使用邏輯分析儀調(diào)試時(shí)序問(wèn)題

在今天的數(shù)字世界，嵌入式系統(tǒng)比以往任何時(shí)候都更為復(fù)雜。使用速度更快、功耗更低的設(shè)備和功能更強(qiáng)大的電路，工程師需要考慮信號(hào)完整性問(wèn)題。在調(diào)試和驗(yàn)證過(guò)程中，大部分數(shù)字電路失效可以追溯到信號(hào)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(shè)計(jì)問(wèn)題的根源。

探測(cè)的考慮
在你的設(shè)計(jì)電路中布置合適的探測(cè)點(diǎn)對(duì)于后期的調(diào)試工作具有至關(guān)重要的作用。有了合適的探測(cè)點(diǎn)，你可以把不同位置的信號(hào)時(shí)序問(wèn)題關(guān)聯(lián)起來(lái)，查看總線的運(yùn)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(hào)的探測(cè)。

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

探頭電容一般會(huì)拉長(zhǎng)信號(hào)邊沿時(shí)間，如圖1所示。該邊沿的轉(zhuǎn)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(cè)系統(tǒng)中引入時(shí)序問(wèn)題。隨著時(shí)鐘頻率增加，這個(gè)問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。

圖1 邏輯分析儀探頭的阻抗影響信號(hào)的上升時(shí)間和時(shí)序測(cè)量

邏輯分析儀的性能考慮
邏輯分析儀的性能對(duì)于系統(tǒng)調(diào)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)滿足測(cè)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(shù)據(jù)繪出時(shí)序分析圖。如果被測(cè)系統(tǒng)工作正常，并且邏輯分析儀的采集設(shè)置正確，邏輯分析儀的時(shí)序顯示應(yīng)該與設(shè)計(jì)仿真或規(guī)格書(shū)上的數(shù)據(jù)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(hào)是異步的，采樣率越高，就越可能準(zhǔn)確檢測(cè)到信號(hào)的異常事件(如毛刺)。為了分析更快的信號(hào)，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)杉嗟臄?shù)據(jù)。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(dá)50GHz的采樣。其他功能還包括可調(diào)節(jié)的MagniVu采樣率、可調(diào)節(jié)的觸發(fā)位置、一個(gè)獨(dú)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(shè)備出現(xiàn)故障，要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)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(tǒng)中可能導(dǎo)致、也可能不導(dǎo)致邏輯出錯(cuò)。毛刺對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響是無(wú)法預(yù)測(cè)的。毛刺可以是多種設(shè)備故障(包括競(jìng)爭(zhēng)情況、端接錯(cuò)誤、驅(qū)動(dòng)器錯(cuò)誤、時(shí)序違規(guī)和串?dāng)_)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(tǒng)的“自上而下”故障排除法與測(cè)試儀器的特定優(yōu)勢(shì)相結(jié)合。先對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況有宏觀的了解，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(shù)字熒光示波器（DPO）是強(qiáng)大和簡(jiǎn)單易用的毛刺定位工具。DPO有較高的分析信號(hào)行為的能力，它能實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和分析復(fù)雜信號(hào)，同時(shí)能將信號(hào)信息以三維方式顯示（即幅度、時(shí)間和信號(hào)出現(xiàn)的概率），是業(yè)界捕獲難以捉摸的故障信號(hào)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(hào)以尋找毛刺?？偩€時(shí)序圖中的紅色標(biāo)記代表毛刺出現(xiàn)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(cè)量功能，可以將邏輯分析儀和示波器聯(lián)合到一個(gè)系統(tǒng)，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
先重點(diǎn)觀察系統(tǒng)運(yùn)行情況，并從整體上尋找故障。邏輯分析儀的總線時(shí)序分析將標(biāo)記出現(xiàn)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(zhǎng)記錄長(zhǎng)度的邏輯分析儀。邏輯分析儀在任何一個(gè)信號(hào)線中監(jiān)測(cè)到毛刺，則會(huì)標(biāo)記總線和時(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(chǔ)定時(shí)取樣速率的取樣點(diǎn)序列。下面兩個(gè)信號(hào)是總線波形——4位控制總線和8位地址總線。出現(xiàn)在這兩個(gè)總線波形中的紅色毛刺標(biāo)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，控制總線和地址總線顯示紅色毛刺標(biāo)記

