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1、第七章 数字信号的测量,7.1 概述 7.2 数字信号测量的基本原理 7.3 逻辑分析仪 7.4 逻辑分析仪的应用,1,7.1 概述,7.1.1数字信号的基本概念 数字信号是获取数字系统信息的载体。数字系统的激励和响应都是数字信号，同时数字信号也是数字系统传输和处理的对象。 数字信号通常是以二进制数字方式来表示信息，在每一变量下的多位0与1数码的组合（二进制码）称为一个数据字，数据字随时间（或事件）的变化，形成了一定的时序关系和逻辑关系的数据流。 即数字信号是以离散时间或事件（Event）作为自变量的二进制数据流。,2,7.1.2 数字信号的特点,与模拟信号比较，数字信号具有如下特点: 1数字
2、信号是多位的，并按一定的数据格式和空间结构组成。 2数字信号是符合一定逻辑的有序的数据流，通常是按时序传递的 3数字系统中信号的传递方式多种多样 4数字信号往往是单次或非周期性的 5数字信号为脉冲信号，被测信号的速率变化范围很宽 6被测信号故障定位难,3,7.2 数字信号测量的基本原理,逻辑分析仪是数字信号测量的典型仪器，它是基于数字信号测量原理工作的,包括信号采集、触发识别、数据存储和数据显示等几个功能单元组成。,4,7.2.1 信号采集,1数字信号的采样 （1）采集通道的组成原理 数字信号中的数据获取采用采样方式，即输入锁存器在时钟的跳变沿上，锁存输入的数字信号。采样电路由电平判别、输入锁
3、存和采样时钟组成，如图（a）所示。,5,7.2.1 信号采集,1数字信号的采样 （1）采集通道的组成原理 图（b）的一路电平判别电路是一个电平比较器。由于被测数字电路可能工作在TTL，ECL或CMOS等不同的门限电平，逻辑分析仪在对输入信号电平判别时，设定的门限应与被测系统的逻辑门限电平一致。例如对TTL电路，选取的门限电平应为1.4V左右。,6,7.2.1 信号采集,1数字信号的采样 （1）采集通道的组成原理 时钟信号也需要进行电平判别，以确定其前后沿的作用时间。判别电路的构成与对输入信号的判别类似。逻辑分析仪本身要求的时钟采样沿是确定的。为此采样电路中设置了作用沿选择电路。时钟沿选择的电路
4、原理可以采用倒相器输出极性相反的两脉冲，选择其中一种就实现了对时钟沿的选择，如图（c）所示。,7,7.2.1 信号采集,1数字信号的采样 （1）采集通道的组成原理 输入锁存器是快速捕获数字信号的关键器件，常用D触发器做输入锁存器，它在时钟上升沿锁存数据，图为采样过程波形图。,8,7.2.1 信号采集,1数字信号的采样 （2）获取的数字信号的特点 1）幅变上的差别。由于信号的采样是对电平判别后的输出信号进行采样。它只反映信号的高、低两种逻辑电平，而不反映原输入信号幅度的实际大小。 2）时间上的差别。采样后的输出波形，只能在选择的时钟作用沿上进行采样，而对两个时钟作用沿之间的波形变化不予理睬。因此
5、，输入波形与判别电平相交的时刻并严格等于存储显示信号电平跳变的时刻。,9,7.2.1 信号采集,2同步采样和异步采样 （1）同步采样 同步采样是与被测系统的工作节拍同步地进行采样，它是利用被测系统的时钟或表征某事件出现的信号作为采样的时钟。这个从被测对象取得的时钟，对逻辑分析仪来说是外时钟。 外时钟可以是等时间间隔的，也可以是非等时间间隔的。例如测试计算机程序时若选用它的读信号作采样时钟，就不是等时间间隔的。,10,7.2.1 信号采集,2同步采样和异步采样 （2）异步采样 采样时钟如果与被测系统没有同步关系，则称为异步采样。异步采样通常是利用逻辑分析仪内部的采样时钟，等时间间隔的采集出离散的
