现代电子测量及实验技术(第四部分)

数字域测量仪器

现代电子测量（第四部分）数字系统测试的主要特点

数字信号通常是按时序传递的；信号几乎都是多位传输的；信息传递方式是多种多样的；数字信号的速度变化范围很宽；信号往往是单次或非周期的；数字系统的故障判别与模拟系统有很大的区别。数字域测量的仪器

数字信号发生器逻辑分析仪特征分析仪等逻辑分析仪逻辑分析仪的发展

20世纪70年代——HP公司推出状态分析仪和Biomation公司推出定时分析仪，不久之后，状态分析仪与定时分析仪合并成逻辑分析仪。20世纪80年代后期——逻辑分析仪变得更加复杂，使用起来也就更加困难。逻辑分析仪与示波器的区别

首先是通道数量不同，示波器一般最多可同时观察4路信号的时间波形，而逻辑分析仪则拥有32到136等多个通道；示波器给出的是时域波形的完整信息，而逻辑分析仪并不测量模拟数据，当逻辑分析仪针对输入信号取样时，它会根据信号相对于电压门限的高低，存储“1”或“0”值。逻辑分析仪与示波器的区别

逻辑分析仪有多种显示方式；逻辑分析仪有完善的触发功能；逻辑分析仪有能够有效的检测数字电路中的毛刺；逻辑分析仪有高密度探头及适配器，从而简化与待测系统（SUT）的连接。

何时选择使用逻辑分析仪

调试并检验数字系统的运行；同时跟踪并使多个数字信号相关联；检测并分析总线中违反时限的操作以及瞬变状态；跟踪嵌入软件的执行情况。

逻辑分析仪使用的五个层次第一个层次：只要查看硬件系统的一些常见的故障，例如时钟信号和其他信号的波形、信号中是否存在严重影响系统的毛刺信号等故障；第二个层次：要对硬件系统的各个信号的时序进行很好的分析，以便最好地利用系统资源，消除由定时分析能够分析出的一些故障；逻辑分析仪使用的五个层次第三个层次：要对硬件对软件的执行情况的分析，以确保写入的程序被硬件系统完整地执行；第四个层次：需要实时地监测软件的执行情况，对软件进行实时地调试。第五个层次：需要对现有客户系统的软件和硬件进行系统性的解剖分析，达到我们对现有客户系统的软件和硬件系统全面透彻地了解和掌握的功能。逻辑分析仪基本分类逻辑状态分析仪（LSA，LogicStateAnalyzer）逻辑定时分析仪（LTA，LogicTimerAnalyzer）目前的逻辑分析基本上都同时具有状态分析和定时分析的功能。

逻辑状态分析和定时分析的区别

定时方式不同：逻辑状态分析时数据采集的时钟由被测系统提供，如利用CPU的读、写信号作为时钟，当CPU执行读、写操作时LSA就显示数据，即数据采集与被测系统是同步的；逻辑定时分析时的数据采集时钟是由LTA内部提供的，它与被测系统的工作是异步的；

逻辑状态分析和定时分析的区别

显示方式不同：LSA用状态表、汇编语言或映射图等显示数据流；LTA用定时图的方式显示时序信息逻辑分析仪的基本原理框图

时钟选择内部时钟外部时钟数据采集与输入高速数据存储数据处理与显示显示屏触发产生与数据捕获控制被测系统数据捕获部分数据处理与显示部分逻辑分析仪探头的功能与要求提供高质量信号并传递给逻辑分析仪，它利用内部比较器将输入电压与门限相比较，并确定信号的逻辑状态（0或1），门限由用户设定，范围从TTL级别到CMOS、ECL；对待测系统产生的电负荷最小；适合与电路板及设备以多种方式连接。逻辑分析仪的显示方式逻辑状态分析仪采用各种状态表及图形显示；逻辑定时分析仪则采用定时显示。

逻辑分析仪的显示方式状态表显示是采用各种数制以表格的形式显示状态信息。通常用16进制数显示地址和数据总线上的信息，用二进制数显示控制总线和其它电路节点上的信息

状态表显示：逻辑分析仪的显示方式多数逻辑分析仪都具有反汇编功能，把采集到信息翻译成各种微处理器汇编语言源程序进行显示反汇编显示

：逻辑分析仪的显示方式这是一种坐标显示，X轴表示数据出现的实际顺序，Y轴表示由各输入通道所组成的数据字的数值。数据序列图形显示：上图有四路信号输入逻辑分析仪，被测系统是一个十进制计数器逻辑分析仪的显示方式如果被监视的是微机系统的地址总线，则这种方式显示了程序的运行情况。数据序列图形显示：上图横坐标是程序的执行顺序，纵坐标是呈现在地址总线上的地址码。

逻辑分析仪的显示方式映射图显示把每个数据与屏幕上的每个光点联系起来。如果数据是8位，则可把屏幕左上角的光点表示00，右下角的光点表示FFH，余此类推，如下图所示。映射图显示：逻辑分析仪的显示方式这种显示方式可将存储在分析仪存储器内的数据一次显示出来，并且根据数据出现的顺序，用大量线连接起来组成一幅图形。如果某数据发生差错，则图形发生改变。这种显示方式的优点是用户能快速地确定数据流的正确性。映射图显示：

如果用逻辑分析仪观察CPU的地址总线，则每个光点是程序运行中一个地址的映射。上图表示程序存储与运行映射图间的对照。

逻辑分析仪的显示方式常见的直方图有时间直方图和标号直方图两种。时间直方图显示各程序执行时间的分布情况，用以确定各程序模块及整个程序的最小、最大和平均执行时间，据此就可找出花费CPU时间过长及效率低、质量不高的程序模块。直方图显示：逻辑分析仪的显示方式下图表示了某个由M1240、CLEAR、DASH和DELAY程序模块组成的软件的运行情况。直方图显示——时间直方图：由图可见，执行DELAY、DASH程序几乎花了CPU的全部时间。逻辑分析仪的显示方式标号直方图也称地址直方图。逻辑分析仪反复测量并累计在各个地址范围内事件出现的次数，最后以直方图形式显示测量结果。

直方图显示：

上图表示了与上例相同程序的标号直方图，它与时间直方图的结果是一致的。

逻辑分析仪的显示方式一个屏幕分成两个窗口显示。下面窗口显示经反汇编后的某微处理器的汇编语言源程序，上而窗口显示该微处理器在同一时刻的高分辨率定时图。由于上、下两个窗口的图形在时间上是相关的，因而对电路的定时和程序的执行可同时进行考察，硬件和软件同时调试。

定时图与源程序同时显示：逻辑分析仪的显示方式定时图与源程序同时显示：逻辑分析仪的显示方式源代码调试显示能够将源代码与指令跟踪历史记录相关联，从而提高程序的调试效率。指令执行时，用户能够立即看到实际过程。源代码调试显示：逻辑分析仪的触发方式由于被测数据流通常是很长的，而逻辑分析仪内存储器的深度是有限制的，因此测试时经常对数据流中的某个片段感兴趣，这个“感兴趣的数据片段”称为观察窗口。功能

：逻辑分析仪的触发方式触发字：在逻辑分析仪中通过设定一个或一组数据字或事件来获得观察窗口，用于设定观察窗口的数据字称为触发字。跟踪：当逻辑分析仪识别出被测数据流中的触发字后，就开始采集并存储在观察窗口内的数据，即开始跟踪。触发：识别出触发字而引起跟踪的动作称为触发。基本名词：逻辑分析仪的触发方式触发终止跟踪方式：一旦遇到触发字就停止跟踪，在逻辑分析仪的存储器内存储了触发前的数据，触发字位于存储器队列的最后面，并显示在显示器的最后一行。基本触发

：逻辑分析仪的触发方式触发开始跟踪方式：当遇到触发字时开始跟踪（存储）数据流；当存储器存满数据时就停止跟踪。因而在分析仪的存储器内存储了触发后的数据，触发字位于存储器队列的最前面，它显示在显示器的第一列。基本触发

：逻辑分析仪的触发方式中间触发方式：存储器存储触发字以前和以后各一半的数据，触发字位于存储器的中间。

基本触发

：逻辑分析仪的触发方式延迟触发：存储器存储触发字后且经一定延迟的数据，基本触发

：逻辑分析仪的触发方式只有当采样数据与某一预先设定的触发字序列（而不是一个触发字）相符合才触发跟踪。序列触发：序列触发逻辑分析仪的触发方式把两级序列触发与延迟触发结合起来，就可以构成多种触发方式。序列触发：逻辑分析仪的触发方式假如要求检查在第9次I循环、第8次J循环后的第7次K循环时在状态2841后的程序执行情况，则逻辑分析仪应识别的触发字序列如下：28301次28AE9次28A58次28417次即在2840状态出现1398（=9×11×13+8×3+7）后跟踪数据流。

