使用邏輯分析儀調試時(shí)序問(wèn)題

在今天的數字世界，嵌入式系統比以往任何時(shí)候都更為復雜。使用速度更快、功耗更低的設備和功能更強大的電路，工程師需要考慮信號完整性問(wèn)題。在調試和驗證過(guò)程中，大部分數字電路失效可以追溯到信號完整性問(wèn)題。本文將討論如何使用邏輯分析儀的特性和功能來(lái)解決這些和時(shí)序相關(guān)的問(wèn)題，以快速、方便地找到設計問(wèn)題的根源。

探測的考慮

在你的設計電路中布置合適的探測點(diǎn)對于后期的調試工作具有至關(guān)重要的作用。有了合適的探測點(diǎn)，你可以把不同位置的信號時(shí)序問(wèn)題關(guān)聯(lián)起來(lái)，查看總線(xiàn)的運行情況，并分析硬件和軟件接口。因此尋找問(wèn)題根源的第一步就是信號的探測。

確定好測試點(diǎn)后，下一步就是挑選探頭，探頭的特性對于測量非常重要，總電容負載偏高的探頭可以改變系統性能并帶來(lái)（或隱藏）時(shí)序問(wèn)題。尤其在高速系統，偏高的探頭電容負載可能導致被測系統(SUT)無(wú)法正常運行。因此，盡可能選擇較小的總電容負載探頭。

探頭電容一般會(huì )拉長(cháng)信號邊沿時(shí)間，如圖1所示。該邊沿的轉換速度變慢,時(shí)間大約為tΔ，而較慢的邊沿經(jīng)過(guò)邏輯電路后，將在被測系統中引入時(shí)序問(wèn)題。隨著(zhù)時(shí)鐘頻率增加，這個(gè)問(wèn)題變得更加嚴重。

圖1 邏輯分析儀探頭的阻抗影響信號的上升時(shí)間和時(shí)序測量

邏輯分析儀的性能考慮

邏輯分析儀的性能對于系統調試，尋找問(wèn)題源起了重要作用。而要正確選擇邏輯分析儀來(lái)滿(mǎn)足測試需求，首先需要了解邏輯分析儀的基本功能。邏輯分析儀的最基本的功能是利用采集的數據繪出時(shí)序分析圖。如果被測系統工作正常，并且邏輯分析儀的采集設置正確，邏輯分析儀的時(shí)序顯示應該與設計仿真或規格書(shū)上的數據完全相同，但在實(shí)際情況下，這還與邏輯分析儀的分辨率(即采樣率)密切相關(guān)。邏輯分析儀的采樣時(shí)鐘與輸入信號是異步的，采樣率越高，就越可能準確檢測到信號的異常事件(如毛刺)。為了分析更快的信號，邏輯分析儀通常提供更高的分辨率采集模式，在觸發(fā)點(diǎn)周?chē)�采集更多的數據。泰克TLA系列邏輯分析儀的MagniVu高分辨率采集模式能夠在所有通道提供高達50GHz的采樣。其他功能還包括可調節的MagniVu采樣率、可調節的觸發(fā)位置、一個(gè)獨立于主觸發(fā)器的MagniVu觸發(fā)。所有這些功能為捕獲各種各樣的時(shí)序問(wèn)題提供了更多的靈活性。

什么是毛刺

如果設備出現故障，要進(jìn)行系統調試，一種方法是先查找毛刺。毛刺是非常窄的脈沖，毛刺在系統中可能導致、也可能不導致邏輯出錯。毛刺對系統運行的影響是無(wú)法預測的。毛刺可以是多種設備故障(包括競爭情況、端接錯誤、驅動(dòng)器錯誤、時(shí)序違規和串擾)的最初跡象。

毛刺定位

由于毛刺造成的問(wèn)題通常是間歇性的，因此解決起來(lái)可能十分困難。一種可靠的方法是，將傳統的“自上而下”故障排除法與測試儀器的特定優(yōu)勢相結合。先對設備運行情況有宏觀(guān)的了解，然后聚焦于存在的問(wèn)題。在不超過(guò)4個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行定位毛刺時(shí)，數字熒光示波器（DPO）是強大和簡(jiǎn)單易用的毛刺定位工具。DPO有較高的分析信號行為的能力，它能實(shí)時(shí)存儲和分析復雜信號，同時(shí)能將信號信息以三維方式顯示（即幅度、時(shí)間和信號出現的概率），是業(yè)界捕獲難以捉摸的故障信號和間歇性事件非常有效的工具。

