次，出現(xiàn)偶然性或單次發(fā)生的信息；(3)對造成系統(tǒng)出錯的誤碼常混在一串正確的數(shù)據(jù)流中，實際上只有在錯誤已經(jīng)發(fā)生后，才能辨認出來，這樣就要求捕捉導致錯誤結(jié)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(shù)字系統(tǒng)基本的檢測要求：跟蹤與分析狀態(tài)數(shù)據(jù)流，這是對數(shù)字系統(tǒng)進行功能分析所必須的基本測量。跟蹤狀態(tài)流需要利用地址總線，最好同時也能觀測數(shù)據(jù)總線，以便分析總線的全面工作情況。需監(jiān)視的位數(shù)多達20－40位或更多，并且是同步進行的。由于有的總線是復(fù)用的，因此要求測量時有選擇數(shù)據(jù)的能力。(2)為監(jiān)視總線上的數(shù)據(jù)流，需要設(shè)置一個觸發(fā)字。(3)對于分析異步總線，需要了解各信號狀態(tài)序列和每個信號在給定狀態(tài)的持續(xù)時間，以便判斷系統(tǒng)是否按正確的時序運行。這就要求能分析信號狀態(tài)之間的時間關(guān)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(fā)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(qū)動時域儀器的能力（觸發(fā)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(tǒng)配合使用)。8.3邏輯分析儀的分類１.邏輯狀態(tài)分析儀以“0”、“1”字符或助記符顯示被測系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)。特點：用被測系統(tǒng)的時鐘來控制記錄速度，與被測系統(tǒng)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(nèi)部有時鐘發(fā)生器，在內(nèi)部時鐘控制下記錄數(shù)據(jù)與被測系統(tǒng)異步工作。（內(nèi)部時鐘遠高于被測系統(tǒng)時鐘、內(nèi)存大）３.數(shù)據(jù)域與數(shù)據(jù)域儀器比較：(1)時域信號是以連續(xù)時間為自變量的函數(shù)。(2)頻域以頻率為自變量，功率或能量為因變量的函數(shù)關(guān)系。(3)數(shù)據(jù)域以離散的時間或事件出現(xiàn)的次序為自變量，把狀態(tài)值作為因變量的函數(shù)關(guān)系。數(shù)字字發(fā)生器及脈沖發(fā)生器作為激勵源，響應(yīng)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(chǔ)上發(fā)展起來的。8.4邏輯分析儀的基本工作原理

1.數(shù)據(jù)捕獲部分：用來捕獲并存儲要觀察的數(shù)據(jù)。

①數(shù)據(jù)輸入電路：將各通道的輸入變換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)流；

②觸發(fā)產(chǎn)生電路：根據(jù)數(shù)據(jù)捕獲方式，在數(shù)據(jù)流中搜索特定的數(shù)據(jù)字，當搜索到特定的數(shù)據(jù)字時，就產(chǎn)生觸發(fā)信號去控制數(shù)據(jù)存儲器開始存儲有效數(shù)據(jù)或停止存儲數(shù)據(jù)，以便將數(shù)據(jù)流進行分塊。

