Cos'è un analizzatore logico?

Un analizzatore logico è uno strumento per catturare, visualizzare e misurare contemporaneamente multiple segnali elettronici in un circuito digitale. Gli analizzatori logici sono in grado di mostrare la relazione e il timing tra molti segnali diversi in un sistema digitale e spesso sono in grado di analizzare protocolli di comunicazione digitali, come I2C, SPI e Seriale. Di conseguenza, un analizzatore logico è il miglior strumento per il debug di circuiti digitali e sistemi di comunicazione digitali.

Decodifica dell'analizzatore logico dei dati I2C e seriali

Invenzione dell'analizzatore logico
Negli anni '60 si è assistito all'ascesa dei circuiti integrati (IC), il che significava che i circuiti stavano diventando più piccoli. Di conseguenza, migliaia - e in seguito milioni - di transistor potevano essere inseriti in un singolo chip per eseguire complesse operazioni di logica digitale, costituendo la base per la maggior parte dei microcontrollori, microprocessori e array gate programmabili (FPGA) che conosciamo oggi.

Con l'aumentare del numero di transistor e dei pin su questi IC, la loro prova e caratterizzazione sono diventate sempre più complesse. Gli oscilloscopi esistono fin dagli anni '30 e, sebbene siano spesso considerati lo strumento di prova predefinito per molti ingegneri elettrici, aggiungere più di qualche canale a un oscilloscopio si è rivelato estremamente costoso.

Nel 1973, Hewlett Packard ha annunciato l'invenzione del primo "Analizzatore Logico" in grado di misurare e visualizzare gli stati logici attraverso un set di LED. L'HP 5000A è stato il primo analizzatore logico commercialmente disponibile ma era limitato a soli due canali. Negli anni a venire, gli analizzatori logici commerciali hanno iniziato a vantare dozzine di canali in grado di leggere e visualizzare la logica digitale in parallelo.

Analizzatore logico Tektronix TLA5204

Crediti dell'immagine: "Tektronix Logic Analyzer TLA5204" di Vonvon è concessa in licenza con CC BY 3.0

L'oscilloscopio è ancora lo strumento perfetto per analizzare come le tensioni analogiche tra due punti variano nel tempo su fino a solitamente 4 canali. Anche per i sistemi digitali, un oscilloscopio può essere ottimo per ispezionare le proprietà analogiche di un segnale come i tempi di salita e discesa, il ringing, il consumo di energia, il jitter e i ritardi di propagazione. D'altra parte, se hai bisogno di un numero maggiore di canali per tracciare e correlare contemporaneamente più linee digitali, un analizzatore logico è lo strumento giusto per il lavoro.

Cosa rende un analizzatore logico unico?

Registrazione di diversi canali di ingresso
Un notevole vantaggio di un analizzatore logico è la sua capacità di registrare contemporaneamente un gran numero di segnali digitali, di solito da 8 a 100 canali. Anche se gli oscilloscopi possono registrare dati digitali, di solito non possono competere per il numero di canali e la durata della registrazione come un analizzatore logico a causa dei requisiti di memoria per l'archiviazione dei dati analogici.

Triggering digitale complesso
Similmente agli oscilloscopi, gli analizzatori logici possono essere configurati per iniziare la registrazione su un evento di trigger. I trigger possono essere semplici, come una singola transizione di salita o discesa di un particolare canale, oppure possono essere una complessa serie di condizioni che includono transizioni o stati di più canali.

Capacità mista del segnale
Molti moderni analizzatori logici includono alcune funzionalità di oscilloscopio e viceversa. Questi nuovi strumenti, capaci di registrare e analizzare forme d'onda sia digitali che analogiche, sono noti come oscilloscopi a segnale misto. Gli strumenti di prova che servono a più scopi possono rendere più facile la caratterizzazione di circuiti e sistemi complessi.

Analisi di forme d'onda digitali e analogiche

Portabilità
Molti analizzatori logici autonomi includono schermi in grado di visualizzare i dati del segnale catturato. Tuttavia, con l'aumentare della potenza dei computer personali e delle porte periferiche più veloci (ad esempio, USB 3.0), alcuni analizzatori logici rinunciano allo schermo e si affidano al software del computer per eseguire l'analisi. Questo consente di risparmiare in termini di dimensioni dell'attrezzatura e costi.

Gli analizzatori logici basati su PC possono essere piuttosto compatti

Facilità di navigazione dei dati
La maggior parte degli analizzatori logici funziona catturando dati digitali, archiviandoli in un buffer e quindi visualizzandoli su uno schermo. Alcuni sono in grado di mostrare segnali in tempo reale, molto simili a un oscilloscopio. Sebbene questo possa essere utile per cercare tendenze mentre un sistema è in esecuzione, può essere difficile cercare e individuare dettagli nei segnali.

