Осцилограф та логічний аналізатор - чудовий тандем для налагодження найскладніших електронних схем

Вступ

Оскільки складність сучасних електронних схем зростає зі збільшенням використання цифрової та послідовної передачі даних, визначення приладу, який можна вважати оптимальним для тестування таких систем, стає неоднозначним. Інженери розробляють системи зі «змішаними сигналами», в яких поєднуються аналогові та цифрові технології. Зростає необхідність у обладнанні, що дозволяє зіставляти аналогові та цифрові сигнали за допомогою одного приладу. Зазвичай аналіз змішаних сигналів виконувався з використанням автономного осцилографа та логічного аналізатора – рішення складалося з двох приладів. Таке рішення часто є громіздким, і з його допомогою складно досягти оптимальних результатів. Необхідність зіставлення аналогових та цифрових сигналів призвела до розробки осцилографа змішаних сигналів.

Між осцилографами, осцилографами змішаних сигналів та логічними аналізаторами є подібності та відмінності. Щоб краще зрозуміти, у яких випадках і як використовуються ці прилади, корисно порівняти їх функції.

Цифровий осцилограф

Цифровий осцилограф широко використовується розробниками електронної техніки у всьому світі. Вони добре розуміють, як він працює, і довіряють одержуваним результатам. Висока частота дискретизації і широка смуга пропускання такого осцилографа дозволяє реєструвати і переглядати цікаві сигнали з високою роздільною здатністю. Осцилографи чудово підходять для відображення та вимірювання аналогових характеристик електричних сигналів усіх типів. Зазвичай осцилограф має два або чотири вхідні канали, і він дозволяє зіставляти невелику кількість аналогових, цифрових сигналів і сигналів послідовної передачі даних.

Рис. 1 Налагодження аналогової схеми з використанням осцилографа серії Tektronix TDS3000B

Рис. 2 Декодування послідовного потоку даних з використанням осцилографа серії Tektronix DPO4000

Області застосування цифрового осцилографа

• Вимірювання амплітуд та часових параметрів сигналів
• Вимірювання параметрів фронту та напруги сигналу для оцінки тимчасових характеристик
• Вимірювання струму
• Виявлення помилок перехідних процесів, наприклад, глітків (викидів), рант-імпульсів, метастабільних переходів
• Визначення характеристик цілісності сигналу

Логічний аналізатор

Логічний аналізатор є ідеальним приладом для перевірки та налагодження складних цифрових схем. Найбільш очевидною відмінністю логічного аналізатора від осцилографа є число каналів. Логічні аналізатори мають від 34 до сотень і навіть тисяч каналів, тоді як у звичайного осцилографа є лише 2-4 канали.
Однак і по суті, логічні аналізатори реєструють сигнали інакше, ніж осцилографи. Зазвичай, дискретизація сигналу в осцилографах виконується з використанням 8-розрядного аналого-цифрового перетворювача (АЦП) для достовірного, детального відтворення сигналу на екрані осцилографа. А логічний аналізатор просто порівнює вхідний сигнал із заданим користувачем рівнем порогової напруги. Якщо сигнал вищий за пороговий рівень, він розглядається як логічна 1, якщо нижче – як логічний 0. Такі абсолютно різні підходи до реєстрації сигналу призводять до того, що той самий імпульс відображається по-різному, як показано на рис. 3.

Рис. 3 Відображення сигналів на логічних аналізаторах та осцилографах

Ще одна відмінність між осцилографом та логічним аналізатором полягає у запуску. В осцилографах пропонуються основні режими запуску, призначені для пошуку аномалій аналогового сигналу (глітчої (викидів), рант-імпульсів, швидкості наростання і т.д.), а також випадків виконання основних цифрових умов, таких як порушення часу встановлення та утримання або одна логічна модель, визначена двох чи чотирьох вхідних каналах.

Рис. 4 Відстеження вихідного коду на логічному аналізаторі Tektronix TLA

З іншого боку, логічні аналізатори надають безліч логічних засобів, таких як численні блоки порівняння слів, лічильники та таймери, що дозволяють визначати складні умови запуску типу ЯКЩО-ІНАЧЕ по безлічі станів для пошуку несправностей у складних системах.

