Логический анализатор: характеристики, производители, назначение

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: