實現邏輯分析儀成功探測的6項提示

中心議題：

實現邏輯分析儀成功探測的6項提示

為了完成今天越來越復雜的數字系統的設計, 工程師需要完善的分析工具。對于系統驗證任務, 大多數工程師都要依靠邏輯分析儀。隨著被測系統速度的不斷提升和復雜程度的持續增加, 邏輯分析儀廠商也及時提高了儀器的性能和功能, 以滿足工程師的需求。在許多情況下, 邏輯分析儀主機的性能往往超過手頭任務的需要, 而從分析儀到目標系統的探頭物理連接則成為系統性能的瓶頸。如果邏輯分析儀接收到的信號有畸變, 那么邏輯分析儀的強大觸發和分析工具將是無用武之地。

這篇應用指南將討論實現成功邏輯分析儀探頭連接, 需要考慮的探測問題。我們將介紹探頭結構形式選擇、探頭負載和信號質量概念, 以及與接地有關的常見問題。最后討論兩種容易犯的錯誤: 在錯誤的引線位置探測和選擇了錯誤的互連。

提示1探頭結構形式

如果您決定使用邏輯分析儀, 也就必須選擇使用何種類型的探頭連接。探頭連接可分成兩大類: “設計中包括連接”和“事后連接”。對于設計中包括的連接, 邏輯分析儀探頭所探測的測試點就融入在最初設計中。連接器探頭和無連接器探頭都屬于這類連接。為使用這兩類探頭,設計師在電路板上布放適宜的焊盤,并把感興趣的信號連到焊盤上。邏輯分析儀探頭上的連接器能與目標連接器可靠插接。無連接器探頭則能壓在電路板焊盤上, 以保證良好地接觸 (圖1a)。

探頭 “事后連接” 的適應測試能力未融入設計的系統。此時您需要用包括各種互連附件(焊接、抓鉤等)的探頭觸針實現連接。最常用的“事后連接”探頭是飛線探頭(圖1b)。

在討論各種探頭結構形式的優缺點前, 先了解您在把邏輯分析儀接到系統時會遇到的一些問題。

圖1. 這些照片對“設計中包括連接”的探頭和“事后連接”的探頭進行比較。

提示2探頭負載

您要設法盡可能減小探頭對系統呈現的電氣負載。如果探頭極大改變了系統性能, 它就不能幫助您驗證系統; 因為故障可能完全是因探頭引發。負載主要有兩方面影響。首先是降低目標電路板上的信號質量, 并進而導致系統故障。其次是降低送入邏輯分析儀的被觀察波形質量。這會在驗證中導致錯誤的否定結論。為避免這些問題, 您必須了解探頭的結構。

邏輯分析儀探頭有高輸入阻抗。探頭觸針電路包括一個20kΩ量級的觸針電阻器。低頻時的探頭阻抗接近該阻值。隨著頻率的上升，探頭的寄生電容開始降低它的阻抗。阻抗沿標準RC響應滾降。這可能造成目標系統的問題; 當探頭阻抗開始接近系統阻抗時, 由探頭構成的電壓分壓器起著實質性的作用。低阻抗將吸收大量電流, 從而造成系統故障。

探頭中的電容主要與連接器有關。例如若目標信號與探頭觸針電阻間有大的連接器, 該連接器就會把大電容加到探頭負載中。使用小的連接器可減小這一電容量。

無連接器探頭提供較低的電氣負載。如前所述, 當您使用無連接器探頭時, 就要在目標系統上放置承載焊盤。邏輯分析儀探頭壓著在目標小電路板上實現電氣連接。由于消除了電氣路徑中的物理連接器, 就能實現非常低的電容量 (見表1)。

圖2 顯示負載端接傳輸線上各種探頭結構形式對等效集總電容的影響。波形顯示來自探頭的電容性反射如何在初始波形后某一時刻到達接收器。

圖2. 波形是比較各種互連探頭負載的好方法。負載隨連接器尺寸的減小(或消除)而減小。系統的原上升時間是150ps。

提示3探頭觸針處的信號質量

如前所述, 探頭導致進入邏輯分析儀中的信號質量變差，從而得出錯誤的否定結論。這是驗證者遇到麻煩的原因, 因為他們把大量時間用在調試并不存在的問題上。為避免這一問題, 您必須注意探頭觸針處的信號質量。

除了留意探頭的電容性負載外,您還必須注意探頭位置。這在選擇各種不同端接方案時尤為重要。對于某種特定的端接方案, 接收器觀察的信號可能有足夠好的信號質量, 但在連線任何其它點觀察到的信號卻可能無法接受。

為說明這一點, 先來分析串聯端接傳輸線理論。感應波形瞬間在源端電阻和導線特性阻抗間分開。半幅度的電波沿傳輸線傳輸到接收器。在到達接收器時經過 100% 的正反射, 把半幅信號加倍得到原波形的幅度。該反射波以相反方向在傳輸線

上傳輸, 直到被源端電阻器吸收, 從而結束瞬態響應。

雖然這種方案為接收器提供一個良好的波形, 但該波形在傳輸線上呈階梯形狀。階梯波形不適合邏輯分析儀, 因為邏輯分析儀不能確定波形半幅度期間到底是邏輯“1”還是邏輯“0”。圖3顯示這種情況的波形。注意接收器處的波形信號質量良好,而在探頭觸針處觀察到的波形卻無法接受。隨著信號速度的增加, 探頭觸針處的信號質量對于成功的測量變得尤為重要。

圖3. 在接收器處和在探頭觸針處觀察到的串聯端接系統波形。

注意在連線中間處觀察到的波形階梯形狀。它表明正向傳輸的半幅度波形是往接收器方向傳輸。反向傳輸間反射波形與正向傳輸波形疊加后得到其最終值。