Логические анализаторы

Широкое использование в современной электронной аппаратуре логических ИМС привело к созданию особых (специальных) измери­тельных приборов — логических анализаторов (по квалификационной классификации — ЛА), которые, в отличие от осциллографа, позво­ляют просматривать одновременно несколько десятков сигналов, т.е. логический анализатор является эквивалентом осциллографа, специ­ально приспособленного для проверки ЦИМС.

В логических анализаторах не требуется измерять напряжение контролируемых сигналов: при работе с логическими ИМС достаточ­но знать в каком состоянии находится конкретный узел (в состоянии логической «1» или логического «0»).

В отличие от осциллографа, показывающего значение напряжения в зависимости от времени, логический анализатор показывает логи­ческое состояние в зависимости от количества прошедших тактовых импульсов. В результате анализаторы проверяют работу логических узлов в режиме реального времени, воспринимая двоичные сигналы и представляя их в форме, удобной для оператора.

Логические анализаторы применяются при разработке, произ­водстве, эксплуатации и ремонте электронной аппаратуры, при от­ладке средств математического обеспечения приборов и больших информационно-измерительных систем.

Работа логических анализаторов заключается в том, что измене­ние логических состояний в контрольных точках, переход из одного логического состояния в другое при воздействии внешних сигналов записываются во внутреннюю память анализатора для последующего воспроизведения на экране индикатора в удобной для оператора фор­ме. Наличие в анализаторе внутренней памяти позволяет отслеживать периодические и однократные логические процессы.

В зависимости от наличия внутреннего генератора и вида индика­ции различают анализаторы логических состояний (АЛС) и анализа­торы временных диаграмм (АВД).

АЛС используются для записи во внутреннюю память сигнала, внешнего по отношению к прибору. В качестве такого сигнала чаще используются стимулирующие сигналы, изменяющие логические со­стояния проверяемых микросхем. В АВД предусмотрено наличие внутреннего тактового генератора, который используется для записи логи­ческого состояния в данной точке во внутреннюю память прибора. На рисунке 6.5 приведены структурные схемы анализаторов двух видов.

Рис. 6.5. Структурные схемы АЛС (а) и АВД (б)

С помощью анализатора сведения о логическом состоянии испы­туемого узла на рабочей частоте заносятся во внутреннюю память, преобразуясь в удобный для индикации вид, и отображаются на ин­дикаторе в виде квазивременнбй диаграммы (для АВД) либо в виде таблицы истинности (для АЛС).

В первом случае данные заносятся в память синхронно с измене­нием логического состояния испытуемого узла, а во втором случае — асинхронно. Поэтому АВД часто называют синхронными анализа­торами, а АЛС — асинхронными. На рисунке 6.6 приведен пример информации, отображаемой на индикаторе.

Рис. 6.6. Таблица истинности для АЛС (а) и квазивременная диаграмма для АВД (б)

Чтобы не потерять информацию в АВД, следует ввести запись в память с частотой, в несколько раз превышающей рабочую часто­ту испытуемого узла. Следовательно, тактовая частота АВД всегда должна быть больше тактовой частоты АЛС. Кроме того, для полного воспроизведения программы изменения логических состояний вну­тренняя память должна быть заметно больше, чем у АЛС. Например, у наиболее известных моделей АЛС объем памяти составляет 64 бита на канал, а у АВД — 2048 бит на канал.

На начальной стадии проектирования и при отладке аппаратных средств чаще всего используют АВД, которые позволяют оценить от­носительные задержки между каналами. Благодаря большому объе­му памяти и специальной схеме детектирования коротких импульсов с помощью АВД можно обнаружить короткие паразитные импуль­сы, существующие между тактовыми импульсами.

АВД удобен при работе с асинхронными устройствами, например для контроля синхронизации канала общего пользования (КОП).

На завершающей стадии проектирования аппаратной части и при отладке средств математического обеспечения приборов используют АЛС, на индикаторе которого отображается фрагмент программы в двоичном коде. Многие АЛС позволяют отображать информацию не только в двоичном коде, но и в восьмеричном и даже в шестнадцатеричном коде. Ряд АЛС имеют в своем составе дополнительные блоки преобразования информации, что дает возможность видеть на экране индикатора таблицу команд (листинг программы) на языке программирования высокого уровня.

Наряду с рассмотренными анализаторами выпускают специали­зированные, используемые для решения более узкого круга задач. Например, анализатор ЛА814 позволяет только контролировать прохождение сигнала по КОП. Также имеются анализаторы, поз­воляющие контролировать прохождение информации по шинам ми­кропроцессоров конкретного типа.

Характеристиками логических анализаторов являются многоканальность, быстродействие и способ запуска.

Многоканальность — это количество каналов, ограничиваемое объемом внутренней памяти и габаритами индикатора. Современные анализаторы имеют от двух до ста и более каналов. Использование многоканальных анализаторов удобно при регулировании и ремон­те печатных плат с комбинационной и последовательной логикой, к которым относятся регистры, счетчики, сумматоры. Многоканальность анализаторов необходима при проверке плат памяти, разнообразных интерфейсных плат и микропроцессорных устройств, где только адресная шина (ША) занимает 16 и более каналов. Например, для 8-разрядного микропроцессора, имеющего 16-разрядную ША, 8-разрядную шину данных (ШД) и ряд других линий, потребуется не менее чем 32-канальный анализатор.