步驟II：檢查信號(hào)線
現(xiàn)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(hào)波形顯示總線的各個(gè)信號(hào)線，并標(biāo)記毛刺發(fā)生的位置。在圖3中，邏輯分析儀已將控制總線擴(kuò)展為四個(gè)單獨(dú)的信號(hào)，并將地址總線擴(kuò)展為八個(gè)單獨(dú)的信號(hào)。圖3中總線波形上的紅色毛刺標(biāo)記，現(xiàn)在顯示為信號(hào)線Control(3)和Control(0)上的毛刺標(biāo)記，以及信號(hào)線Address(0)上的兩處毛刺。

圖3 擴(kuò)展的4位控制總線和8位地址總線。在單個(gè)信號(hào)上顯示紅色毛刺標(biāo)記

步驟III：了解故障細(xì)節(jié)
接下來(lái)使用高分辨率時(shí)序圖詳細(xì)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(chǔ)深度下為每個(gè)通道提供高達(dá)50GHz的數(shù)字采樣率,并可與普通采樣率深記錄長(zhǎng)度的時(shí)序分析功能同時(shí)運(yùn)行。這樣，一個(gè)邏輯分析儀無(wú)須更換探頭，同時(shí)實(shí)現(xiàn)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(dǎo)致了毛刺的發(fā)生。首先，重點(diǎn)觀察Control(3)信號(hào)線，并打開(kāi)Control(3)信號(hào)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(xiàn)在一個(gè)數(shù)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)很重要的線索。進(jìn)行到步驟IV時(shí)，將發(fā)現(xiàn)可能的原因。

圖4 毛刺Control(3)的MagniVu波形顯示

現(xiàn)在重點(diǎn)檢查其余兩個(gè)標(biāo)有毛刺的信號(hào)線：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(hào)線上的毛刺。請(qǐng)注意，在這兩個(gè)信號(hào)線上毛刺和脈沖是同時(shí)發(fā)生的。這通常表明兩個(gè)信號(hào)之間發(fā)生了串?dāng)_，但是，需要從另一個(gè)角度仔細(xì)觀察以進(jìn)行確認(rèn)。進(jìn)行到步驟IV時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)更多信息。

圖5 Control(0)和Address(0)信號(hào)線，其中MagniVu顯示了由于串?dāng)_造成的毛刺

步驟IV：觀察模擬波形
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察信號(hào)的數(shù)字和模擬特性。TLA系列邏輯分析儀對(duì)此做了優(yōu)化，提供可選的模擬信號(hào)復(fù)用器，實(shí)現(xiàn)了從邏輯分析儀探頭獲取的信號(hào)同時(shí)驅(qū)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(fù)載對(duì)信號(hào)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(hào)，對(duì)兩臺(tái)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(zhǔn)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(shù)字波形。圖6上展示了信號(hào)線Control(3)上毛刺的模擬信號(hào)。

圖6 iView示波器顯示，顯示Control(3)信號(hào)的模擬形式

很明顯，脈沖的上升沿和下降沿都出現(xiàn)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(duì)于快速邊沿的靈敏度較高而被放大。

對(duì)前面的Control(0)和Address(0)中的串?dāng)_假設(shè)進(jìn)行測(cè)試，圖7表明，對(duì)于其中一個(gè)信號(hào)的每個(gè)前沿，在另一個(gè)信號(hào)上都有一個(gè)相應(yīng)的正電壓脈沖。這表明Control(0)和Address(0)之間確實(shí)發(fā)生了串?dāng)_。在相應(yīng)結(jié)構(gòu)接口中，相鄰的運(yùn)行信號(hào)或引腳處很容易發(fā)生串?dāng)_。與低頻信號(hào)相比，高頻信號(hào)和時(shí)鐘邊沿更易受串?dāng)_影響。這意味著在較高的頻率下，過(guò)去適用于較低頻率的設(shè)計(jì)方案也可能導(dǎo)致故障。這兩個(gè)示例中的總線帶寬較窄，邏輯分析儀可對(duì)上百個(gè)信號(hào)的總線使用邏輯分析儀毛刺觸發(fā)功能，檢查每個(gè)信號(hào)線以尋找毛刺。如果它標(biāo)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(cè)量功能顯示的Control(0)與Address(0)之間的串?dāng)_

小結(jié)
時(shí)序問(wèn)題對(duì)于許多嵌入式設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是相當(dāng)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(duì)比指標(biāo)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(hào)，快速地找到問(wèn)題，你不能只看指標(biāo)，還需要考慮到邏輯分析儀的結(jié)構(gòu)和功能。