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數位分析不可或缺 邏輯分析儀為除錯而生
多用途工具

【作者: 王岫晨】   2021年07月15日 星期四

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回顧邏輯分析儀的演進,大約與最早的商用微處理器上市時間差不多。當時這些工程師依據新裝置來設計系統,他們很快地發現,為微處理器設計除錯所需要的輸入,比示波器能提供的還要多。


在這種情況下,邏輯分析儀的多重輸入,可以完美解決這個問題。這種儀器的擷取率和通道數都穩定增加,足以跟上數位科技的快速進展,因此邏輯分析儀無疑是數位系統開發的關鍵工具。


示波器與邏輯分析儀之間存在著許多異同之處,如果想更瞭解這兩種儀器如何處理其各自應用,可以比較一下這些儀器的個別功能。


數位示波器與邏輯分析儀

數位示波器是進行一般訊號檢視用途時的基礎工具,這種儀器的高取樣率和頻寬,使其能夠擷取整個時域上的資料點,以提供訊號轉態(邊緣)、暫態事件,以及短時間增量的量測。


當示波器確定能夠檢視與邏輯分析儀相同的數位訊號時,大部分示波器使用者又開始考慮類比量測,例如上升及下降時間、尖峰振幅,以及邊緣之間的時間距離等。



圖一 : 示波器可以顯示振幅、上升時間等類比特性。(source:tektronix.com)
圖一 : 示波器可以顯示振幅、上升時間等類比特性。(source:tektronix.com)

圖二 : 邏輯分析儀可用於決定臨界電壓相對的邏輯值。(source:tektronix.com)
圖二 : 邏輯分析儀可用於決定臨界電壓相對的邏輯值。(source:tektronix.com)

圖三 : 邏輯分析儀的操作示意。(source:tektronix.com)
圖三 : 邏輯分析儀的操作示意。(source:tektronix.com)

在示波器的波形上,可以看出示波器的優勢。由波形可以看出訊號的類比特性,這些可能會影響訊號執行其功能的能力。示波器可以擷取訊號細節,找出振盪、過激、上升邊緣的變化,以及其他定期出現的偏差現象。


透過示波器的內建工具,例如游標與自動化量測,可以快速地向下追蹤可能會影響設計的訊號完整性問題。


此外,時序量測(包括傳輸延遲及設定、保持時間)是示波器不可或缺的功能。當然,還有許多純類比訊號(如麥克風輸出或數位轉類比轉換器的輸出)也都是透過可以記錄類比細部訊號的儀器來檢視。


示波器通常有高達四組的輸入通道。然而如果必須同時量測五個數位訊號,或是擁有32位元資料匯流排,和64位元位址匯流排的數位系統時,這時候就需要一台擁有更多輸入的工具,也就是邏輯分析儀。


邏輯分析儀擁有不同於示波器的能力,這兩種儀器最明顯的差異,在於通道(輸入)的數目。典型的數位示波器最多有四個訊號輸入,而邏輯分析儀則有34至136個通道,每一個通道均可輸入一種數位訊號。某些複雜的系統設計需要數千個輸入通道,這時也可以使用規模適當的邏輯分析儀來進行這些測試工作。


邏輯分析儀進行量測和分析訊號的方式與示波器不同,邏輯分析儀不會量測類比訊號的細節,但卻會偵測邏輯臨界值層級。也就是說,當邏輯分析儀連接至數位電路時,工程師只需考慮訊號的邏輯狀態,邏輯分析儀會自動尋找兩種邏輯層級。而用邏輯分析儀來操作進行待測物連接、擷取及分析數位訊號,大致分為四個步驟,包括連接、設定、擷取以及分析與顯示。


邏輯分析儀使用時機

如果需要同時量測少數訊號的「類比」特性,數位示波器是最有效的解決方案。特別是需要瞭解特定訊號的振幅、功率、電流、相位值,或邊緣量測(如上升時間)時,示波器是最適當的儀器。下列情況需要使用數位示波器:


●在類比與數位裝置驗證期間,分析訊號完整性(例如上升時間、過激與振盪)。


●一次在最多四組訊號的情況下,分析訊號的穩定度(如抖動及抖動頻譜)。


●量測訊號邊緣及電壓,以評估時序邊限,例如設定或保持、傳輸延遲。


●偵測暫態錯誤,例如突波、矮波脈衝、雙穩轉態。


●同時量測少數訊號的振幅與時序參數。


而邏輯分析儀則是為數位設計進行驗證及除錯的絕佳工具,它可以驗證數位電路是否正常運作,並協助工程師疑難排除所發生的問題。此外,邏輯分析儀還可同時擷取並顯示許多訊號,並分析其時序關係。為了找出並解決捉摸不定、暫態的問題,有些邏輯分析儀可以偵測突波及設定與違反時間保持。在軟硬體整合過程中,邏輯分析儀可以追蹤嵌入式軟體的執行情形,並分析程式執行的效率。部分邏輯分析儀可以找出設計中的原始碼與特定硬體活動的關聯性。下列情況需要使用邏輯分析儀:


●除錯與驗證數位系統運作情形。


●同步追蹤並找出許多數位訊號之間的關聯性。


●偵測並分析匯流排上的時序違反與暫態事件。


●追蹤嵌入式軟體的執行情形。


(本文參考資料:太克科技邏輯分析儀基本原理)


解決方案

太克科技6系列混合訊號示波器


圖四 : 太克科技6系列混合訊號示波器
圖四 : 太克科技6系列混合訊號示波器圖片來源:tektronix.com

太克科技:「發揮最大彈性和更廣的系統可見性!」


太克科技6系列MSO重新定義何謂混合訊號示波器(MSO)。FlexChannel科技讓每個通道輸入用作單一類比或八個數位邏輯輸入(具TLP058邏輯探棒),或具各域獨立擷取控制的類比和頻譜同步檢視 。


羅德史瓦茲數位示波器


圖五 : 羅德史瓦茲RTA4000 數位示波器
圖五 : 羅德史瓦茲RTA4000 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。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。


Keysight 16800系列邏輯分析


圖六 : Keysight 16800系列邏輯分析
圖六 : Keysight 16800系列邏輯分析圖片來源:keysight.com

是德科技:「快速地協助完成數位系統除錯、驗證。」


Keysight 16800系列可攜式邏輯分析儀可提供數位開發團隊需要的性能、應用軟體及易用特性,快速地協助完成數位系統除錯、驗證及最佳化作業,而價位又不會超出預算範圍。.


NI PXI架構邏輯分析器/數位波型產生器


圖七 : NI PXI架構儀器
圖七 : 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。


**刊頭圖(source:keysight.com)


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