6、数据。显示的数据流是以时间为自变量。 如果采样时钟频率选择恰当，即采集的时间分辨力足够高，显示器上显示的图形就能反映信号的电平随时间的变化，但是如果时钟频率选择不当，采样后的波形将会严重失真。,11,7.2.1 信号采集,2同步采样和异步采样 （3）同步采样和异步采样的应用特点,12,同步采样得到的是被测数据信号与事件信号的相对关系。 异步采样显示出的是信号逻辑状态与时间的变化关系。 同步采样用于状态分析，而异步采样则用于定时分析。,7.2.2 触发识别,1基本触发方式 1）始端触发 始端触发是用触发字启动数据的存储，即触发字后面的数据将连续存储，直到存储器存满窗口所规定的长度为止。触发字为存
7、储、显示的数据窗口的第一个有效数据。,13,7.2.2 触发识别,1基本触发方式 2）终端触发 终端触发是用触发字停止数据的存储。在触发以前，逻辑分析仪就向存储器中以先入先出的方式存储着数据。当存储器存满以后，逻辑分析仪才开始搜索触发字，与此同时仍继续用新数据更新存储器中的旧数据。一旦发现触发字或触发事件，就立即停止存储。,14,7.2.2 触发识别,1基本触发方式 3）延迟触发 延迟触发是与始端触发和终端触发配合工作的，即在触发产生时并不立即跟踪，而是经过一定的延迟才跟踪。,15,7.2.2 触发识别,2扩展触发方式 （1）计数触发 计数触发是延迟触发的一种变型。在检测软件中的循环程序时，常
8、常遇到这样的情况，要观察循环中某个特定循环的状态，则可以设定循环起始状态为触发字，但并不立即引起触发，而是等到这个触发字第若干次出现时引起触发。,16,7.2.2 触发识别,2扩展触发方式 （2）序列触发 基本触发方式只对某一时刻输入信号的状态进行比较，在此基础上可扩展为对连续一段时间内信号逻辑状态的变化进行比较，这样就构成了序列触发方式。序列触发的触发条件是多少个触发字的序列，它是当数据流中按顺序出现各个触发字时才触发，即顺序在前的触字必须出现后，后面的触发字才有效。,17,7.2.2 触发识别,2扩展触发方式 （2）序列触发 序列触发常用于复杂分支程序的跟踪，图示是一个两级序列触发的工作原
9、理。,18,7.2.2 触发识别,2扩展触发方式 （3）限定触发 限定触发是对基本触发方式设置的触发字再加限定条件的触发方式。如果选定的触发字在数据流中出现较为频繁，为了有选择地捕获特定的数据流，可以给触发字附加一些约束条件。这样，即使数据流中频繁出现触发字，只要这些附加的条件未出现，也不能进行触发。,19,7.2.2 触发识别,2扩展触发方式 （3）限定触发 图为限定触发的原理框图。利用组合字和另外一个通道信号的逻辑与进行触发，即为“与”触发。利用组合字和另外一个通道信号的逻辑或进行触发，即为“或”触发。利用这些逻辑变换可以扩展触发条件。,20,7.2.3 数据存储,1 顺序存储 依次记录数
10、据流是所有的逻辑分析仪都具备的一种基本存储形式，数据的写入与读出都是顺序进行的。根据所采用的存储器的不同，可分为移位寄存器存储和随机存储器（RAM）存储两类。 移位寄存器式存储器每存入一个新数据，以前存储的数据就移位一次，待存满后最早存入的数据就被移出。 随机存取存储器是按写地址计数器规定的地址顺序的向RAM中写入数据。每当写时钟到来，计数值加1，并循环计数，构成一个环形的存储结构。,21,7.2.3 数据存储,2 多位并行存储 存储器的组织与输入通道相对应，可以同时记录多通道并行的数字信号，若采用移位寄存储器方式，N个输入通道即采用N个移位寄存器。每个通道与相应的寄存器对应，互不影响。若采用
11、RAM存储器方式，N个输入通道即采用N位RAM，每个通道对应一位存储空间。,22,7.2.3 数据存储,3 选择性存储 很多情况下，我们关心的只是这个数据流中的某些片断。这时，基本存储方式对存储器的利用效率很低，可通过触发功能选取我们感兴趣的片断，并采用一定的限定条件选择数据流中符合条件的数据进行存储，称为选择性存储。 例如，在检测某程序的运行状况时，要观察的只是其中某个子程序的运行情况，那么可以用该子程序的入口作为限定条件。当计算机进入该子程序时，限定条件有效；退出了程序时，限定条件无效。只有限定条件有效时，子程序运行过程中的信号状态存入存储器。这样大大提高了存储器的利用效率。,23,7.2