Рис. 5 Аналіз тимчасових параметрів за допомогою логічного аналізатора Tektronix TLA

Крім того, логічні аналізатори містять повний набір пакетів підтримки мікропроцесорів. Ці пакети зазвичай містять апаратний та програмний компоненти. Апаратний компонент забезпечує фізичне підключення до зовнішньої мікропроцесорної шини, а програмний компонент розшифровує захоплені дані для подання у зручній формі для аналізу виконання програм.
Ще одна перевага логічного аналізатора полягає у можливості відстежувати та зіставляти сигнали кількох системних шин на одному приладі. Наприклад, розробнику може знадобитися відстежити виконання програми зовнішньої шині одночасно з відстеженням звернень до пам'яті. Завдяки можливості розширення функцій логічні аналізатори чудово підходять для вирішення складних завдань, які потребують наочності, використання сучасних режимів запуску та програмних засобів аналізу.

Області застосування логічного аналізатора

• Всебічна багатоканальна перевірка роботи цифрової системи
• Використання сучасних режимів запуску за багатьма станами для пошуку несправностей
• Відстеження виконання програм
• Перевірка тимчасових характеристик системи
• Тестування параметрів системи
• Дослідження швидкодіючих пристроїв запам'ятовування

Логічний аналізатор із модулями осцилографа

Одна з перших спроб запропонувати рішення для тестування систем зі змішаними сигналами полягала у створенні для логічних аналізаторів спеціальних модулів, що є цифровими осцилографами. Ці модулі вбудовувалися безпосередньо в логічний аналізатор та виконували функції осцилографа. Сигнал, зареєстрований за допомогою осцилографа, зіставлявся із сигналами у цифрових каналах на екрані логічного аналізатора.
Однак такі модулі осцилографа мали свої обмеження. Будучи частиною логічного аналізатора, є, переважно, пристроями одноразового запуску на відміну автономних осцилографів, які у режимі реального часу. Вони досить дорогі, мають більш скромні можливості, ніж окремі осцилографи, і не мають звичного користувальницького інтерфейсу осцилографа. Зрештою, оскільки вони інтегровані з логічним аналізатором, їх неможливо використовувати для вирішення повсякденних завдань налагодження.

Області застосування логічного аналізатора з осцилографом

• Розробка схем з аналоговими та цифровими компонентами
• Аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі
• Вимірювання якості цифрових сигналів
• Зіставлення аналогових та цифрових подій у часі
• Дослідження параметрів перехідного процесу при включенні системи

Логічний аналізатор, що використовується у поєднанні з настільним осцилографом

Осцилограф можна знайти майже в кожній інженерній лабораторії. Вони чудово підходять для вирішення завдань, в яких потрібно подавати аналоговий сигнал з високою роздільною здатністю. Тоді потрібно всебічно дослідити роботу системної шини, каналів осцилографа може виявитися недостатньо. У таких випадках розробники широко використовують логічні аналізатори.

Що Ви робите, коли необхідно зареєструвати сигнали на множині цифрових каналів і одночасно отримати подання аналогового сигналу з високою роздільною здатністю? Для вирішення складних проблем, пов'язаних зі змішаними сигналами, часто потрібно переглядати аналогові та цифрові сигнали одночасно. У разі необхідно використовувати і осцилограф, і логічний аналізатор.

Однією з переваг такого рішення, що складається з двох приладів, є швидкодія. Оскільки розміри схем, що розробляються, зменшуються, зростає вплив аналогових характеристик сигналів на цілісність роботи схем. Розробникам потрібно одночасно вимірювати характеристики високошвидкісних цифрових та аналогових сигналів у цих схемах. Під час використання таких технологій, як PCI Express, HyperTransport™ та DDR, виникають проблеми, пов'язані з вимірюваннями. Швидкості шини просто надто високі для модулів осцилографа, інтегрованих у логічний аналізатор. Однак для таких сфер застосування ідеально підходять настільні осцилографи. Усвідомивши необхідність зіставляти дані, отримані на настільному осцилографі, із даними, отриманими на логічному аналізаторі, фахівці Tektronix розробили технологію iView™ (Integrated View).

Області застосування логічного аналізатора, що використовується у поєднанні з настільним осцилографом

• Цифрові та високошвидкісні пристрої послідовної передачі даних
• Низькошвидкісні пристрої послідовної передачі даних
• Проектування та перевірка роботи пристроїв, що запам'ятовують
• Перевірка характеристик системи
• Розробка серверів
• Перевірка високошвидкісних з'єднувальних каналів
• Аналіз зовнішньої мікропроцесорної шини
• Графічні пристрої

iView™ об'єднує та автоматично зіставляє за часом дані з осцилографа та логічного аналізатора Tektronix. Дані, одержані на осцилографі, передаються на логічний аналізатор, що дозволяє отримати сигнали з кореляцією за часом. На відміну від інтегрованого рішення, описаного вище, iView™ дозволяє використовувати будь-який осцилограф Tektronix у поєднанні з логічним аналізатором. Це інтегроване рішення, що складається з двох приладів, надає можливості повноцінного логічного аналізатора та осцилографа, що працюють як єдине ціле. Перевага iView™ полягає у відповідності характеристик та ціни обладнання до його сфери застосування.

Осцилограф змішаних сигналів

Осцилограф широко використовуються більшістю розробників пристроїв зі змішаними сигналами. Однак звичайний дво- або чотириканальний осцилограф часто не дозволяє вирішити проблеми, що виникають при розробці сучасних схем зі змішаними сигналами. Розглянемо аналого-цифровий чи цифро-аналоговий перетворювач. Такі перетворювачі використовуються у багатьох складних пристроях, від MP3-плеєрів до автомобілів. Якщо розробнику необхідно проаналізувати аналого-цифровий вхід, одночасно відстежуючи 8-розрядний вихід, осцилографів каналів не вистачить. Занадто часто ми ловимо себе на думці «добре в осцилографа було більше каналів».

Осцилографи змішаних сигналів (часто звані MSO - Mixed Signal Oscilloscope) мають такі ж конструктивні особливості та інтерфейс користувача, що і звичайний осцилограф. Цей осцилограф удосконалений для аналізу різних сигналів у вигляді інтеграції основних функцій логічного аналізатора. Осцилограф змішаних сигналів працює як осцилограф, але дозволяє використовувати додаткові переваги 16 цифрових каналів.

Осцилограф змішаних сигналів – прилад, поводитися з яким Ви вже вмієте

Як часто Ви чуєте фразу «набридло діставати посібник користувача щоразу при використанні цього приладу»?

Осцилограф змішаних сигналів багато в чому працює як звичайний осцилограф. Однак, на відміну від звичайного осцилографа, у нього є 16 цифрових каналів. Завдяки простоті та практичності, осцилограф змішаних сигналів є ідеальним приладом для Вашої лабораторії. Він простий у використанні та зручний у налаштуванні. Не означає, що осцилографи змішаних сигналів не надають повний комплект ефективних функцій, вони працюють як звичайні осцилографы. Такі функції, як автоустановка, автоматично розташовують і масштабують аналогові та цифрові осцилограми. Усі меню залишаються незмінними, лише при виборі каналів тепер відображаються ще 16 цифрових каналів.

Тісна інтеграція між осцилографом та 16 цифровими каналами забезпечує універсальний прилад для розробки складних пристроїв.

Рис. 6 Wave Inspector® дозволяє зручно переглядати та аналізувати дані осцилограм аналогових та цифрових сигналів.

Осцилографи змішаних сигналів приносять душевний спокій

Для багатьох розробників осцилографи змішаних сигналів забезпечують певною мірою цифрову страховку. Приємно знати, що якщо потрібно, можна використовувати більше чотирьох каналів.

Рис. 7 Аналогові та цифрові осцилограми, отримані за допомогою одного приладу серії MSO4000

Осцилографи змішаних сигналів, ідеальний засіб для тестування змішаних сигналів

Осцилографи змішаних сигналів відрізняються від інших приладів. Ви отримуєте портативний осцилограф високої якості та простий логічний аналізатор в одному компактному корпусі. Така тісна інтеграція між аналоговою та цифровою технологіями дозволяє відображати, синхронізувати та аналізувати сигнали обох типів за допомогою одного приладу. На відміну від рішення для тестування змішаних сигналів, в основі якого лежить логічний аналізатор, осцилографи змішаних сигналів працюють у режимі реального часу, забезпечуючи безперервне оновлення аналогових та цифрових осцилограм. Як часто ви спостерігали, що щось виглядає неправильно під час використання логічного аналізатора? Потім Ви шукали свій осцилограф, щоб перевірити, у чому річ. Ще одна особливість осцилографа змішаних сигналів, що робить його ідеальним приладом для використання при розробці систем зі змішаними сигналами, полягає в можливості запуску на сигнали послідовних шин.

