電子測(cè)量技術(shù)第9章數(shù)據(jù)域測(cè)量

第8章數(shù)據(jù)域測(cè)量以時(shí)間或事件出現(xiàn)的次序?yàn)樽宰兞浚褷顟B(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(cè)試儀器，數(shù)據(jù)域測(cè)試儀器的測(cè)試對(duì)象是對(duì)數(shù)字系統(tǒng)中數(shù)字系統(tǒng)信號(hào)的測(cè)試。數(shù)字系統(tǒng)信號(hào)的主要特征：(1)數(shù)字信息幾乎都是多位傳輸?shù)?，是按時(shí)序傳遞的，并常伴有競(jìng)爭(zhēng)和冒險(xiǎn)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(duì)造成系統(tǒng)出錯(cuò)的誤碼常混在一串正確的數(shù)據(jù)流中，實(shí)際上只有在錯(cuò)誤已經(jīng)發(fā)生后，才能辨認(rèn)出來(lái)，這樣就要求捕捉導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果的那些信息，以便查找出錯(cuò)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(cè)要求：跟蹤與分析狀態(tài)數(shù)據(jù)流，這是對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行功能分析所必須的基本測(cè)量。跟蹤狀態(tài)流需要利用地址總線，最好同時(shí)也能觀測(cè)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(dá)20－40位或更多，并且是同步進(jìn)行的。由于有的總線是復(fù)用的，因此要求測(cè)量時(shí)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(gè)觸發(fā)字。(3)對(duì)于分析異步總線，需要了解各信號(hào)狀態(tài)序列和每個(gè)信號(hào)在給定狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，以便判斷系統(tǒng)是否按正確的時(shí)序運(yùn)行。這就要求能分析信號(hào)狀態(tài)之間的時(shí)間關(guān)系。(4)需要捕捉干擾或毛刺。8.2邏輯分析儀的特點(diǎn)(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(fù)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(dòng)時(shí)域儀器的能力（觸發(fā)示波器）；(8)可靠的毛刺檢測(cè)能力；(9)其他特點(diǎn)(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(cè)系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)。特點(diǎn)：用被測(cè)系統(tǒng)的時(shí)鐘來(lái)控制記錄速度，與被測(cè)系統(tǒng)同步工作。２.邏輯定時(shí)分析儀用時(shí)間圖來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)，顯示的是一連串類似方波的偽波形。特點(diǎn)：內(nèi)部有時(shí)鐘發(fā)生器，在內(nèi)部時(shí)鐘控制下記錄數(shù)據(jù)與被測(cè)系統(tǒng)異步工作。（內(nèi)部時(shí)鐘遠(yuǎn)高于被測(cè)系統(tǒng)時(shí)鐘、內(nèi)存大）３.數(shù)據(jù)域與數(shù)據(jù)域儀器比較：(1)時(shí)域信號(hào)是以連續(xù)時(shí)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(shí)間或事件出現(xiàn)的次序?yàn)樽宰兞?，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(lì)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(lái)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(lái)捕獲并存儲(chǔ)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(dāng)搜索到特定的數(shù)據(jù)字時(shí)，就產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)去控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器開始存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)或停止存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便將數(shù)據(jù)流進(jìn)行分塊。

2.數(shù)據(jù)顯示部分：將存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的有效數(shù)據(jù)以多種方式顯示出來(lái)，以便對(duì)捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

高性能邏輯分析儀在功能上有許多特點(diǎn)，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(chǔ)，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(shí)現(xiàn)，例如數(shù)據(jù)變換、模擬、統(tǒng)計(jì)、識(shí)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(cè)試的數(shù)據(jù)流中打開一個(gè)窗口，把對(duì)分析有意義的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)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(diǎn)（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(chǔ)器都給以存儲(chǔ)和顯示器顯示。②由于內(nèi)存有限，當(dāng)被測(cè)數(shù)據(jù)字大大高于存儲(chǔ)容量時(shí)，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(jī)會(huì)存入存儲(chǔ)器(采用隨機(jī)取樣)。３.數(shù)據(jù)整形和邏輯電平轉(zhuǎn)換電路