2.數(shù)據(jù)顯示部分：將存儲在存儲器中的有效數(shù)據(jù)以多種方式顯示出來，以便對捕獲的數(shù)據(jù)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(guān)鍵的幾部分為高速數(shù)據(jù)的同步采集與可靠存儲，高速多通道數(shù)據(jù)的多功能觸發(fā)跟蹤，以及系統(tǒng)快速后處理功能的實現(xiàn)，例如數(shù)據(jù)變換、模擬、統(tǒng)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(shù)據(jù)獲取控制電路作用：在被測試的數(shù)據(jù)流中打開一個窗口，把對分析有意義的數(shù)據(jù)存入存儲器中。主要觸發(fā)方式：①自激觸發(fā)；②起始顯示觸發(fā)；③起始延遲觸發(fā)；④終端顯示觸發(fā)；２.圖形顯示（MAP）電路把已存入RAM中的數(shù)據(jù)讀出并顯示在屏幕上。特點（與數(shù)據(jù)接收相比）：①不根據(jù)數(shù)據(jù)字的要求捕獲數(shù)據(jù)，只要是在暫存器中暫存的數(shù)據(jù)字，分析儀內(nèi)部存儲器都給以存儲和顯示器顯示。②由于內(nèi)存有限，當被測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)都有機會存入存儲器(采用隨機取樣)。３.數(shù)據(jù)整形和邏輯電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的，即把任何輸入的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成二進制形式。為適應(yīng)檢測不同邏輯系列(TTL、CMOS、ECL等)數(shù)字系統(tǒng)的需要，門限電平有一個可調(diào)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(shù)據(jù)輸入電路分為兩類：①采用鎖定電路監(jiān)測輸入數(shù)據(jù)，只要在兩次取樣之間發(fā)現(xiàn)有瞬變狀態(tài)，鎖存器就鎖存這個狀態(tài)。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(shù)據(jù)一樣顯示，難以區(qū)分；有些毛刺靠鎖存方法不能發(fā)現(xiàn))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(nèi)發(fā)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)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(fā)識別電路為了在很長的數(shù)據(jù)流中獲取唯一的所需要的數(shù)據(jù)段。識別電路就是多位并行數(shù)字比較器。作用：①進行限定判斷和識別觸發(fā)字；②產(chǎn)生受限定的觸發(fā)信號和寫時鐘，以實現(xiàn)觸發(fā)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(shù)據(jù)的采集方式定時分析(異步時鐘或內(nèi)時鐘)方式；狀態(tài)分析(同步時鐘或外時鐘)方式。2.觸發(fā)與跟蹤方式

含義：由一個數(shù)據(jù)字、字或事件的序列來控制獲取數(shù)據(jù)，并選擇觀察系統(tǒng)工作情況的窗口。觀察大量數(shù)據(jù)的方法是，設(shè)置特定的觀察起點、終點或與被分析數(shù)據(jù)有一定關(guān)系的某一參考點，這個特定的點在數(shù)據(jù)流中一旦出現(xiàn)，便形成一次觸發(fā)，相應(yīng)地把數(shù)據(jù)存入存儲器。這個過程稱為觸發(fā)。由邏輯分析儀收集并在顯示屏上顯示出來的一組數(shù)據(jù)稱為一次跟蹤。實際上，跟蹤是被測數(shù)據(jù)流中的一個觀察窗口。(1)基本觸發(fā)①開始觸發(fā)：指當識別觸發(fā)字時，就開始存儲有效數(shù)據(jù)，直到存儲器存滿為止。②終止觸發(fā)：指當判定存儲器已存滿新數(shù)據(jù)之后，才開始在數(shù)據(jù)流中搜索觸發(fā)字。一旦識別觸發(fā)字，便停止存儲數(shù)據(jù)。(2)延遲觸發(fā)在數(shù)據(jù)流中搜索到觸發(fā)字時，并不立即進行跟蹤，而是延遲一定數(shù)目的觸發(fā)字之后，才開始或停止存儲有效數(shù)據(jù)。分為：字延遲；事件延遲。(3)序列觸發(fā)由多個觸發(fā)字按預(yù)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(fā)條件時才能觸發(fā)，從而進入跟蹤狀態(tài)。３.數(shù)據(jù)的存儲

每個通道能夠存儲的狀態(tài)數(shù)據(jù)總數(shù)稱為存儲深度。根據(jù)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(shù)據(jù)(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(shù)器進行選址。目前的邏輯分析儀大都采取這種方法存儲數(shù)據(jù)。４.數(shù)據(jù)顯示的區(qū)別為了便于對數(shù)字系統(tǒng)進行分析，邏輯分析儀有多種顯示方式，其中狀態(tài)表和定時圖顯示分別是狀態(tài)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(tǒng)運行全貌的動態(tài)情況。它用一系列光點表示一個數(shù)據(jù)流，其主要原理是把邏輯分析儀內(nèi)存中獲取的每一個數(shù)據(jù)字分成低位和高位兩部分，再分別經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號，驅(qū)動CRT的x、y偏轉(zhuǎn)板，從而合成顯示一個光點。5.數(shù)據(jù)的建立和保持時間數(shù)據(jù)建立時間（ts，數(shù)據(jù)必須比時鐘跳變提前建立的時間）和數(shù)據(jù)保持時間（th，數(shù)據(jù)必須在時鐘跳變后繼續(xù)保持的時間）是邏輯狀態(tài)分析儀進行同步檢測時所特有的性能指標。

