逻辑分析仪原理及应用研究

逻辑分析仪原理及应用研究一、 实验目的：1 了解逻辑分析仪的基本工作原理。2 掌握利用逻辑分析仪进行数字系统测试分析的方法二、实验原理：一 逻辑分析仪原理及相关术语简介。（1）逻辑分析仪的工作原理简介逻辑分析仪的组成结构如图 1 所示，它主要包括数据捕获和数据显示两大部分。由于数字系统的测试一般要观察较长时间范围的信号间逻辑关系或较长的数据流才能进行分析，逻辑分析仪一般采用先进行数据捕获即采集并存储数据，然后进行数据显示并观察分析的方式。因此逻辑分析仪内部结构可划分为两大部分：数据捕获及数据显示。数据捕获部分包括信号输入、采样、数据存储、触发产生和时钟电路等。外部被测信号送到信号输入电路，与门限电平进行比较，通过比较器整形为符合逻辑分析仪内部逻辑电平的信号（如 TTL 电平信号） 。采样电路在采样时钟控制下对信号进行采样，采样获得的数据流送到触发产生电路进行触发识别，根据数据捕获方式，在数据流中搜索特定的数据字（触发字） ，当搜索到符合条件的触发字时，就产生触发信号。数据存储电路在触发信号的作用下进行相应的数据存储控制，而时钟电路可以选择外时钟或内时钟作为系统的工作时钟。数据捕获完成后，由显示控制电路将存储的数据以适当方式（波形或字符列表等）显示出来，以便对捕获的数据进行观察分析。信号输入信号外时钟采样数据存储时钟选择内时钟触发产生显示控制 CRT数据捕获 数据显示图 1 逻辑分析仪原理结构门限电平设定（2）逻辑分析仪相关术语简介组合触发：当输入数据设定触发字一致时，产生触发脉冲。每一个输入通道都有一个触发字选择设置开关，每个开关有三种触发条件：1、0、x， “1”表示高电平， “0”表示低电平， “x”表示任意值。例如某逻辑分析仪有八个通道，如果触发字设为 011001x0，则在八个输入数据通道中出现下面两种组合中的一种时都会产生触发：01100100 或 01100110。组合触发是逻辑分析仪最基本的触发方式。延迟触发：延迟触发是在数据流中搜索到触发字时，并不立即跟踪，而是延迟一定数量的数据后才开始或停止存储数据，它可以改变触发字与数据窗口的相对位置。延迟触发时的跟踪如图 2 所示，设置不同的延迟数，就可以将窗口灵活定位在数据流中不同的位置。触发字数据窗口跟踪开始延迟数跟踪结束数据窗口触发字延迟数(a) 触发开始跟踪加延迟 (b) 触发终止跟踪加延迟图 2 延迟触发序列触发：序列触发的触发条件是多个触发字的序列，它是当数据流中按顺序出现各个触发字时才触发，即顺序在前的触发字必须出现后，后面的触发字才有效。序列触发常用于复杂分支程序的跟踪，图 3 中所示是一个两级序列触发的工作原理。导引条件使能第二级触发第二级触发字无效第二级触发字有效第一级触发图 3 触发工作原理手动触发：手动触发是一种人工强制触发。该方式下，只要设置分析开始，即进行触发并显示数据。它是一种无条件的触发，由于该方式下观察窗口在数据流中的位置是随机的，亦称随机触发。限定触发：限定触发是对设置的触发字再加限定条件的触发方式。波形显示：它是定时分析最基本的显示方式，它将各通道采集的数据按通道以伪方波形式显示出来，每一个通道的信号按照采集存储的数据状态，用一个波形显示，如果在某一采样时刻采得的数据为“1” ，则显示为高，为“0”则显示为低，多个通道的波形可以同时显示。数据列表显示：它常用于状态分析时的数据显示，它是将数据以列表方式显示出来，数据可以显示为二进制、八进制、十六进制、十进制以及 ASCII 码等形式。反汇编显示：它是将采集到的总线数据（指令的机器码）按照被测的微处理器系统的指令系统进行反汇编，然后将反汇编成的汇编程序显示出来，这样可以非常方便地观察指令流，分析程序运行情况。二 实验目标板的结构及原理目标测试板的结构如图 4 所示：单片机USB100 控制电路SRAM 输出端输出端毛刺产生电路程序存储器图 4 目标板结构图（1）数据发生器原理： 微机利用虚拟面板产生数据通过 USB 接口将数据传送给单片机，单片机通过对数据的处理，并将接收到的数据以较低的速度存储到存储器中。高速数据的产生是保持存储器处于选通状态，通过 100MHZ 的晶振时钟或进行分频后的时钟作为计数器的工作时钟，计数值并行输出作为存储器地址，从而的到高速输出的 16 路数据信号。存储器深度为256K*16。数据不重复的最大周期为：在 256 k*时钟周期。目标板数据发生器的结构框图如图 5：8051单片机USBPC SRAM地址译码地址锁存器缓冲状态寄存器地址计数输出晶振图 5 数据发生器原理图（2）毛刺发生电路原理：D QCP /QD QCP /QD QCP /QA B C74LS138图 6 毛刺产生电路产生电路CPY7D0Y0 D7Y0D7毛刺产生电路是由三个 D 触发器构成。由于硬件电路输入与输出之间有一定的延时，当电路中的 D 触发器速度较慢时， 74LS138 的 A、B、C 三个输入信号的延时不一致，有可能在输出端出现引起错误动作的窄脉冲，而逻辑分析仪的正常采样方式观察不到该窄脉冲，这时要使用毛刺检测功能来观察毛刺。调节数据发生器的输出信号延时，同时逻辑分析仪工作在毛刺锁定方式下，在波形窗口中开启毛刺显示，即可观察到译码器输出端上的毛刺，如图 7(b)所示。由图可见，译码器的输出波形与图 7（b）完全相同，只是在检测出毛刺的地方给出了毛刺的标记，表示此时该信号上出现了窄脉冲，可能会引起电路工作的不正常。时序图如下：（a） 译码电路理想输出图/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y6/Y7( b ) 毛刺信号的观察/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y6/Y7图 7 译码电路的输出 三、实验设备及其说明：一ES4521 逻辑分析仪 一台（1） 功能简介ES4521l 逻辑分析仪具有 32 个数据通道，2 个外时钟通道，定时分析最大速率为200MHZ，状态分析最大速率为 100MHz。可实现高速的定时分析和状态分析，具有多种触发跟踪方式，波形、数据列表等多种显示方式，具有反汇编软件跟踪等多种功能。存储深度最大为 256k 具有可靠的毛刺检测功能，最小毛刺捕捉能力达 5ns。（2）使用说明运行 ES4521.EXE 程序后，将出现逻辑分析仪主面板。图 8 逻辑分析仪操作主面板主面板有 4 个菜单项：文件菜单：包括保存设置，装载设置，保存数据，装载数据，退出。保存设置：将逻辑分析仪参数及触发设置保存为扩展名为.lgs 的磁盘文件。点击后程序将弹出如下图的对话框，用户选择要保存的目录，输入文件名后，点击保存按钮。如果不想保存，点击取消按钮。图 9 逻辑分析仪文件保存装载设置：从磁盘文件中读取以往保存的参数设置，点击后将弹出如图 10 所示的对话框，选定想要装载的设置文件，点击打开按钮，完成装载。如果不想装载，点击取消按钮。图 10 逻辑分析仪文件装载保存数据：将采集到的数据保存为扩展名为.lgd 的磁盘文件。装载数据：从磁盘文件中读取以往保存的数据。系统菜单：包括分析仪设置，跟踪方式设置，波形分析，状态列表，反汇编和探头活性。点击后将出现相应面板。帮助菜单：帮助文档及本软件版本号。工具条上四个按扭分别是设置，触发，波形和数据。点击后将会出现相应面板。工具条上 4 个按钮与系统菜单的前四项功能相同。主面板底部为状态栏，显示出分析仪当前的工作方式，触发字和探头。1 逻辑分析仪设置面板功能：设置工作方式，门限电压，探头通道选择等采集参数，界面如图 11。图 11 逻辑分析仪设置面板时钟选择： 内时钟：分析仪将采用自己内部时钟对数据信号进行采样。外时钟：分析仪将采用外部输入的被测系统时钟的有效沿进行采样。采样方式：正常采样：只采样数据，不采样毛刺。毛刺采样：同时采样数据和毛刺。注意，选择毛刺采样方式时，采样频率的上限为 100MHz，存储深度上限为 256K。门限电压：当被检测电压值小于门限电压时，被记录为逻辑 0；被检测电压值大于等于门限电压时，被记录为逻辑 1。ES4521 可设置-5V 到+5V（步进 0.05V）的门限电压。门限A1，A2，B1，B2 分别对应 A1 通道（探头 A 低 8 位） 、A2 通道（探头 A 高 8 位） 、B1 通道（探头 B 低 8 位） 、B2 通道（探头 B 高 8 位） 。门限 S1，S2 用于设置探头 A 外时钟通道（S1）和探头 B 外时钟通道（S2）的门限电压。时钟沿选择：选择时钟的上升沿或者下降沿来同步采样。存储深度：选择采样数据的容量，上限为 256Kb。探头极性：当探头极性为正时，按照采集到的数据逻辑进行传送；当探头极性为负时，将采集到的数据逻辑反向后再传送到分析仪。探头选择：选择用户想要测试的通道。点击确定按钮，面板将最小化，同时保存设置。点击取消按钮，面板将最小化，同时重置设置。2 触发方式设置面板功能：选择分析仪的触发方式及对应触发通道或触发字。