Gli analizzatori logici, che siano autonomi o collegati a un computer, di solito includono software o controlli per la navigazione attraverso grandi quantità di dati di segnale. Questo può includere zoom, panoramica, ricerca, ecc.

Scorrimento e ingrandimento dei dati digitali

Misure digitali rapide
Gli analizzatori logici moderni e il software degli analizzatori logici contengono molte funzionalità avanzate che aiutano gli utenti a caratterizzare i segnali. Ciò include la misurazione di aspetti del segnale, come la larghezza dell'impulso, la frequenza e il periodo dei segnali periodici, nonché il ciclo di lavoro.

Misurare il periodo, la frequenza e il ciclo di lavoro di un'onda quadra

Se stai analizzando i dati di trasmissione tra due sistemi, un analizzatore logico può essere uno strumento prezioso per l'analisi dei tempi. Ad esempio, con l'I2C, la linea dei dati (SDA) deve essere mantenuta al suo valore previsto per un determinato periodo di tempo (dipendente dal componente) prima del fronte di salita della linea di clock (SCL). Questo è noto come tempo di setup. Per la maggior parte delle implementazioni dell'I2C, SDA deve anche essere mantenuta al suo valore previsto fino al successivo fronte di discesa di SCL. Questo è noto come tempo di mantenimento.

Un analizzatore logico con un tasso di campionamento sufficientemente veloce può aiutare a misurare con precisione i tempi di setup e mantenimento. Ciò può contribuire a garantire che i messaggi digitali vengano letti correttamente dal ricevitore.


Decodificare e cercare dati trasmessi
Un'altra caratteristica unica degli analizzatori logici è la capacità di decodificare i segnali. La maggior parte dei moderni sistemi di comunicazione digitale è implementata basandosi su un insieme di protocolli. Gli analizzatori logici o il relativo software possono includere questi protocolli, noti come analizzatori di protocollo, per aiutarti a comprendere i dati catturati.

Con i dati registrati, molti analizzatori logici ti consentiranno di cercare attraverso i dati alla ricerca di particolari pattern. Ad esempio, nell'I2C, possiamo cercare l'indirizzo bus del dispositivo, poiché ciò indica l'inizio di una trasmissione. Alcuni analizzatori logici ti consentiranno di impostare un modello di ricerca come condizione di trigger per iniziare la registrazione.

Forme fisiche

Analizzatori logici portatili
Gli analizzatori logici portatili hanno una forma fisica più tradizionale, simile all' "attrezzatura di prova", spesso più grandi rispetto alla maggior parte degli oscilloscopi da banco. Sono considerati "portatili" poiché includono tutto il necessario per catturare, visualizzare e analizzare segnali digitali, come sonde, uno schermo, controlli del cursore e talvolta una tastiera completa.

Esempio di un analizzatore logico portatile

Analizzatori logici modulari
Gli analizzatori logici modulari sono schede montate su rack o su PC che si inseriscono in un telaio principale o in un backplane. Sono considerati "modulari" perché l'utente finale può acquistare e sostituire vari moduli di acquisizione e di prova su un unico backplane in base alle proprie esigenze.

Analizzatori logici basati su PC
Gli analizzatori logici basati su PC si affidano ai computer per svolgere il lavoro pesante di visualizzazione e analisi dei dati catturati. Gli analizzatori logici basati su PC includono un dispositivo separato che viene collegato a una delle porte accessorio del computer. Il dispositivo contiene il necessario circuito di acquisizione dati per catturare segnali digitali multipli ad alta velocità. Queste informazioni vengono inviate al software del computer tramite la porta di connessione. A causa delle elevate velocità richieste per trasmettere grandi quantità di dati catturati, la maggior parte degli analizzatori logici basati su PC si basa su connessioni cablate ad alta velocità, come USB o Ethernet.

Analizzatore logico basato su PC collegato a un circuito

Perché avresti bisogno di un analizzatore logico?
Gli oscilloscopi possono misurare segnali digitali in modo simile agli analizzatori logici ma sono limitati dal numero di canali disponibili. Un oscilloscopio è lo strumento giusto per misurare come la tensione tra due punti in un circuito varia o fluttua nel tempo. Tuttavia, gli analizzatori logici possono essere estremamente utili per testare, debuggare e caratterizzare circuiti digitali con diversi vantaggi rispetto agli oscilloscopi:
- Più canali rispetto a un oscilloscopio
- Caratterizzare l'output di un circuito digitale (ad esempio, FPGA)
- Debug di firmware embedded complessi tramite l'attivazione dei pin di input/output a uso generale (GPIO)
- Misurare rapidamente e decodificare vari protocolli digitali
- Gli analizzatori logici basati su PC possono essere ottimi per il debug sul campo grazie alle loro dimensioni ridotte e alla portabilità