Быстродействие позволяет избежать потерь информации: испы­тание устройства будет корректным только в том случае, если оно проводится на рабочей частоте. Следовательно, чем выше быстродей­ствие анализатора, тем лучше. Быстродействие подавляющего боль­шинства АЛС составляет (10...20) МГц и выше, что достаточно для современных микропроцессоров. Быстродействие современных АВД достигает 600 МГц с тенденцией дальнейшего роста.

Выбирая АВД по быстродействию, необходимо учитывать тот факт, что все анализаторы имеют возможность генерировать узкие паразитные выбросы, существующие между тактовыми импульсами. Чем выше рабочая частота анализатора, тем более узкие импульсы он способен захватывать. Например, анализатор с частотой 100 МГц способен различать паразитные импульсы длительностью 3...5 нс, а анализатор с частотой 50 МГц — длительностью 5... 10 нс.

Способ запуска — третья характеристика логических анализаторов. Самым простым способом запуска, который использовался в первых анализаторах, является комбинационный запуск (по параллельному коду слова), который позволяет просматривать периодические и не­периодические сигналы одновременно по всем каналам. При пра­вильном выборе запускающего слова анализатор дает стабильную картину, так как запуск осуществляется всегда в одном и том же месте проходящей информации. Запускающее слово выбирается так, что­бы оно было единственным в длинной последовательности данных. В целях выявления момента запуска в анализаторах любого типа вве­ден компаратор кодов, в котором сравнивается код приходящей ин­формации и код, вводимый с передней панели. В момент совпадения кодов вырабатывается сигнал, запускающий анализатор. Ввод кода запускающего слова обеспечивается непосредственно с клавиатуры либо с помощью переключателей. Таблица истинности и временная диаграмма при вводе запускающего слова (комбинационный запуск) приведены на рис. 6.7.

При конструировании цифровых устройств, когда имеет место длин­ная последовательность логических сигналов, возникает необходимость просмотра окна данных, далеко отстоящего от запускающего слова. Та­кой просмотр обеспечивается цифровой задержкой, которая позволяет передвигать окна данных на необходимое количество тактовых импуль­сов. Таблица истинности и временная диаграмма при вводе запускаю­щего слова (запуск с цифровой задержкой) приведены на рис. 6.8.

Рис. 6.7. Таблица истинности с временной диаграммой при вводе запускающего слова (комбинационный запуск)

Рис. 6.8. Таблица истинности с временной диаграммой при вводе запускающего слова (запуск с цифровой задержкой)

Цифровая задержка позволяет также при одном и том же запускаю­щем слове исследовать программу по частям, определив с абсолютной точностью окно данных, которое необходимо для наблюдения. Зна­чение цифровой задержки у анализаторов разных типов колеблется в пределах 10⁴...10⁶ импульсов. Существует связь между длиной запу­скающего слова и значением цифровой задержки: чем длиннее запу­скающее слово, тем короче цифровая задержка. Это объясняется тем, что в длинной последовательности данных всегда можно выбрать за­пускающее слово, отстоящее недалеко от необходимого окна данных.

Наряду с цифровой задержкой в анализаторах реализован режим отрицательной задержки, которая позволяет при пропускании инфор­мации через внутреннюю память, с поступлением запускающего слова остановить запись. При этом в памяти сохранится информация, пред­шествующая моменту запуска. Этот режим можно использовать при отыскании многих неисправностей, когда имеется сбой в одном и том же месте программы. Если в качестве запускающего слова использо­вать код сбоя, то появляется возможность проанализировать условия, которые этому сбою предшествовали.

При работе с микропроцессорными системами, в которых программа содержит циклы, запускающее слово может повторяться несколько раз. Во многих анализаторах введена возможность задержки запускающего сло­ва на определенное количество слов. В случае необходимости просмотра информации внутри цикла после программного n- го цикла используется задержка запускающего слова. При этом запускающее слово выбирается внутри цикла и вводится задержка на п слов. Окно данных будет указывать информацию внутри цикла после прохождения п циклов программы.

На рисунке 6.9 в условной форме приведены все рассмотренные ре­жимы работы анализатора.

Обобщенная структурная схема анализаторов АЛС и АВД приве­дена на рис. 6.10. Тактовые импульсы могут быть внутренними и внеш­ними. В зависимости от типа анализатора некоторые узлы структур­ной схемы могут отсутствовать.

Показанные на схеме узлы имеют следующее назначение:

· компараторы сортируют информацию на логический «0» и логи­ческую «1»;

· память записывает информацию с помощью внешнего (АЛС) или внутреннего (АВД) тактового импульса;

· компаратор кодов сравнивает поступающую информацию с инфор­мацией, вводимой с передней панели. При приходе запускающего слова вырабатывается сигнал на устройство запуска;

Рис. 6.9. Режимы работы анализатора: а — начало, после момента запуска; б — конец, до момента запуска; о — сдвиг, до и после момента запуска; г — после задержки на ;n тактовых импульсов; д — после прихода трех запускающих слов; е — после прихода двух запускающих слов И задержки на п тактовых импульсов

Рис. 6.10. Обобщенная структурная схема анализаторов АЛС и АВД

· устройство запуска разрешает запись приходящей информации в память;

· счетчик цифровой задержки задерживает разрешение записи в па­мять на заданное число тактовых импульсов;

· счетчик задержки запуска задерживает разрешение записи в па­мять на заданное число запускающих слов;

· схема преобразования информации преобразует информацию, записанную в память, в удобную для восприятия форму;

· индикатор высвечивает информацию в виде таблицы истинности или временной диаграммы.