Логические анализаторы - это электронные устройства для записи и отображения последовательностей цифровых сигналов. Они широко используются при разработке и тестировании цифровых схем в компьютерах, микроконтроллерах, промышленной автоматике. Давайте разберемся, какие бывают логические анализаторы, их характеристики и особенности применения.
Назначение логических анализаторов
Логические анализаторы предназначены для решения следующих задач:
- Контроль и анализ цифровых сигналов на шинах микропроцессоров, микроконтроллеров, ПЛИС
- Поиск неисправностей, глюков и нарушений синхронизации в цифровых схемах
- Отладка встраиваемого программного обеспечения
- Оптимизация временных параметров цифровых устройств
Логические анализаторы заменяют в этих задачах громоздкие и дорогостоящие осциллографы. У них намного больше каналов (до 136), выше частота дискретизации (до 25 ГГц), есть встроенные декодеры популярных протоколов.
Принцип работы логических анализаторов
Логический анализатор состоит из нескольких функциональных блоков:
- Входные цепи для подключения анализируемых сигналов
- Устройство захвата (оцифровки) входных сигналов
- Память для хранения данных
- Интерфейсы для связи с ПК
- Встроенное или внешнее ПО для обработки данных
Принцип работы заключается в следующем:
- К входам логического анализатора подключают тестируемые цифровые сигналы
- Модуль захвата дискретизирует сигналы с заданной частотой
- Полученные данные записываются во внутреннюю память
- Данные передаются в ПК для визуализации, анализа и декодирования
Дополнительно в логических анализаторах реализованы разнообразные сервисные функции: синхронизация, фильтрация сигналов, расширение памяти и другие.
Основные характеристики логических анализаторов
Рассмотрим ключевые характеристики, которые определяют функциональность и стоимость логических анализаторов:
- Частота дискретизации - чем выше, тем точнее будет отслеживаться быстродействие цифровых схем
- Количество каналов - чем их больше, тем больше сигналов можно анализировать одновременно
- Объем внутренней памяти - определяет максимальное время непрерывной записи данных
- Интерфейсы передачи данных - наличие USB, Ethernet гарантирует быструю загрузку данных в ПК
- Дополнительные функции: запуск по сигналам, цифровые фильтры, декодирование протоколов и др.
Далее рассмотрим более подробно возможности логических анализаторов от ведущих мировых брендов.
Логические анализаторы Agilent Technologies
Компания Agilent Technologies выпускает высокопроизводительные модели логических анализаторов серий 16900A, 16800A, 1690A. Ключевые возможности:
- Количество каналов: от 34 до 136
- Максимальная частота дискретизации: 25 ГГц
- Емкость памяти: до 64 Мбайт
- Поддержка всех распространенных интерфейсов: PCIe, USB 3.0, LAN
- Расшифровка протоколов: UART, I2C, SPI, CAN, LIN, FlexRay, MIL-STD-1553, ARINC 429 и др.
Стоимость анализаторов Agilent Technologies начинается от 300 000 рублей. Они ориентированы в первую очередь на разработчиков высокоскоростных цифровых устройств в аэрокосмической и оборонной промышленности.
Логические анализаторы Saleae
Для инженеров, занимающихся разработкой на базе микроконтроллеров, ПЛИС или ПК, оптимальным решением станут компактные и недорогие анализаторы Saleae. Модельный ряд:
- Logic 8 - 8 каналов, 24 МГц
- Logic Pro 16 - 16 каналов, 100 МГц
- Logic 4 - 4 канала, 100 МГц, наличие аналоговых входов
Отличительные черты Saleae Logic:
- Низкая цена - от 3000 рублей
- Компактные размеры
- Удобное ПО для Windows, MacOS, Linux
- Расшифровка протоколов SPI, I2C, async/sync serial, 1-Wire, UNI/O, PS/2, USB 2.0, JTAG, CAN, LIN, FlexRay, SWD, MIL-STD-1553, ARINC 429 и др.
Логические анализаторы Saleae Logic являются оптимальным выбором для инженеров, радиолюбителей, разработчиков на микроконтроллерах и ПК.
Логические анализаторы на базе ПК
Еще одним перспективным направлением являются логические анализаторы на базе персонального компьютера. В этом случае используется стандартный параллельный порт ПК (LPT порт) в качестве многоканального входа для подключения анализируемых цифровых сигналов.