12、.3 数据存储,4 毛刺存储 逻辑定时分析仪中，毛刺是信号的重要组成部分。在锁定方式下，毛刺混在数据信号中一起存入数据存储器，一个毛刺占据一位存储空间。显示时，毛刺也和数据一样被读出，显示宽度与一个取样周期相当。在毛刺方式下，毛刺与数据的检测分别由不同的系统完成，也分别存入各自从存储器，显示时再把它们相加在一起。显示时，毛刺为一个垂直的加亮线段。,24,7.2.3 数据存储,5 存储时间 任何存储器都存在一定的建立和保持时间。也就是说，数据的存储在时钟跳变时实现。在写时钟跳变之前，数据必须已经出现在存储器输入端一段时间，而时钟沿跳变之后，数据还应保持一段时间。 数据建立时间与数据保持时间之和决
13、定了能够检测到数据的最小时间间隔，即最高采样速率，也就是逻辑分析仪的最高测试频率。,25,7.2.4 数据显示,1 状态表显示 所谓状态表显示，就是将数据信息用“1”、“0”组合的逻辑状态表的形式显示在屏幕上。例如，常用十六进制数显示地址和数据总线上的信息，也可用二进制数显示控制总线和其他电路节点上的信息，如图所示。,26,7.2.4 数据显示,2定时图显示 定时图显示好像多通道示波器显示多个波形一样，将存入存储器的数据流按逻辑电平及其时间关系显示在屏幕上，即显示各通道波形的时序关系，如图。,27,7.2.4 数据显示,3图解显示 （1）矢量图显示 矢量图又称点图，是把要显示的数字量用数/模转
14、换（D/A）电路转化成模拟量，然后显示在屏幕上。它类似于示波器的 模式显示，X轴表示数据出现的实际顺序，Y轴表示被显示数据的模拟数值（刻度可由用户设定），每个数字量在屏幕上形成一点，称为“状态点”。系统的每个状态在屏幕上各有一个对应的点，这些点分布在屏幕上组成一幅图，称之为“矢量图”。,28,7.2.4 数据显示,3图解显示 （1）矢量图显示 矢量显示模式显示出状态点的变化轨迹可用于检查一个带有大量子程序的程序的执行情况，如图显示程序执行情况。,29,7.2.4 数据显示,3图解显示 （2）映射图显示 映射图显示可以用来宏观地分析数据流，观察系统运行全貌的动态情况，它是用一系列光点表示一个数据
15、流。它把采集到的每一个数据分成高位和低位两部分，再分别用两个D/A变换器变换成模拟信号，分别驱动X、Y通道显示。这样每个数据就对应显示器上的一个确定的光点。,30,7.2.4 数据显示,4多窗口显示 逻辑分析仪可设置多个显示窗口。如将一个屏幕分成两个窗口显示，上窗口显示该处理器系统的I/O端在某一时段的定时图：下窗口显示经反汇编后的微处理器的汇编语言源程序。由于上、下两个窗口的图形在时间上是相关的，因而对电路的定时和程序的执行可同时进行观察，软、硬件可同时调试。 逻辑分析仪的这种多方式显示功能，在复杂的数字信号与数字系统中能较快地对错误数据进行定位。,31,7.3 逻辑分析仪,7.3.1逻辑分
16、析仪的组成结构,32,其基本工作流程为：被测信号送至比较器，在比较器中与设定的门限电平比较，大于门限电平值的信号在相应的线上输出高电平，反之输出低电平，并量化为0或1的数据。 经比较后的信号送至采样器进行采样。采样获得的数据流分成两路，一路送到存储器RAM，另一路送到触发器进行触发识别。,33,7.3 逻辑分析仪,1逻辑分析仪的组成结构（续） 根据数据捕获方式，触发器在数据流中搜索特定的数据字（触发字），当搜索到符合条件的触发字时，就产生触发信号。 触发信号送至控制电路，进而实现数据存储控制，拟保存的信息以“先进先出” 的原则组织在存储器中。得到显示命令时，存储器按照顺序逐一读出信息，在显示发生器中形成X、Y、Z三个轴向的模拟信号，由显示器按设定的方式进行被测量值的显示。,34,7.3.2逻辑分析仪的特点及性能 1、特点 （1）较多的信号测试通道。 （2）存储记忆功能。 （3）极高的分析速率。 （4）丰富的触发功能。 （5）多种灵活而直观的显示方式。,35,2主要技术指标 1）测试速率 在逻辑