图 12 逻辑分析仪触发跟踪方式设置面板延时：用于调节触发在数据窗口中的位置，设定延时百分比后，则位于触发位置前面的数据个数约为存储深度延时百分比，而触发位置后面的数据个数约为存储深度（100%-延时百分比） 。触发沿：当触发方式为通道触发或外部触发时，它用于设定信号（某一通道的输入信号或外触发端子的输入信号）在上升沿还是下降沿触发。ES4521 逻辑分析仪共有 5 种触发方式，在面板中是互斥单选的：随机触发：无触发条件，启动分析仪数据捕获即认为已触发。毛刺触发：用给定通道上检出的毛刺作为触发信号触发定时仪，以实现跟踪。毛刺是一种在一个采样时钟周期内两次通过门限的窄脉冲，它往往是造成数字系统出错的重要原因。常见的毛刺有四种形式：在信号低电平上出现的正向毛刺；在信号高电平上出现的负向毛刺；连续出现的毛刺；在信号跳变沿上出现的毛刺。用户可通过设置复选框来设置需要进行毛刺触发的通道。字触发：分析仪对数据进行监测，一旦通道中出现所设置的触发字就会触发。触发级数：ES4521 的字触发共有 7 级触发级数。当触发条件根据字触发方式满足所设定的各级触发字时，分析仪才会触发。组合方式：设定的各级触发字中，满足任意一个即产生触发。序列方式：设定的各级触发字中，必须按照触发级别先后满足所有触发字才能产生触发。进制：为字触发设置框指定数据格式，用户可根据这个选项在字触发设置框中输入二进制数和十六进制数。通道触发：用户选择需要检测的通道，一旦该通道输入信号出现设定的跳变沿就会触发。外部触发：当外触发信号输入端子上信号出现设定的跳变沿就会触发。点击确定按钮，面板将最小化，同时保存设置。点击取消按钮，面板将最小化，同时重置设置。注：随机方式与通道触发方式时将无法对上图中所示的通道选择框进行选择。当用户选择字触发时，上图所示的通道选择框将会自动切换为触发字设置框。3 波形显示窗口面板：单击主面板工具条上波形按钮或点击菜单的系统波形分析时，将会出现波形窗口面板。用户可通过这个面板对所采集数据的波形进行查看分析。图 13 逻辑分析仪波形显示界面波形窗口面板的工具条有 8 个按钮，依次为：采集，停止，扩展，压缩，单次重复采样选择，毛刺采集，打开和保存。单击运行按钮，开始采集数据，并显示出波形。如图所示：图 14 逻辑分析仪波形显示单击停止按钮，停止采集。单击扩展按钮，波形将被横向展宽。单击压缩按钮，波形将被横向压缩，屏幕内将显示被压缩的更多波形。单击单次重复采样选择按钮，会在重复采样和单次采样互相切换。采用单次采样模式，分析仪将在完成一次采集后自动停止采集和显示。采用重复采样模式，分析仪将重复进行数据采集和显示直到用户按下停止按钮。单击毛刺采集按钮，会指示系统是否显示采集到的毛刺。单击打开按钮，用户可以从磁盘文件中读取以往保存的.lgd 数据文件，并显示出对应波形。单击保存按钮，用户可以将此次采集到的数据保存到一个.lgd 文件中。工具条上的 4 个文本框依次显示游标 1，游标 2，延迟，触发时间。用鼠标左键拖动波形窗口里游标上部的 （对应游标 1） （对应游标 2）时，对应文本框 C1,C2 将分别显示出相应时间坐标。用鼠标左键单击波形显示区域，可查看单击处的时间坐标。用鼠标右键单击波形显示区域，将弹出两个选项 C1,C2。选择 C1,C2 可分别将两个游标移动到鼠标所点击的位置。延迟文本框 delay 将显示出两个游标之间的时间差（延迟） 。触发时间文本框 T 显示系统触发的时间。用户可在游标文本框里输入数值，将波形窗口中的对应游标置于相应位置。延迟文本框与触发时间文本框不允许用户进行输入。波形窗口右部和底部分别有滑动条，用户可以拖动它们以查看感兴趣的通道和位置。面板上设置了一个触发点按钮，单击它能使波形图快速回到触发点周围。4 数据显示窗口面板：单击主面板工具条上的“数据”按钮或点击菜单的系统状态列表，将会出现数据窗口面板。用户可以通过这个面板查看采集到的数据值。图 15 逻辑分析仪数据显示数据窗口面板有两个按钮，作用分别是采集数据和停止采集。单击采集按钮，系统将开始采集，并将采集到的数据显示到列表里。单击停止按钮，系统将停止采集。触发点文本框显示触发时间。5 反汇编窗口面板：点击主面板菜单系统反汇编，将会出现反汇编窗口。用户可以通过这个窗口将采集到的数据进行反汇编，以便程序跟踪分析。图 16 逻辑分析仪反汇编显示反汇编窗口的工具栏上有 4 个按钮，依次为：打开，保存，反汇编和设置。单击打开按钮，用户可以打开先前存储在硬盘上的