Come utilizzare un analizzatore logico

Un analizzatore logico può aiutarti a visualizzare la trasmissione dei dati attraverso le linee di dati. Lo fa convertendo le tensioni registrate nel tempo in una serie di dati binari (1 e 0). A prima vista, l'uso di un analizzatore logico potrebbe incutere timore, ma questa guida può aiutarti. Definiremo alcuni termini chiave e forniremo esempi delle decisioni che devi prendere a ogni passo per aiutarti ad analizzare il tuo sistema.

Nel resto di questo tutorial, esamineremo i cinque passaggi principali normalmente compiuti per catturare e analizzare dati utilizzando un analizzatore logico:
1. Collegare le sonde al sistema in prova
2. Impostare la modalità di campionamento
3. Configurare le condizioni di trigger
4. Acquisire i dati del segnale
5. Visualizzare ed analizzare le forme d'onda

Terminologia
Alcune definizioni potrebbero aiutarti nel tuo percorso con gli analizzatori logici:

• Canale: Una singola linea di segnale sul sistema in prova. Gli analizzatori logici sono in grado di monitorare da 4 a oltre 100 canali contemporaneamente.
• Soglia: Un livello di tensione impostato dall'analizzatore logico o dall'utente. Le tensioni rilevate dalla sonda al di sotto della soglia vengono assegnate una logica "0", mentre le tensioni al di sopra della soglia vengono assegnate una logica "1".
• Campionamento: Un singolo punto dati catturato dall'analizzatore logico in un determinato momento nel tempo. L'analizzatore logico confronta contemporaneamente le tensioni rilevate su tutte le sonde con la soglia, le traduce in 1 e 0 logici e memorizza questi dati in memoria.
• Tasso di campionamento: Quanto velocemente l'analizzatore logico registra campioni entro un determinato periodo di tempo. Il massimo tasso di campionamento per un analizzatore logico è spesso espresso in unità di megahertz (MHz) o mega campioni al secondo (Msps); in entrambi i casi, un'unità singola (1MHz o 1Msps) equivale a registrare un milione di campioni consecutivi al secondo.
• Profondità di memoria: La quantità di memoria disponibile per memorizzare i campioni. La massima profondità di memoria per la maggior parte degli analizzatori logici è spesso presentata come il numero di campioni che possono essere memorizzati per canale.
• Trigger: La o le condizioni necessarie che causano l'inizio del campionamento e della registrazione dei dati da parte dell'analizzatore logico. Ad esempio, una tensione crescente o decrescente su un particolare canale o un particolare pattern di 1 e 0 su più canali possono essere utilizzati come trigger.

Comandi tipici
Gli analizzatori logici spesso sono dotati di un insieme di pulsanti e manopole che ti consentono di configurare i parametri di cattura o navigare attraverso il display, come mostrato nella figura sottostante. Gli analizzatori logici basati su PC vengono normalmente controllati tramite "manopole" virtuali presenti nell'interfaccia utente del software sul tuo computer.
 

Schema di controllo tipico su un analizzatore logico Iwatsu SL-4121

La maggior parte degli analizzatori logici avrà un modo per impostare la modalità di campionamento, il tasso di campionamento e i trigger attraverso un insieme di menu visualizzati a schermo. I trigger e i pattern possono essere impostati o cercati utilizzando una tastiera numerica, spesso con input esadecimali (0-9, a-f), o con una tastiera completa.

Puoi dire all'analizzatore logico di iniziare a registrare i dati con uno dei pulsanti "Esegui". Nell'immagine sopra, il pulsante "Ripeti" dirà all'analizzatore di continuare a catturare, mentre il pulsante "Singolo" catturerà dati solo fino a quando la memoria è piena. Puoi interrompere la cattura con il pulsante "Arresta".

Una volta che i dati sono stati catturati, puoi navigare attraverso di essi e cercare pattern. I tasti freccia o una manopola del cursore ti permetteranno di scorrere attraverso i dati o ingrandire determinate parti.


Configurazione delle sonde
La maggior parte degli analizzatori logici è dotata di un cavo speciale che contiene un numero di sonde, anche conosciute come "sonde a fili volanti". Per iniziare, collega il cavo alla scheda dell'analizzatore logico.