Преимущества такого многоканального логического анализатора:
- Низкая цена - используются комплектующие ПК
- Большое количество каналов - до 20 на базе LPT порта
- Простота построения на базе любого ПК с LPT портом
К недостаткам можно отнести ограниченную частоту анализа, которая зависит от быстродействия используемого ПК.
Применение логических анализаторов
Логические анализаторы являются незаменимым инструментом при разработке и тестировании цифровых систем на базе микропроцессоров, ПЛИС, микроконтроллеров. Их применяют для:
- Анализа работы шин данных
- Тестирования встраиваемого ПО
- Поиска неисправностей в цифровых схемах
Многоканальные логические анализаторы незаменимы при разработке высокоскоростных интерфейсов передачи данных для современных цифровых устройств.
Порядок работы с логическим анализатором
Рассмотрим основные этапы работы с логическим анализатором:
- Подключение анализатора к исследуемой схеме
- Настройка параметров - выбор каналов, частоты дискретизации, режима запуска
- Сбор данных - запись цифровых сигналов во внутреннюю память
- Передача данных в ПК и анализ с помощью ПО
Можно выделить следующие режимы работы пользователя с логическим анализатором:
- Ручной режим - пользователь управляет всеми функциями
- Автоматизированный режим - для повторяющихся задач, минимум участия пользователя
Пример: анализ работы UART с помощью логического анализатора
Рассмотрим конкретный пример использования логического анализатора для анализа работы интерфейса UART в микроконтроллере. Для связи по UART используются два сигнала:
- TX - линия передачи данных
- RX - линия приема данных
Подключим логический анализатор к этим линиям микроконтроллера и проанализируем передаваемые данные.
- Подаем питание на микроконтроллер и анализатор
- Подключаем линии TX, RX микроконтроллера к входам анализатора
- В ПО анализатора задаем режим синхронизации и запуска по уровню на линии TX
- Запускаем передачу данных в микроконтроллере
- Анализируем полученные данные, при необходимости декодируем по протоколу UART
Таким образом, с помощью логического анализатора можно контролировать обмен данными по UART и отлаживать работу цифровых систем связи.
Анализ шины I2C
Еще один распространенный цифровой протокол - шина I2C, которая часто используется для связи микроконтроллеров и периферийных устройств. Для контроля работы по I2C достаточно двух линий:
- SCL - синхросигнал
- SDA - передача данных
Подключение анализатора к этим сигналам позволяет проверить:
- Наличие синхросигнала SCL
- Корректность обмена данными SDA
- Расшифровать передаваемые байты данных
Это поможет найти неисправности и ускорить отладку любых цифровых систем, работающих по шине I2C.
Автоматизация работы с логическим анализатором
Для ускорения рутинных операций анализа цифровых интерфейсов используется автоматизированный режим работы анализаторов:
- Создание макроса - запись последовательности действий пользователя
- Многократный запуск макроса в автоматическом режиме
- Анализ результатов - генерация отчетов о параметрах сигналов
Автоматизация повышает эффективность работы с логическим анализатором и сокращает время тестирования цифровых устройств.
Интеграция логических анализаторов в автоматизированные системы тестирования
Современные тенденции таковы, что логические анализаторы все чаще интегрируются в состав автоматизированных систем тестирования и измерений.
Это позволяет реализовать:
- Автоматическое подключение тестируемых устройств к анализатору
- Загрузку заранее подготовленных макросов и сценариев проверки
- Автоматический сбор и анализ результатов
- Формирование подробных отчетов о прохождении тестов
Такой подход на порядок повышает производительность тестирования, позволяет более эффективно задействовать дорогостоящее оборудование.
Перспективы развития логических анализаторов
Какие тенденции прослеживаются в развитии логических анализаторов:
- Увеличение количества каналов для анализа сложных высокоскоростных шин
- Рост максимально допустимой частоты дискретизации
- Реализация встроенных модулей обработки и анализа сигналов на базе ПЛИС и ПК
- Интеграция с системами автоматизированного тестирования и измерений
Логические анализаторы будут развиваться в направлении максимальной интеграции со смежными системами для решения широкого спектра задач цифровой обработки сигналов.
Применение логических анализаторов любителями
Логические анализаторы доступны не только профессиональным инженерам, но и любителям - радиолюбителям, разработчикам устройств Интернета вещей, робототехнике.
Благодаря появлению недорогих моделей, таких как Saleae Logic, анализаторы приобретают все большую популярность.
Основные области применения для любителей:
- Отладка самодельных устройств на микроконтроллерах
- Изучение протоколов передачи данных
- Разработка программ для встраиваемых систем