Рис. 8 Одночасне відображення декодованої паралельної шини та послідовної шини SPI на осцилографі серії MSO4000.

На відміну від логічних аналізаторів, які орієнтовані, в основному, на паралельні шини, осцилографи змішаних сигналів забезпечують запуск та декодування сигналів таких шин, як I2C, SPI, RS-232 та CAN. Якщо об'єднати ці можливості з можливістю запуску на сигнали паралельної шини, жодна помилка не сховається від Ваших очей.

Області застосування осцилографа змішаних сигналів

• Розробка та перевірка складних систем
• Системотехніка
• Налагодження пристроїв послідовної передачі даних
• Налагодження аналого-цифрових та цифро-аналогових перетворювачів
• Проектування та перевірка роботи мікросхем програмованої логіки FPGA
• Автомобільна електроніка

Вибір приладу для Вашого завдання, пов'язаного із застосуванням змішаних сигналів

Правильний вибір обладнання для тестування великою мірою залежить від конкретного завдання. У таблиці наведено основні функції кожного рішення на основі загального набору вимог користувача, щоб допомогти вибрати відповідний прилад.

Таблиця порівняння

	Осцилограф змішаних сигналів	Логічний аналізатор
Зручність використання	В осцилографі змішаних сигналів використовується та сама платформа, що й у звичайному осцилографі, з яким розробники вже вміють звертатися.	У логічному аналізаторі надається спеціалізоване, більш аналітичне та глибоке середовище, що дозволяє виконувати налагодження складних цифрових систем.
Вимоги до каналів	В осцилографі змішаних сигналів є 2 або 4 традиційні аналогові канали і 16 цифрових каналів	Мінімальна кількість цифрових каналів логічного аналізатора дорівнює 34 і це число може бути збільшено до тисяч цифрових каналів. Для одночасної реєстрації аналогових та цифрових сигналів потрібен окремий осцилограф або модуль осцилографа
Вимоги до запуску	Осцилограф змішаних сигналів пропонує широкий спектр варіантів запуску для дослідження аналогових та цифрових сигналів. Ці режими запуску часто включають запуск по фронту, тривалості імпульсу, ранту, логічній умові, часу встановлення та утримання, часу наростання або спаду та відеосигналу	Логічні аналізатори забезпечують запуск по множині станів. Логічні аналізатори можуть використовуватися для відстеження умов, коли одночасно має відбуватися безліч подій. Крім того, логічні аналізатори надають такі ресурси запуску, як лічильники та таймери.
Асинхронна та синхронна реєстрація	Осцилографи змішаних сигналів забезпечують лише асинхронний збір даних. Як і звичайному осцилографі, в осцилографі змішаних сигналів для реєстрації даних використовується внутрішній тактовий сигнал. Осцилограф змішаних сигналів чудово підходить для завдань, в яких необхідні точні вимірювання часових параметрів	Логічні аналізатори забезпечують як синхронний, і асинхронний збір даних. У логічному аналізаторі може використовуватися як тактовий сигнал системи, що досліджується, так і внутрішній тактовий сигнал
Кореляція аналогових та цифрових даних	Осцилографи змішаних сигналів чудово підходять для вирішення завдань, в яких необхідно зіставляти аналогові та цифрові сигнали в одному приладі	Логічні аналізатори надають можливість зіставляти аналогові та цифрові сигнали при використанні вбудованого модуля осцилографа або зовнішнього настільного осцилографа

Резюме

Рішення, що використовуються для тестування систем із змішаними сигналами, залежать від конкретного завдання. Щоб обране рішення підходило для конкретного завдання, важливо оцінити вимоги до вимірів. Рішення для тестування систем зі змішаними сигналами мають схожості та відмінності, сильні та слабкі сторони. У деяких випадках Вашим вимогам можуть відповідати декілька рішень для тестування систем зі змішаними сигналами. Дотримання балансу між поточними вимогами до вимірювань та індивідуальними можливостями рішення для вимірювань є гарантією успіху.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy