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数位讯号疑难杂症 逻辑分析仪是首道防线
取样率是关键

【作者: 王岫晨】2018年05月21日 星期一

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逻辑分析仪有许多效能和有效性的定量指标,其中几项与其取样率有关。其中,和数位储存示波器(DSO)之频宽类似的是量测频率轴。某些探测和触发项目对DSO使用者而言也很熟悉,但还是有许多逻辑分析仪之数位领域独有的属性。由於逻辑分析仪并未尝试撷取和重建类比讯号,因此通道数和同步(时脉) 模式等问题就变得非常重要。


时序撷取率

逻辑分析仪最基本的任务,就是依据撷取到的资料制作时序图。若DUT正确运作,且撷取功能的设定适当,逻辑分析仪的时序显示会和设计模拟器或资料手册的时序图完全相同。但是这必须视逻辑分析仪的解析度而定,实际上就是其取样率。时序撷取是非同步的,也就是说,取样时脉相对於输入讯号为自由执行。取样率越高,取样就越可能准确侦测到事件的时序。


状态撷取率

状态撷取是同步进行的,它需要依靠DUT的外部触发以定出撷取的时脉。状态撷取专为协助工程师追踪资料流量,和执行处理器及汇流排的程式而设计。需注意的是,此频率和逻辑分析仪监控的汇流排及I/O执行有关,而非DUT的内部时脉速率。虽然装置的内部速率可能在数个GHz的范围内,但它与汇流排和其他装置的通讯,和逻辑分析仪的状态撷取频率属於同一个数量级。


记录长度

记录长度是逻辑分析仪技术规格的另一个关键。能够以取样资料的型式储存更多时间的逻辑分析仪非常有用,因为触发撷取的徵兆可能会在其後很长一段时间才发生。若使用较长的记录长度,通常就能撷取和检视这两者,大幅简化疑 难排解的程序。


记忆体测试

动态随机存取记忆体技术随着时间而演进,除了要求记忆体速度更快、容量更大和耗电量更低,同时实体尺寸还要更小巧。第一步就是转向可提供时脉优势,使其运作与记忆体控制器同步化的SDRAM,再来是资料速率随着DDR的使 用而增加。接下来就是克服讯号完整性的问题,和演化出DDR4 SDRAM和DDR5 SDRAM以增快速度。


为了赶上更复杂且更短的设计周期,记忆体设计师需要各种不同的测试设备,以查验其设计。若欲查看的是阻抗和轨迹长度,则会使用到取样示波器。若查看的是电子讯号,从功率到讯号强度到时脉、抖动等,则使用到数位萤光示波器。若查看的是命令和通讯协定,接下来将会使用逻辑分析仪来验证记忆体系统的操作。


逻辑分析仪记忆体支援透过配置逻辑分析仪的设定、针对记忆体撷取提供自订时脉、记忆体资料分析软体、助忆码列示等功能,来提升逻辑分析仪的操作,并可能包括记忆体探测硬体。


讯号完整性

想要找出讯号完整性相关问题的原因,唯一的方法就是直接观察讯号和量测。选择正确的工具有助於简化工作,记忆体的测试当然也不例外。大多数情况下,在几??任何一间电子工程实验室中,讯号完整性量测都是由同样类似的仪器进行。这些仪器包括逻辑分析仪和示波器。探棒和应用软体使基本工具套件更为丰富。此外,信号源可用来提供扭曲讯号,以进行新装置和系统的压力测试及评估。


在提到设定讯号完整性量测系统时,考虑的关键着重在:


●探测


●频宽与步进响应


●时序解析度


●记录长度


●触发


●整合


进行数位讯号完整度问题的疑难排解时,特别是在拥有许多汇流排、输入和输出的复杂系统中,逻辑分析仪是首道防线。


完整的逻辑分析仪,拥有更高通道数、深度记忆体和进阶触发功能,可撷取许多测试点的数位资讯,然後随之显示资讯。逻辑分析仪是真正的数位仪器,因此可在其监控的讯号上侦测临界值交叉,然後显示逻辑IC看到的逻辑讯号。产生的时序波形既清晰容易了解,且能够方便地与预期的资料互相比较,以确认工作正确进行。


这些时序波形通常是导致讯号完整性受损之讯号问题的搜寻起点。这些结果可以在反组译程式和处理器支援套件的协助下进一步解释,它们能以很低的硬体 活动量,让逻辑分析仪与即时软体轨迹建立关联。


结语

并非每一台逻辑分析仪,都能够胜任现今极高数位资料速率之下的讯号完整性分析。由於一直强调取样率和记忆体能力,很容易忽略逻辑分析仪中的触发功能,但是触发经常是发现问题的最快方法。毕竟,如果逻辑分析仪对错误进行触发,就证明了错误真的发生过。最新的逻辑分析仪中,包含了能够侦测某些讯号完整性妥协事件的触发,诸如突波和设定与保持时间违反等事件。这些触发条件可以一次套用至数百条通道,这是逻辑分析仪独有的强项。


