- •Раздел 1 основные сведения о метрологии.
- •Тема 1.1 Основы теории и практики измерений
- •1 Общие сведения.
- •2 Основные понятия, термины, определения.
- •3 Классификация измерительных приборов и их шкал.
- •Тема 1.2 Основы теории погрешностей
- •1 Основные понятия.
- •2 Погрешности прямых измерений.
- •3 Погрешности косвенных измерений.
- •Раздел 2. Средства электротехнических измерений
- •Тема 2.1. Особенности цифровых измерительных приборов
- •Общие сведения.
- •Общие сведения.
- •Принципы построения.
- •Режимы работы и параметры.
- •Тема 2.2. Измерительные генераторы
- •Общие сведения.
- •1 Общие сведения.
- •2 Низкочастотные генераторы.
- •3 Высокочастотные и сверхвысокочастотные генераторы.
- •4 Импульсные генераторы.
- •Тема 2.3. Электронные осциллографы
- •Общие сведения.
- •Общие сведения.
- •Структурная электрическая схема универсального аналогового осциллографа.
- •Осциллографические развертки.
- •4. Разновидности осциллографов.
- •Раздел 3. Измерение основных электротехнических параметров.
- •Тема 3.1. Измерение силы тока
- •Общие сведения.
- •Общие сведения.
- •2 Измерение силы постоянного тока и тока низких частот.
- •3 Измерение силы тока высоких частот.
- •3.2. Измерение напряжения
- •Значения и для напряжений разной формы
- •3.3. Измерение мощности
- •4.2. Метод амперметра—вольтметра
- •4.3. Мостовой метод
- •4.5. Резонансный метод
- •Глава 5. Измерение параметров сигнала
- •5.1. Общие сведения
- •5.2. Измерение частоты и периода повторения сигнала
- •5.3. Измерение фазового сдвига
- •5.5. Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников
- •Глава 6. Измерение параметров
- •6.1. Общие сведения
- •6.2. Измерение параметров полупроводниковых диодов
- •6.3. Измерение параметров биполярных и униполярных транзисторов
- •6.4. Измерение параметров интегральных микросхем
- •6.5. Логические анализаторы
- •7.2. Информационно-измерительные системы
- •7.4. Виртуальные приборы
6.5. 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.