但如果需要同時(shí)進(jìn)行4個(gè)以上通道，甚至上百個(gè)通道的毛刺定位，就需要用到邏輯分析儀。邏輯分析儀會(huì )檢查每一個(gè)信號以尋找毛刺�？偩�(xiàn)時(shí)序圖中的紅色標記代表毛刺出現的位置，以便進(jìn)一步分析。然后，再使用示波器揭示毛刺的實(shí)際形狀，以進(jìn)一步分析該問(wèn)題。TLA系列邏輯分析儀提供了iView測量功能，可以將邏輯分析儀和示波器聯(lián)合到一個(gè)系統，逐步“放大”問(wèn)題，使用非常方便。下面將通過(guò)四個(gè)步驟來(lái)確定兩種不同的毛刺及其可能的來(lái)源。

步驟I：檢查總線(xiàn)

先重點(diǎn)觀(guān)察系統運行情況，并從整體上尋找故障。邏輯分析儀的總線(xiàn)時(shí)序分析將標記出現的所有毛刺。需要尋找間歇性事件(如毛刺)時(shí)，最好使用具有較長(cháng)記錄長(cháng)度的邏輯分析儀。邏輯分析儀在任何一個(gè)信號線(xiàn)中監測到毛刺，則會(huì )標記總線(xiàn)和時(shí)間位置。在圖2中，頂部的波形顯示了代表邏輯分析儀的深存儲定時(shí)取樣速率的取樣點(diǎn)序列。下面兩個(gè)信號是總線(xiàn)波形——4位控制總線(xiàn)和8位地址總線(xiàn)。出現在這兩個(gè)總線(xiàn)波形中的紅色毛刺標記說(shuō)明在這些位置上的取樣點(diǎn)之間有多次跳變。

圖2 取樣點(diǎn)序列，控制總線(xiàn)和地址總線(xiàn)顯示紅色毛刺標記

步驟II：檢查信號線(xiàn)

現在來(lái)查找問(wèn)題的來(lái)源。使用邏輯分析儀的時(shí)序信號波形顯示總線(xiàn)的各個(gè)信號線(xiàn)，并標記毛刺發(fā)生的位置。在圖3中，邏輯分析儀已將控制總線(xiàn)擴展為四個(gè)單獨的信號，并將地址總線(xiàn)擴展為八個(gè)單獨的信號。圖3中總線(xiàn)波形上的紅色毛刺標記，現在顯示為信號線(xiàn)Control(3)和Control(0)上的毛刺標記，以及信號線(xiàn)Address(0)上的兩處毛刺。

圖3 擴展的4位控制總線(xiàn)和8位地址總線(xiàn)。在單個(gè)信號上顯示紅色毛刺標記

步驟III：了解故障細節

接下來(lái)使用高分辨率時(shí)序圖詳細檢查故障。了解事件點(diǎn)與其他事件點(diǎn)之間的關(guān)系。泰克TLA系列邏輯分析儀的MagniVu功能能在最大16Kb的存儲深度下為每個(gè)通道提供高達50GHz的數字采樣率,并可與普通采樣率深記錄長(cháng)度的時(shí)序分析功能同時(shí)運行。這樣，一個(gè)邏輯分析儀無(wú)須更換探頭，同時(shí)實(shí)現了深度時(shí)序邏輯分析儀和高分辨率時(shí)序邏輯分析儀兩個(gè)功能。在本例中，似乎有兩個(gè)不同的問(wèn)題導致了毛刺的發(fā)生。首先，重點(diǎn)觀(guān)察Control(3)信號線(xiàn)，并打開(kāi)Control(3)信號的MagniVu波形。圖4表明，由于MagniVu波形具有較高的分辨率，因此可揭示毛刺只出現在一個(gè)數字脈沖的末端而非前端或中間。這是找出故障原因的一個(gè)很重要的線(xiàn)索。進(jìn)行到步驟IV時(shí)，將發(fā)現可能的原因。

圖4 毛刺Control(3)的MagniVu波形顯示

現在重點(diǎn)檢查其余兩個(gè)標有毛刺的信號線(xiàn)：Control(0)和Address(0)。在圖5上，借助MagniVu 20ps的高分辨率成功捕獲這兩個(gè)信號線(xiàn)上的毛刺。請注意，在這兩個(gè)信號線(xiàn)上毛刺和脈沖是同時(shí)發(fā)生的。這通常表明兩個(gè)信號之間發(fā)生了串擾，但是，需要從另一個(gè)角度仔細觀(guān)察以進(jìn)行確認。進(jìn)行到步驟IV時(shí)，可以發(fā)現更多信息。

圖5 Control(0)和Address(0)信號線(xiàn)，其中MagniVu顯示了由于串擾造成的毛刺

步驟IV：觀(guān)察模擬波形

為了了解毛刺的真實(shí)形狀，需要同時(shí)使用示波器和邏輯分析儀以觀(guān)察信號的數字和模擬特性。TLA系列邏輯分析儀對此做了優(yōu)化，提供可選的模擬信號復用器，實(shí)現了從邏輯分析儀探頭獲取的信號同時(shí)驅動(dòng)邏輯分析儀和示波器。這樣就不需要使用示波器的探頭，從而減少了探頭負載對信號的影響。

一旦示波器和邏輯分析儀連在一起同時(shí)采集信號，對兩臺儀器進(jìn)行同步是最為關(guān)鍵的。泰克的邏輯分析儀利用iView功能，幫助邏輯分析儀在準確的時(shí)間觸發(fā)示波器以捕獲毛刺，還可以在顯示屏上同時(shí)顯示時(shí)間相關(guān)的模擬波形和數字波形。圖6上展示了信號線(xiàn)Control(3)上毛刺的模擬信號。

圖6 iView示波器顯示，顯示Control(3)信號的模擬形式

很明顯，脈沖的上升沿和下降沿都出現了失真情況。上升沿的下垂程度不足以觸發(fā)一個(gè)邏輯跳變，因此未顯示為毛刺。然而，下降邊沿的回彈高度足以超過(guò)邏輯閥值，有時(shí)會(huì )引起邏輯跳變。盡管總線(xiàn)時(shí)鐘的頻率不是很高，但電路使用的LVPECL邏輯系列仍可引入快速邊沿。脈沖邊沿的反彈表明電路板終端存在問(wèn)題，該問(wèn)題由于邏輯電路對于快速邊沿的靈敏度較高而被放大。

對前面的Control(0)和Address(0)中的串擾假設進(jìn)行測試，圖7表明，對于其中一個(gè)信號的每個(gè)前沿，在另一個(gè)信號上都有一個(gè)相應的正電壓脈沖。這表明Control(0)和Address(0)之間確實(shí)發(fā)生了串擾。在相應結構接口中，相鄰的運行信號或引腳處很容易發(fā)生串擾。與低頻信號相比，高頻信號和時(shí)鐘邊沿更易受串擾影響。這意味著(zhù)在較高的頻率下，過(guò)去適用于較低頻率的設計方案也可能導致故障。這兩個(gè)示例中的總線(xiàn)帶寬較窄，邏輯分析儀可對上百個(gè)信號的總線(xiàn)使用邏輯分析儀毛刺觸發(fā)功能，檢查每個(gè)信號線(xiàn)以尋找毛刺。如果它標記了毛刺，你可以利用前面討論的這些功能來(lái)確定毛刺的來(lái)源。

圖7 使用iView測量功能顯示的Control(0)與Address(0)之間的串擾

小結

時(shí)序問(wèn)題對于許多嵌入式設計來(lái)說(shuō)是相當常見(jiàn)的，故障排除可能是一個(gè)耗時(shí)的任務(wù)。使用正確的邏輯分析儀將簡(jiǎn)化和加快這一進(jìn)程。對比指標時(shí)，許多邏輯分析儀似乎有相同的性能，但為了確保邏輯分析儀能夠正確地采集信號，快速地找到問(wèn)題，你不能只看指標，還需要考慮到邏輯分析儀的結構和功能。