(本文叁考资料:太克科技逻辑分析仪基础原理)


解决方案

罗德史瓦兹RTB2000/RTM3000/RTA4000数位示波器

台湾罗德史瓦兹:「这是物超所值的数位示波器!」



图1 : 罗德史瓦兹RTB2000数位示波器
图1 : 罗德史瓦兹RTB2000数位示波器图片来源:rohde-schwarz.com

R&S RTB2000/RTM3000/RTA4000 此三款是R&S新一代示波器系列,以「Power of Ten」10位元垂直解析度、10.1寸显示萤幕、10倍数的撷取记忆体等为设计概念。频宽选择从70MHz到1GHz ,提供灵活的选择;同时亦提供多种升级选项,包括16个数位通道的整合逻辑分析仪(MSO) 、多种协议解码和触发选项、任意波形及讯号产生器。R&S RTC1000 除了示波器标准功能外,更整合了数位电表、元件测试仪、函数产生器等多种功能;精简的机构设计同时拥有九种功能於一体,让使用者在占用最少空间的情况下进行各种测试,是一款物超所值的数位示波器


太克科技TLA7000逻辑分析仪

太克科技大中华区产品技术总监陈湘俊:「我们的仪器拥有业界最快的撷取速度!」



图2 : 太克科技TLA7000逻辑分析仪
图2 : 太克科技TLA7000逻辑分析仪图片来源:tektronix.com

使用太克的逻辑分析仪,工程师可以透过业界的最高撷取速度来撷取快速边缘。依指定应用程式来调整的支援套件,可更轻松地使用探棒、撷取、解码、分析及确认微处理器、FPGA或记忆体设计的效能。


陈湘俊说,经济型的TLA6400系列逻辑分析仪提供侦错、验证和最隹化数位系统功能所需效能。使用完整的讯号完整性侦错工具组合,可快速隔离、找出及辨识捉摸不定和难以找到的问题。至於模组式TLA7000系列逻辑分析仪,则提供撷取最快速微处理器和记忆体设计上,逻辑详细资讯所需的速度和弹性。透过相同的探棒找出捉摸不定错误的来源并使用易於阅读的大型显示器、快速资料输送量以及类比和数位讯号时序关联的检视,来掌握所有可视性。


是德科技逻辑分析仪

是德科技台湾区总经理张志铭:「这一系列逻辑分析仪可满足最严格的数位除错需求。」



图3 : 是德科技逻辑分析仪
图3 : 是德科技逻辑分析仪图片来源:keysight.com

是德科技逻辑分析仪提供最准确可靠的量测结果,让您能清楚观察系统特性,以大幅减轻开发专案的风险。


· U41XX系列模组化逻辑分析仪(安装在AXIe机箱中)具备高达4Gb/s的状态撷取速率、136 个通道/模组和高达200M的记忆体深度,提供同类产品中最高的效能和最隹的长期价值


· 16860系列可携式逻辑分析仪提供业界最快的时序分析功能与深度记忆体,可快速对数位系统进行除错。充分利用 2.5 GHz 时序撷取和高达 128 M 的取样记忆体;高达 1.4 GHz 的触发定序器(可进行状态和时序撷取);单端和差动探量选项


· 16900系列模组化逻辑分析仪能够灵活地配置系统。使用者可以先购买目前需要的功能与配件,然後随着需求增加将仪器升级


· 16800系列可携式逻辑分析仪以经济实惠的价格,提供结合高效能逻辑分析仪和码型产生器於一机的固定配置机型。您可在采购产品时或是将来需求增加後,将状态速率和记忆体深度升级


NI PXI架构逻辑分析器/数位波型产生器

国家仪器技术行销经理潘建安:「我们的仪器提供弹性强大的软硬体功能!」



图4 : NI PXI架构仪器
图4 : NI PXI架构仪器图片来源:NI

NI逻辑分析器与数位波形产生器组合,可针对数位IC与电子的设计、测试、除错作业,满足相关的分析与产生需求。此组合并具备NI LabVIEW SignalExpress 互动式软体,不需程式设计即可建立应用;另包含NI 6542或NI 6552数位波型产生器/分析器。


且多种组合均提供PCI、PXI,或PXIe规格。NI 6542组合具备32个通道,且可相容於5.0V、3.3V、2.5V,与1.8V逻辑,可从电路或系统中驱动输入或撷取输出。若需要弹性的电压准位 (以10mV为调整间隔,-2.0 V ~ 5.5 V);针对激发响应应用,於各个周期控制通道方向;并以低负载被动探测电路的功能,均可使用NI 6552 组合。这些组合提供弹性且强大的软硬体功能,可让工程师透过短版仪器,进行复杂的波型产生、时脉/状态行为分析,与报表产生作业。


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