被測(cè)信號(hào)進(jìn)入邏輯分析儀是按照邏輯類型進(jìn)行整形和電平轉(zhuǎn)換的，即把任何輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制形式。為適應(yīng)檢測(cè)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(gè)可調(diào)范圍，一般是－10V～＋10V。用高速電壓比較器判斷信號(hào)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(cè)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(gè)狀態(tài)。顯示時(shí)用一個(gè)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(gè)輸入通道上裝兩個(gè)毛刺檢測(cè)器，按采樣周期交替工作。只要兩個(gè)檢測(cè)器中的任何一個(gè)在一次采樣周期內(nèi)發(fā)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)有兩次瞬變，就在毛刺存儲(chǔ)器存儲(chǔ)一個(gè)位信號(hào)，邏輯分析儀顯示兩個(gè)存儲(chǔ)器的合成信號(hào)。５.限定與觸發(fā)識(shí)別電路為了在很長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流中獲取唯一的所需要的數(shù)據(jù)段。識(shí)別電路就是多位并行數(shù)字比較器。作用：①進(jìn)行限定判斷和識(shí)別觸發(fā)字；②產(chǎn)生受限定的觸發(fā)信號(hào)和寫時(shí)鐘，以實(shí)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(shí)分析(異步時(shí)鐘或內(nèi)時(shí)鐘)方式；狀態(tài)分析(同步時(shí)鐘或外時(shí)鐘)方式。2.觸發(fā)與跟蹤方式

含義：由一個(gè)數(shù)據(jù)字、字或事件的序列來(lái)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(diǎn)、終點(diǎn)或與被分析數(shù)據(jù)有一定關(guān)系的某一參考點(diǎn)，這個(gè)特定的點(diǎn)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(chǔ)器。這個(gè)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(lái)的一組數(shù)據(jù)稱為一次跟蹤。實(shí)際上，跟蹤是被測(cè)數(shù)據(jù)流中的一個(gè)觀察窗口。(1)基本觸發(fā)①開始觸發(fā)：指當(dāng)識(shí)別觸發(fā)字時(shí)，就開始存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)，直到存儲(chǔ)器存滿為止。②終止觸發(fā)：指當(dāng)判定存儲(chǔ)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(shí)別觸發(fā)字，便停止存儲(chǔ)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(shí)，并不立即進(jìn)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(chǔ)有效數(shù)據(jù)。分為：字延遲；事件延遲。(3)序列觸發(fā)由多個(gè)觸發(fā)字按預(yù)定的次序排列，只有當(dāng)被觀察的程序按同樣的順序先后滿足所有觸發(fā)條件時(shí)才能觸發(fā)，從而進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。３.數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

每個(gè)通道能夠存儲(chǔ)的狀態(tài)數(shù)據(jù)總數(shù)稱為存儲(chǔ)深度。根據(jù)所采用的存儲(chǔ)器的不同，存儲(chǔ)方式可分為：(1)移位寄存器存儲(chǔ)邏輯分析儀采用移位寄存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(FIFO)。(2)隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)使用隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)作為邏輯分析儀的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)單元由地址計(jì)數(shù)器進(jìn)行選址。目前的邏輯分析儀大都采取這種方法存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。４.數(shù)據(jù)顯示的區(qū)別為了便于對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行分析，邏輯分析儀有多種顯示方式，其中狀態(tài)表和定時(shí)圖顯示分別是狀態(tài)分析儀和定時(shí)分析儀的基本顯示方式。映射圖顯示可以觀察系統(tǒng)運(yùn)行全貌的動(dòng)態(tài)情況。它用一系列光點(diǎn)表示一個(gè)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(gè)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(hào)，驅(qū)動(dòng)CRT的x、y偏轉(zhuǎn)板，從而合成顯示一個(gè)光點(diǎn)。5.數(shù)據(jù)的建立和保持時(shí)間數(shù)據(jù)建立時(shí)間（ts，數(shù)據(jù)必須比時(shí)鐘跳變提前建立的時(shí)間）和數(shù)據(jù)保持時(shí)間（th，數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘跳變后繼續(xù)保持的時(shí)間）是邏輯狀態(tài)分析儀進(jìn)行同步檢測(cè)時(shí)所特有的性能指標(biāo)。

時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)取樣(數(shù)據(jù)通道與時(shí)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(cuò)誤或不穩(wěn)定的讀數(shù)，tD為取樣時(shí)間。由于電路元器件的誤差，各元器件的傳輸延遲時(shí)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(shí)間tDmin

