Развитие технологий обработки цифровых сигналов привело к созданию ряда специальных средств измерений. Наиболее распространённые из них — логические тестеры (анализаторы). О таких аппаратах знает каждый, кому приходилось сталкиваться с «цифрой».
Предлагаемый материал позволяет читателю самостоятельно получить честный ответ на вопросы: «Нужен мне такой измеритель или нет? И если нужен, то какой»?
В статье мы даём возможность новичку погрузиться в тему и подобрать логический тестер для начинающих, а специалисту, решившему приобрести профессиональный прибор, — получить подтверждение или опровержение правильности своего выбора.
Время чтения: 20 минут
Что такое логический анализатор простым языком
Если сказать упрощённо, логический анализатор (ЛА) работает как регистратор некоторых параметров входных цифровых сигналов в цифровых схемах. В таком приборе информация об амплитуде напряжения не важна, так как она одинакова во всех каналах и соответствует стандартным уровням логики. Прибор оценивает состояние устройства в зависимости от количества тактовых импульсов.
Логический анализатор нужен для задач:
- отладки цифровых схем;
- проверки и оптимизации аппаратной части и программного обеспечения (ПО) проектируемого оборудования;
- исследования протоколов взаимодействия между отдельными узлами радиоэлектронной аппаратуры (РЭА);
- оценки производительности микроконтроллеров (МК) и микропроцессоров.
Некоторые задачи, которые выполняют рассматриваемые измерители, можно решить с помощью осциллографов. Правда, на это потребуется больше времени и положительный результат не гарантируется.
Представьте ситуацию, когда с помощью осциллографа изучают протокол передачи данных по последовательной асимметричной шине. На это «увлекательное» занятие уже потрачены часы. Осциллоскоп показывает какие-то сигналы на шине обмена данными между МК, датчиками и исполнительными устройствами, но это не позволяет установить причину некорректной работы РЭА.
В таком случае приходит понимание, чем отличается цифровой тестер от осциллографа. С точки зрения функционала тестер позволяет:
- отслеживать временные соотношения между множеством сигналов, принимающих фиксированные уровни логики — нуля или единицы;
- исследовать протоколы обмена данными;
- задавать критерии захвата и фильтрации цифровых сигналов.
Логические анализаторы нужны для захвата, декодирования и исследования импульсных последовательностей. Приборы позволяют понять процессы, происходящие в схеме, путём изучения результатов декодирования протокола.
К основным функциям относятся следующие:
- Мониторинг и коррекция сотен дискретных сигналов одновременно.
- Отладка нового и отслеживание качества работы действующего ПО, управляющего разными электронными приборами.
- Сбор сведений о работе электронных устройств в реальном масштабе времени.
- Программирование сложных тестовых испытаний.
Приборы незаменимы для изучения эффективности работы микропроцессорных схем, матриц FPGA (Field Programmable Gate Array — программируемая пользователем вентильная матрица), постоянной оперативной памяти.
В зависимости от функционального построения и вида индикации различают испытатели логических состояний и тестеры временных диаграмм.
В устройствах первого типа в качестве элементов индикации используются светодиоды. В аппаратах второго типа результаты тестов представляются в форме осциллограмм, которые отображаются на экранах ПК или ЖКИ индикаторах.
В отличие от ЛА, тестеры протоколов позволяют декодировать популярные сетевые протоколы верхних уровней. К ним относятся Telnet, IP, TCP, HTTP и ряд других.
С помощью рассматриваемых измерителей исследуют передачу цифровых сигналов в сетях обмена информацией. Приборы используют для обнаружения сетевых проблем и уязвимостей, изучения трафика, исследования атак, оценки пропускной способности сетей.
Тестеры протоколов поддерживают следующие основные функции:
- Диагностику статистических показателей трафика. К ним относятся количество неискажённых и искажённых кадров, коэффициент использования сетевого сегмента, объём трафика между узлами сети.
- Взаимодействие с несколькими сетевыми агентами, которые транслируют захваченные пакеты из разных сегментов. В каждый момент времени измеритель способен работать лишь с одним агентом. Поэтому сопоставление информации из разных каналов в реальном времени не обеспечивается.
- Настраиваемую оператором селекцию захваченных пакетов по выбранным критериям.
Изменение критериев старта и останова получения данных путём применения триггеров.
Примером простейшего исследования протокола служит процедура пингования. Она позволяет оценить качество интернет-соединения путём оценки количества правильно принятых ПК пакетов по сравнению с числом ошибочных.
