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數位訊號疑難雜症 邏輯分析儀是首道防線
取樣率是關鍵

【作者: 王岫晨】   2018年05月21日 星期一

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邏輯分析儀有許多效能和有效性的定量指標,其中幾項與其取樣率有關。其中,和數位儲存示波器(DSO)之頻寬類似的是量測頻率軸。某些探測和觸發項目對DSO使用者而言也很熟悉,但還是有許多邏輯分析儀之數位領域獨有的屬性。由於邏輯分析儀並未嘗試擷取和重建類比訊號,因此通道數和同步(時脈) 模式等問題就變得非常重要。


時序擷取率

邏輯分析儀最基本的任務,就是依據擷取到的資料製作時序圖。若DUT正確運作,且擷取功能的設定適當,邏輯分析儀的時序顯示會和設計模擬器或資料手冊的時序圖完全相同。但是這必須視邏輯分析儀的解析度而定,實際上就是其取樣率。時序擷取是非同步的,也就是說,取樣時脈相對於輸入訊號為自由執行。取樣率越高,取樣就越可能準確偵測到事件的時序。


狀態擷取率

狀態擷取是同步進行的,它需要依靠DUT的外部觸發以定出擷取的時脈。狀態擷取專為協助工程師追蹤資料流量,和執行處理器及匯流排的程式而設計。需注意的是,此頻率和邏輯分析儀監控的匯流排及I/O執行有關,而非DUT的內部時脈速率。雖然裝置的內部速率可能在數個GHz的範圍內,但它與匯流排和其他裝置的通訊,和邏輯分析儀的狀態擷取頻率屬於同一個數量級。


記錄長度

記錄長度是邏輯分析儀技術規格的另一個關鍵。能夠以取樣資料的型式儲存更多時間的邏輯分析儀非常有用,因為觸發擷取的徵兆可能會在其後很長一段時間才發生。若使用較長的記錄長度,通常就能擷取和檢視這兩者,大幅簡化疑 難排解的程序。


記憶體測試

動態隨機存取記憶體技術隨著時間而演進,除了要求記憶體速度更快、容量更大和耗電量更低,同時實體尺寸還要更小巧。第一步就是轉向可提供時脈優勢,使其運作與記憶體控制器同步化的SDRAM,再來是資料速率隨著DDR的使 用而增加。接下來就是克服訊號完整性的問題,和演化出DDR4 SDRAM和DDR5 SDRAM以增快速度。


為了趕上更複雜且更短的設計週期,記憶體設計師需要各種不同的測試設備,以查驗其設計。若欲查看的是阻抗和軌跡長度,則會使用到取樣示波器。若查看的是電子訊號,從功率到訊號強度到時脈、抖動等,則使用到數位螢光示波器。若查看的是命令和通訊協定,接下來將會使用邏輯分析儀來驗證記憶體系統的操作。


邏輯分析儀記憶體支援透過配置邏輯分析儀的設定、針對記憶體擷取提供自訂時脈、記憶體資料分析軟體、助憶碼列示等功能,來提升邏輯分析儀的操作,並可能包括記憶體探測硬體。


訊號完整性

想要找出訊號完整性相關問題的原因,唯一的方法就是直接觀察訊號和量測。選擇正確的工具有助於簡化工作,記憶體的測試當然也不例外。大多數情況下,在幾乎任何一間電子工程實驗室中,訊號完整性量測都是由同樣類似的儀器進行。這些儀器包括邏輯分析儀和示波器。探棒和應用軟體使基本工具套件更為豐富。此外,信號源可用來提供扭曲訊號,以進行新裝置和系統的壓力測試及評估。


在提到設定訊號完整性量測系統時,考慮的關鍵著重在:


●探測


●頻寬與步進響應


●時序解析度


●記錄長度


●觸發


●整合


進行數位訊號完整度問題的疑難排解時,特別是在擁有許多匯流排、輸入和輸出的複雜系統中,邏輯分析儀是首道防線。


完整的邏輯分析儀,擁有更高通道數、深度記憶體和進階觸發功能,可擷取許多測試點的數位資訊,然後隨之顯示資訊。邏輯分析儀是真正的數位儀器,因此可在其監控的訊號上偵測臨界值交叉,然後顯示邏輯IC看到的邏輯訊號。產生的時序波形既清晰容易了解,且能夠方便地與預期的資料互相比較,以確認工作正確進行。


這些時序波形通常是導致訊號完整性受損之訊號問題的搜尋起點。這些結果可以在反組譯程式和處理器支援套件的協助下進一步解釋,它們能以很低的硬體 活動量,讓邏輯分析儀與即時軟體軌跡建立關聯。


結語

並非每一台邏輯分析儀,都能夠勝任現今極高數位資料速率之下的訊號完整性分析。由於一直強調取樣率和記憶體能力,很容易忽略邏輯分析儀中的觸發功能,但是觸發經常是發現問題的最快方法。畢竟,如果邏輯分析儀對錯誤進行觸發,就證明了錯誤真的發生過。最新的邏輯分析儀中,包含了能夠偵測某些訊號完整性妥協事件的觸發,諸如突波和設定與保持時間違反等事件。這些觸發條件可以一次套用至數百條通道,這是邏輯分析儀獨有的強項。


(本文參考資料:太克科技邏輯分析儀基礎原理)


解決方案

羅德史瓦茲RTB2000/RTM3000/RTA4000數位示波器

台灣羅德史瓦茲:「這是物超所值的數位示波器!」



圖1 : 羅德史瓦茲RTB2000數位示波器
圖1 : 羅德史瓦茲RTB2000數位示波器圖片來源: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吋顯示螢幕、10倍數的擷取記憶體等為設計概念。頻寬選擇從70MHz到1GHz ,提供靈活的選擇;同時亦提供多種升級選項,包括16個數位通道的整合邏輯分析儀(MSO) 、多種協議解碼和觸發選項、任意波形及訊號產生器。R&S RTC1000 除了示波器標準功能外,更整合了數位電表、元件測試儀、函數產生器等多種功能;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,是一款物超所值的數位示波器


太克科技TLA7000邏輯分析儀

太克科技大中華區產品技術總監陳湘俊:「我們的儀器擁有業界最快的擷取速度!」



圖2 : 太克科技TLA7000邏輯分析儀
圖2 : 太克科技TLA7000邏輯分析儀圖片來源:tektronix.com

使用太克的邏輯分析儀,工程師可以透過業界的最高擷取速度來擷取快速邊緣。依指定應用程式來調整的支援套件,可更輕鬆地使用探棒、擷取、解碼、分析及確認微處理器、FPGA或記憶體設計的效能。


陳湘俊說,經濟型的TLA6400系列邏輯分析儀提供偵錯、驗證和最佳化數位系統功能所需效能。使用完整的訊號完整性偵錯工具組合,可快速隔離、找出及辨識捉摸不定和難以找到的問題。至於模組式TLA7000系列邏輯分析儀,則提供擷取最快速微處理器和記憶體設計上,邏輯詳細資訊所需的速度和彈性。透過相同的探棒找出捉摸不定錯誤的來源並使用易於閱讀的大型顯示器、快速資料輸送量以及類比和數位訊號時序關聯的檢視,來掌握所有可視性。


是德科技邏輯分析儀

是德科技台灣區總經理張志銘:「這一系列邏輯分析儀可滿足最嚴格的數位除錯需求。」



圖3 : 是德科技邏輯分析儀
圖3 : 是德科技邏輯分析儀圖片來源:keysight.com

是德科技邏輯分析儀提供最準確可靠的量測結果,讓您能清楚觀察系統特性,以大幅減輕開發專案的風險。


‧ U41XX系列模組化邏輯分析儀(安裝在AXIe機箱中)具備高達4Gb/s的狀態擷取速率、136 個通道/模組和高達200M的記憶體深度,提供同類產品中最高的效能和最佳的長期價值


‧ 16860系列可攜式邏輯分析儀提供業界最快的時序分析功能與深度記憶體,可快速對數位系統進行除錯。充分利用 2.5 GHz 時序擷取和高達 128 M 的取樣記憶體;高達 1.4 GHz 的觸發定序器(可進行狀態和時序擷取);單端和差動探量選項


‧ 16900系列模組化邏輯分析儀能夠靈活地配置系統。使用者可以先購買目前需要的功能與配件,然後隨著需求增加將儀器升級


‧ 16800系列可攜式邏輯分析儀以經濟實惠的價格,提供結合高效能邏輯分析儀和碼型產生器於一機的固定配置機型。您可在採購產品時或是將來需求增加後,將狀態速率和記憶體深度升級


NI PXI架構邏輯分析器/數位波型產生器

國家儀器技術行銷經理潘建安:「我們的儀器提供彈性強大的軟硬體功能!」



圖4 : NI PXI架構儀器
圖4 : NI PXI架構儀器圖片來源:NI

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。此組合並具備NI LabVIEW SignalExpress 互動式軟體,不需程式設計即可建立應用;另包含NI 6542或NI 6552數位波型產生器/分析器。


且多種組合均提供PCI、PXI,或PXIe規格。NI 6542組合具備32個通道,且可相容於5.0V、3.3V、2.5V,與1.8V邏輯,可從電路或系統中驅動輸入或擷取輸出。若需要彈性的電壓準位 (以10mV為調整間隔,-2.0 V ~ 5.5 V);針對激發響應應用,於各個週期控制通道方向;並以低負載被動探測電路的功能,均可使用NI 6552 組合。這些組合提供彈性且強大的軟硬體功能,可讓工程師透過短版儀器,進行複雜的波型產生、時脈/狀態行為分析,與報表產生作業。


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