大于或等于時(shí)鐘通道的最大延遲時(shí)間tDmax

，即tDmin>tDmax

。設(shè)置延遲網(wǎng)絡(luò)和暫存器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行同步。6.最高工作頻率因?yàn)槎〞r(shí)分析儀的內(nèi)時(shí)鐘與輸入數(shù)據(jù)間的時(shí)間關(guān)系是不確定的，因此數(shù)據(jù)建立時(shí)間和保持時(shí)間的概念在定時(shí)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(shí)間（MPD）來(lái)表示能可靠地觀測(cè)到的最窄脈沖：式中，k是一個(gè)規(guī)定的常數(shù)，f為時(shí)鐘頻率。采樣頻率取被測(cè)系統(tǒng)工作頻率的5～10倍。7.影響時(shí)間分辨率的因素①由于硬件的延時(shí)和負(fù)載電容的影響，使信號(hào)的跳變時(shí)間加長(zhǎng)；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(shí)際工作的門限電平完全一致，使得信號(hào)在定時(shí)分析儀和被測(cè)電路中的翻轉(zhuǎn)時(shí)間不同，于是產(chǎn)生附加測(cè)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(shí)鐘、限定輸入電路。為了能準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，要求：①輸入電路盡量減小對(duì)被測(cè)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(shí)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(shí)別和符合電路輸入的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘經(jīng)過輸入電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、整形和延遲，然后送至緩沖器。同時(shí)經(jīng)整形后的時(shí)鐘分別送至?xí)捍嫫鳌⒂|發(fā)識(shí)別電路和數(shù)據(jù)獲取電路。經(jīng)緩沖器輸出兩個(gè)互補(bǔ)信號(hào)，一個(gè)到識(shí)別電路（又稱符合電路），另一個(gè)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(gè)與被測(cè)系統(tǒng)時(shí)鐘同步的恒定脈寬的脈沖HACL。②利用時(shí)鐘的平均電平來(lái)控制時(shí)鐘及觸發(fā)指示。③控制存儲(chǔ)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(duì)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(cè)試二-十六進(jìn)制的計(jì)數(shù)器的狀態(tài)流，將探極的四個(gè)通道接到被測(cè)計(jì)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(shí)鐘輸入用計(jì)數(shù)器的CP進(jìn)行同步。在CRT上將顯示出二-十六進(jìn)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(cè)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(dá)到某一種狀態(tài)。圖8.8.3所示的二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)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(huì)在89復(fù)位呢？這個(gè)原因是狀態(tài)分析儀無(wú)法解決的，但邏輯分析儀有驅(qū)動(dòng)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(lái)啟動(dòng)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(gè)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(lái)檢查電路重復(fù)信號(hào)。當(dāng)正常工作時(shí)，從CRT上顯示的將是0和1的疊加。發(fā)生故障時(shí)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(xì)尋找故障產(chǎn)生的原因及故障地點(diǎn)。例8.8.5“起始顯示”和“起始延遲”的使用。存儲(chǔ)器的容量再大，但總是有限的，為了適應(yīng)測(cè)量的要求，可以利用邏輯分析儀的延遲功能來(lái)解決。首先將初始觸發(fā)字設(shè)置好，如果要看M個(gè)時(shí)鐘后的數(shù)據(jù)信號(hào)，則觸發(fā)方式置起始延遲，延遲設(shè)定置M，時(shí)鐘輸入用系統(tǒng)的時(shí)鐘，這樣CRT顯示的將是經(jīng)過M個(gè)時(shí)鐘延遲后的16個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)。SL4型邏輯分析儀可延遲99999個(gè)時(shí)鐘數(shù)。例8.8.6無(wú)時(shí)鐘、無(wú)觸發(fā)指示的應(yīng)用。無(wú)時(shí)鐘高、低指示，如果在大于0.1s的時(shí)間里沒有時(shí)鐘脈沖，則“無(wú)時(shí)鐘指示燈”就亮了，告訴測(cè)量者時(shí)鐘工作不正常。由于時(shí)鐘輸入是與閾值電平進(jìn)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(wú)觸發(fā)指示，是表示觸發(fā)不符合時(shí)的標(biāo)志，不論是觸發(fā)條件設(shè)錯(cuò)，還是沒有這個(gè)數(shù)據(jù)，在操作面板上的“無(wú)觸發(fā)指示燈”就亮起來(lái)。例8.8