時鐘對數(shù)據(jù)取樣(數(shù)據(jù)通道與時鐘通道不一致)：(a)取樣現(xiàn)態(tài)，(b)取樣下態(tài)，(c)取樣不定態(tài)。在(b)、(c)兩種情況下，將造成取樣數(shù)據(jù)錯誤或不穩(wěn)定的讀數(shù)，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(shù)據(jù)，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(shè)置延遲網(wǎng)絡(luò)和暫存器，實現(xiàn)系統(tǒng)運行同步。6.最高工作頻率因為定時分析儀的內(nèi)時鐘與輸入數(shù)據(jù)間的時間關(guān)系是不確定的，因此數(shù)據(jù)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(xù)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(guī)定的常數(shù)，f為時鐘頻率。采樣頻率取被測系統(tǒng)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(shè)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(zhuǎn)時間不同，于是產(chǎn)生附加測量誤差。8.7邏輯狀態(tài)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(shù)據(jù)并輸入到儀器內(nèi)。邏輯分析儀一般有三種輸入電路：數(shù)據(jù)、時鐘、限定輸入電路。為了能準確地采集數(shù)據(jù)，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(zhuǎn)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(shù)據(jù)和時鐘經(jīng)過輸入電路進行電平轉(zhuǎn)換、整形和延遲，然后送至緩沖器。同時經(jīng)整形后的時鐘分別送至暫存器、觸發(fā)識別電路和數(shù)據(jù)獲取電路。經(jīng)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(nèi)存的輸入端。3.數(shù)據(jù)獲取電路由三部分組成：①形成一個與被測系統(tǒng)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(fā)指示。③控制存儲器的寫入與讀出。8.8邏輯分析儀的應(yīng)用例8.8.1顯示數(shù)據(jù)流。對于邏輯狀態(tài)分析儀，顯示數(shù)據(jù)流是最基本的用途。如果要測試二-十六進制的計數(shù)器的狀態(tài)流，將探極的四個通道接到被測計數(shù)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(fā)字，若選0000，觸發(fā)方式置起始顯示，時鐘輸入用計數(shù)器的CP進行同步。在CRT上將顯示出二-十六進制的輸出狀態(tài)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(tài)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(fā)字和觸發(fā)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(fā)方式，尋找和分析微處理器中如何達到某一種狀態(tài)。圖8.8.3所示的二-十進制計數(shù)器的計數(shù)情況不正確，應(yīng)該在99復(fù)位，結(jié)果在89就復(fù)位了。為什么會在89復(fù)位呢？這個原因是狀態(tài)分析儀無法解決的，但邏輯分析儀有驅(qū)動示波器的能力。因此，可重新調(diào)整邏輯分析儀，觸發(fā)方法置起始顯示方式，觸發(fā)字置88，用觸發(fā)輸出來啟動示波器，則可發(fā)現(xiàn)在復(fù)位母線上的狀態(tài)90處有一個毛刺，如圖8.8.4所示。得知是由復(fù)位線上產(chǎn)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(fā)方式來檢查電路重復(fù)信號。當正常工作時，從CRT上顯示的將是0和1的疊加。發(fā)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(chǎn)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(yīng)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(fā)字設(shè)置好，如果要看M個時鐘后的數(shù)據(jù)信號，則觸發(fā)方式置起始延遲，延遲設(shè)定置M，時鐘輸入用系統(tǒng)的時鐘，這樣CRT顯示的將是經(jīng)過M個時鐘延遲后的16個數(shù)據(jù)信號。SL4型邏輯分析儀可延遲99999個時鐘數(shù)。例8.8.6無時鐘、無觸發(fā)指示的應(yīng)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(nèi)都能給予指示，這樣就成為一支邏輯筆。而無觸發(fā)指示，是表示觸發(fā)不符合時的標志，不論是觸發(fā)條件設(shè)錯，還是沒有這個數(shù)據(jù)，在操作面板上的“無觸發(fā)指示燈”就亮起來。例8.8