Successivamente, assicurati che il sistema o il dispositivo che desideri testare sia spento! Non vogliamo accidentalmente fare un corto circuito in un circuito con una sonda. Trova la sonda "terra" o "comune" e collegala a terra o al comune del tuo sistema. La terra verrà utilizzata come tensione di riferimento durante il campionamento delle linee di segnale.

Nota che per alcuni analizzatori logici, avrai bisogno di collegare una sola sonda di terra per l'intero cavo. Con altri analizzatori, dovrai collegare una sonda di terra per ciascuna sonda di segnale. Consulta il manuale dell'utente del tuo analizzatore logico per comprendere i requisiti di messa a terra.

Infine, individua le linee di segnale nel tuo circuito che desideri monitorare. Queste potrebbero essere linee GPIO o un bus di comunicazione, come UART, SPI o I2C. Collega una sonda a ciascuna linea di segnale. L'analizzatore logico misurerà la differenza tra la tensione di riferimento e la tensione del segnale su ciascuna linea.
 

Esempio di dove collegare le sonde dell'analizzatore logico per catturare i dati I2C

La maggior parte degli analizzatori logici dispone di sonde a morsetto che è possibile collegare a connettori, componenti forati (PTH) o persino a dispositivi di montaggio superficiale (SMD) di dimensioni maggiori. Se stai lavorando con piccoli componenti SMD privi di terminali esposti, puoi saldare sottili fili a una traccia della scheda stampata (PCB) esposta per ottenere l'accesso al segnale.
 

Sonda a morsetto collegata a un componente SMD tramite filo saldato

Sonde a morsetto collegate direttamente a un componente SMD

Alcuni sistemi ad alta densità o ad alta velocità possono richiedere un connettore specializzato per ridurre le perdite e il rumore irradiato. Schede di test possono essere realizzate con questi connettori, che si accoppiano a un connettore del cavo da collegare all'analizzatore logico. Durante lo sviluppo, questa tecnica può risparmiare tempo rispetto alla necessità di collegare dozzine di sonde al circuito.


Modalità di campionamento
La maggior parte degli analizzatori logici ha due metodi di acquisizione e visualizzazione dei dati: la modalità temporale e la modalità di stato. La modalità temporale è utile per visualizzare i dati come un'onda che cambia nel tempo, mentre la modalità di stato consente di visualizzare i dati come una lista sincronizzata su un clock. La modalità di stato può essere utile per visualizzare i dati nello stesso modo in cui un ricevitore su un bus di trasmissione potrebbe vederli.

Nella modalità temporale, anche nota come "modalità asincrona", i dati vengono acquisiti a intervalli precisi in base al clock interno dell'analizzatore logico. Il tasso di campionamento può spesso essere impostato dall'utente. Ad esempio, se si imposta il tasso di campionamento su 1 kHz, l'analizzatore logico catturerà i dati 1000 volte al secondo (in altre parole, campionerà le linee monitorate una volta ogni millisecondo).

Nell'immagine seguente, è possibile vedere come un singolo canale dell'analizzatore logico campionerà una forma d'onda sinusoidale a intervalli precisi. La tensione in ciascun campione viene confrontata con la soglia. Un segnale digitale viene ricostruito dai 1 e 0 catturati per mostrare un'onda all'utente.
 

Esempio di campionamento di una forma d'onda sinusoidale in modalità temporale

La modalità di stato, anche chiamata "modalità sincrona," richiede che uno dei canali sia definito come clock. I segnali sulle altre linee di dati vengono campionati sul fronte (o fronti) del segnale di clock. Se un bus di trasmissione si basa su una linea di clock, questa può essere un modo utile per visualizzare i dati nello stesso modo in cui li vede il ricevitore.

Nell'esempio sottostante, abbiamo due flip-flop D. Ciascuno di essi ha una linea "data in" (etichettata D0 o D1), una linea "data out" (etichettata Q0 o Q1) e una linea di clock (clk). Ad ogni fronte di salita del segnale di clock, il livello logico sulla spina "data in" viene catturato e replicato sulla spina "data out".

Se colleghiamo 2 sonde dell'analizzatore logico alle spine "data in" (D0-D1) e una terza sonda alla linea clk, possiamo utilizzare la modalità di stato per vedere come dovrebbero apparire i dati alle uscite (Q0-Q1). Nota che i dati in modalità di stato sono spesso presentati in formato di elenco. Se non siamo in grado di sondare le uscite (ad esempio, se sono all'interno di un circuito integrato), questo metodo può aiutarci a capire cosa potrebbe essere in corso all'interno del sistema.
 

Esempio di campionamento degli ingressi dei flip-flop D in modalità di stato

Configura il trigger
Prima di iniziare il campionamento, dovrai configurare le condizioni del trigger. Ci sono alcune opzioni da considerare per aiutarti a catturare i dati di cui hai bisogno.

• Nessun trigger: Senza trigger, l'analizzatore logico inizierà il campionamento e la registrazione dei dati non appena premi il pulsante "Start" o "Run".
• Trigger di Fronte: Puoi impostare l'analizzatore logico per monitorare un fronte di salita o di discesa su un singolo canale, che avvierà il processo di registrazione.
• Trigger a Pattern: Se stai catturando più canali, puoi impostare l'analizzatore logico per avviare il processo di acquisizione quando rileva un pattern di 1 e 0 su diversi canali. I trigger a pattern possono essere utili se stai cercando le trasmissioni di inizio frame su bus paralleli.
• Trigger Complesso: Alcuni analizzatori logici avanzati ti permetteranno di impostare una serie di istruzioni if-then-else per creare un trigger. Questi tipi di trigger possono essere utili per cercare trasmissioni verso un indirizzo specifico su un bus, ad esempio.

La maggior parte degli analizzatori logici ti permetterà di configurare un trigger selezionando un canale tramite il menu a schermo e scegliendo tra diverse opzioni, tra cui fronte di salita, fronte di discesa, larghezza dell'impulso, ecc. Un trigger a pattern può essere impostato selezionando più canali e configurando le opzioni di stato del canale, come logica alta o logica bassa.


Acquisizione
Per la maggior parte degli analizzatori logici, premi un pulsante chiamato "Start" o "Run". Senza un trigger impostato, l'analizzatore inizierà il campionamento e la memorizzazione dei dati fino a quando la memoria sarà piena.

D'altra parte, se hai configurato un trigger, l'analizzatore inizierà a catturare dati, ma i campioni più vecchi verranno eliminati per fare spazio ai nuovi campioni. Quando la condizione del trigger viene soddisfatta, l'analizzatore logico continuerà a catturare dati fino a quando la memoria sarà piena. Alcuni analizzatori logici conservano e mostrano una parte dei dati precedenti al punto del trigger. Le informazioni visualizzate prima del trigger sono conosciute come "tempo negativo".
 

Esempio di un analizzatore logico che mostra i dati prima del punto del trigger

Alcuni analizzatori hanno una modalità di cattura "ripeti" o "continua" che catturerà e visualizzerà continuamente dati in tempo reale senza interruzioni. Questa modalità può essere utile per cercare segnali che potresti non conoscere ancora.


Visualizzazione e analisi
La maggior parte degli analizzatori logici visualizzerà i dati come forme d'onda con il tempo sull'asse delle ascisse e lo stato logico (1 o 0) sull'asse delle ordinate. Questo tipo di visualizzazione è utile per vedere la correlazione tra segnali multipli nel dominio del tempo.
 

Come potrebbe essere visualizzato un analizzatore logico con più segnali

Alcuni analizzatori logici sono dotati della capacità di decodificare vari protocolli di comunicazione, come UART, SPI, I2C, ecc. I decodificatori potrebbero mostrare i dati come una forma d'onda ma presenteranno anche i dati in forma decimale, esadecimale, ASCII, ecc. La decodifica dei protocolli può essere estremamente utile nel risolvere problemi sulle linee di comunicazione
 

Esempio di decodifica del carattere ASCII 'a' sulla linea Tx di una trasmissione UART

Gli analizzatori logici avanzati possono essere dotati persino di decodificatori in grado di analizzare il linguaggio macchina e convertirlo in codice assembly. Questo tipo di analisi richiede software specifico per ciascun tipo di processore o set di istruzioni.

Per visualizzare i dati catturati in maggiore dettaglio, la maggior parte degli analizzatori logici ti permetterà di scorrere o ingrandire usando pulsanti o manopole. Molti analizzatori ti consentiranno anche di cercare schemi inserendo numeri o caratteri ASCII. Impostare i decodificatori di solito comporta la selezione da un elenco disponibile in uno dei menu dell'analizzatore.

Un analizzatore logico è uno strumento potente per analizzare sistemi digitali e capire le diverse modalità e trigger può aiutarti a catturare i dati nel modo giusto.