计数触发：逻辑分析仪的触发方式在跟踪触发模式下，被测系统的地址码被指定为触发字，逻辑分析仪仅采集并存储对应于这些指定地址的数据。例如：触发字为28A0H，在此模式下，则仅当地址总线上出现28A0H时，才获取数据总线上的数据。常常为了扩大跟踪范围而触发字的某些位设为任意状态（X），如把28X0H设为触发字，则逻辑分析仪将跟踪2800H、2810H、2820H、…..、28F0H。

跟踪触发：逻辑分析仪的触发方式触发限定是给触发字施加一定的限定条件，只有当限定条件为“真”时，才能识别触发字，产生触发，否则，如限定条件为“假”，即使出现触发字，也不产生触发。

触发限定：逻辑分析仪的触发方式触发限定：逻辑分析仪的触发方式交互触发是指在定时分析通道与状态分析通道之间的相互触发。常见的交互触发有以下三种方式：由状态通道或定时通道识别触发字，两种通道同时触发；在一种通道识别触发字1后，另一种识别触发字2时引起触发，这时两种通道都识别触发；并行触发，两种通道各自的触发字都满足后产生触发。

交互触发：逻辑分析仪的触发方式“非”触发：若在识别触发字1后，并延迟n个时钟或事件后不出现触发字2，则产生触发。“或”触发：只要识别几个触发字中的任意一个就产生触发，表示成“触发字1+触发字2+…”。间隔时间太长触发：如果两个脉冲的间隔时间超过预定时间，则在识别第二个脉冲时触发。其它触发方式：逻辑分析仪的定时方式逻辑状态分析仪利用外部定时，它仅提供状态和状态序列信息；逻辑定时分析仪利用内部定时，它不分辨状态序列，但提供时间信息；逻辑定时分析仪仅显示逻辑状态随时间的变化，而不是真正被测信号的波形，即不反映被测信号的幅度、边沿、上冲和噪声等模拟量；

逻辑分析仪的定时方式由于利用仪器内部时钟采样数据，因而时间分辨率等于时钟周期Tp，若提高分辨力，则需提高时钟频率，但此时或者增加存储器容量，或者在给定存储容量的情况下变窄观察窗口。为了合理满足分辨力和足够长的观察时间两项要求，一般选择采样时钟频率为被测系统数据率的5～10倍。

逻辑分析仪的定时方式检测毛刺

：大多数逻辑定时分析仪都在信号线上设有一个专门的毛刺检测电路，把窄脉冲（毛刺）展宽到能检测的最小宽度，以避免利用提高采样率的办法检测毛刺。

测量用信号产生器

（信号源）

现代电子测量（第四部分）信号源用途:

信号源用来产生不同频率、不同的波形。

信号源信号源分类:

按频率范围分：有超低频、低频、射频、微波（含毫米波、X光波）等。

信号源信号源分类:

按输出波形分：：分为正弦信号发生器和非正弦信号发生器。非正弦信号发生器又可包括：脉冲信号发生器函数信号发生器扫频信号发生器数字序列信号发生器图形信号发生器数据信号发生器调幅（AM）信号发生器调频（FM）信号发生器调相(ΦM)信号发生器脉冲调制（PM）信号发生器数字调制（DM）信号发生器噪声信号发生器。信号源信号源分类:

信号源信号源分类:

按工作原理分：有LC源、锁相源以及合成源；按信号输出形成分：有点频、扫频源等。

信号源信号源的基本构成

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信号源信号源中所采用的主要技术:

直接频率合成在这种技术中使用了大量晶体，通过混频、倍频、分频、滤波等方法对频率进行加、减、乘、除的运算以获得所需的最终频率。特点：工作可靠、频率转换速度快。缺点：在频率产生过程中需用大量混频器、分频器和窄带滤波器，这样就造成电路体积庞大、难以集成化等缺点，而且杂散信号难以滤除。

信号源信号源中所采用的主要技术:

间接频率合成（采用锁相环路）鉴相器低通滤波器压控振荡器(VCO)分频器(1/N)FrFo输出频率与输人参考频率的关系：Fo＝NFr式中，Fo为VCO的输出频率；N为可变分频器的分频比；Fr为输入参考振荡器的频率。环路的最小频率增量等于Fr。

信号源信号源中所采用的主要技术:

数字锁相环路的优点：输出频率的长期稳性提高到与参考振荡器相同的水平，而参考振荡器通常采用长期稳定性指标很好的晶体振荡器；频率的改变由可变l／N分频器完成，它易于实现程控；因为只需很少滤波器，所以易于集成为体积小、功耗低的集成电路。信号源信号源中所采用的主要技术:

直接数字频率合成

：信号源信号源中所采用的主要技术:

小数分频技术

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小数分频技术是建立在整数分频基础上的。根据公式Fo＝NFr可以看出，如果等式右边的N值不仅仅只是整数，而且带有小数部分，则分辨率可以小于参考频率。信号源信号源中所采用的主要技术:

小数分频技术

：

输出频率：Fo＝（N.F）Fr

F为输出频率的小数部分，亦锁存器中锁存的值。信号源信号源中所采用的主要技术:

数字I—Q调制技术：

数字I-Q调制可产生：振幅键控（ASK）、频率键控（FSK）和相位键控（PSK）信号。信号源主要技术指标:

频率：

频率范围：信号源所能输出的最高的最低频率之差；频率分辨率：信号源最小的频率可改变量，通常随着输出频率的增加濒率分辨率会有所下降；信号源主要技术指标:

频率：

频率准确度：实际输出频率与标称频率之差，频率准确度常用百分数来表征，频率准确度确定了信号源频率重复性的好坏；频率的长期稳定度：通常对于大于或等于1秒(s)的频率漂移或频率的不稳定度称为频率的长期稳定度，其指标通常以10-6/小时（h）。信号源主要技术指标:

频谱纯度：

单边带（SSB）相位噪声：相位噪声可解释成一个正弦信号在时域中过零点的不确定性，反映在频域上，即表现为谱线的近旁扩散。信号源主要技术指标:

频谱纯度：

单边带（SSB）相位噪声：单边带相位噪声是在一半边带中，偏离载波一定频率，在1Hz带宽内对噪声的积分值与载波功率之比的对数值，单位为dBc/Hz。任何其它带宽都可“以折合到1Hz带宽内，具体折算方法是带宽增加10倍，噪声功率也增加10倍。

信号源主要技术指标:

频谱纯度：

单边带（SSB）相位噪声：在倍频情况下，相位噪声每倍频程将降低6dB；在分频情况下，每倍频程将提高6dB；对于差频方法，其输出相位噪声被认为不变。

信号源主要技术指标:

频谱纯度：

剩余调频：剩余调频是指在载波情况下不需要的调频。它的实质是对载波边带中偏离载波一段频率（即一个带宽）的连续积分。其结果表征了这段带宽的噪声功率。

信号源主要技术指标:

频谱纯度：

剩余调幅：噪声引起的信号幅度的波动，剩余调幅并不影响频率的短期稳定度，但它却影响频谱纯度。

信号源主要技术指标:

频谱纯度：

杂散：杂散是指除谐波之外所有的离散频谱，杂散输出一般是由混频和分频产生的，并且是对称（对称于载波）出现的。注意：合理的设计可以减小杂散，但不可能消除。

信号源主要技术指标:

频谱纯度：

谐波：谐波是指基波整数倍的频率分量。注意：信号源谐波含量会随着输出频率的不同而有所变化，且在高电平输出时谐波会变大。

信号源主要技术指标:

输出：

输出范围：信号源输出的最小（电平）功率与最大功率之差，通常的单位有V、mV、W、mW、dBm等。如E8244A的输出范围表示为：-136～+13dBm。

注意：信号源的输出电平必须在特定的范围内按照特性阻抗校准，一般采用50Ω负载。

信号源主要技术指标:

输出：

输出电平精度：输出电平精度是指温度、电平平坦度、指示器误差、检波器精度、衰减器精度和测量误差等诸多因素造成的电平误差总和。信号源主要技术指标:

输出：

泄漏