Краткое сопоставление функций сравниваемых приборов позволяет сделать вывод о том, что ЛА отображают процессы на физическом, а тестеры протоколов — на сетевом уровне.
Чем логический анализатор отличается от осциллографа
Начинающие радиолюбители часто задаются вопросом: чем отличаются от осциллографа ЛА? Ответ прост — назначением и функционалом.
Первые аппараты для исследования импульсных последовательностей были созданы в 70-х годах прошлого столетия. Их применяли для отладки параллельных шин обмена данными.
Для иллюстрации на следующем фото показан экран персонального компьютера с установленным на нём ПО для изучения временных диаграмм.
Декодирование полученных данных позволяет извлечь информацию о событиях, происходящих в схеме. Например, «процессор отправил байт 0x48 по адресу 0x3C».
На следующем фото представлен внешний вид 16-канального тестера со светодиодной индикацией.
Разница между двумя рассмотренными приборами очевидна.
Классические осциллографы отличаются от бинарных тестеров тем, что они позволяют наблюдать изменение формы, амплитуды, частотных и временных характеристик сигналов. Результаты таких измерений отображаются в виде временных диаграмм.
На следующем фото показана временная диаграмма цифрового сигнала произвольной амплитуды, воспроизводимая на экране одного канала осциллографа.
Результаты осциллографических тестов позволяют оценить джиттер, уровень пульсаций на шинах питания, время нарастания и спада импульсов, параметры переходных процессов в инерционных звеньях (например, фильтрах), временные соотношения между колебаниями и т. д. Однако информация о событиях, происходящих в РЭА, отсутствует.
Приведённая ниже таблица позволяет сопоставить некоторые характеристики сравниваемых приборов:
| Параметр | Классический осциллограф | Логический анализатор |
| Значениями амплитуд входных сигналов | Единицы мВ – десятки В | Наиболее распространённые уровни 1.2, 1.8, 3.3, 5.5 В* |
| Полоса пропускания | До десятков ГГц | До сотен МГц |
| Дискретизация | До десятков ГВыб/с | До нескольких десятков МВыб/с |
| Максимальное количество каналов | До 4 | До сотни |
| Глубина памяти | До сотен млн. точек | До нескольких млрд. точек |
*Примечание. Устройства, в которых предусмотрено использование внешних компараторов, позволяют исследовать входные сигналы в диапазоне от минус 10 до плюс 10 В.
Существуют тестеры MSO (Mixed Signal Oscilloscope — осциллограф смешанных сигналов). Примером такого аппарата служит USB осциллограф-приставка Hantek DSO3254A. Это комбинированные осциллоскопы, поддерживающие функции нескольких измерительных приборов, в том числе и ЛА.
Краткое сопоставление возможностей рассматриваемых приборов позволяет сделать вывод, что ЛА и классические осциллоскопы не заменяют, а дополняют друг друга. Гибридные MSO представляют собой реализованные в общем конструктиве осциллоскопы, ЛА, генераторы и другие аппараты. Это удобно с точки зрения эксплуатации. Но такие гибриды поддерживают ограниченный функционал по сравнению со специализированными измерителями.
Нужен ли вам логический анализатор?
Мы в компании Суперайс считаем, что рассматриваемые измерители необходимы далеко не всем специалистам, работающим с «цифрой». Определиться с ответом на вопрос читателю поможет следующая таблица:
| Нужен, если вы решаете следующие задачи | Можно обойтись без ЛА, если вы преследуете следующие цели |
| Отлаживаете цифровые интерфейсы: I2C, SPI, UART, CAN, 1-Wire, DMX, ModBus и т. д. | Работаете только с аналоговыми схемами |
| Тестируете прошивку и не можете понять, почему МК не отвечает на команды | Тестируете ток, напряжение, сопротивление, ёмкость, индуктивность и т. д. |
| Исследуете длинную захваченную последовательность и декодируете её | Анализируете простые низкоскоростные протоколы, когда возможностей осциллографа достаточно |
| Работаете с несколькими шинами одновременно (8, 16, 32 канала) | Не располагаете необходимым бюджетом, но имеете время, достаточное для проведения исследований программными средствами |
| Ваше рабочее время, затрачиваемое на отладку, стоит дороже, чем ЛА | Получаете достаточно данных для отладки через JTAG/SWD |
| Безуспешно пытаетесь интегрировать сторонний модуль или библиотеку в разрабатываемую РЭА | Завершили отработку изделия и получили удовлетворительный результат |
Возможно, кто-то озаботится вопросом: что делать, если шансы в пользу выбора того или другого решения о покупке примерно одинаковы? Если вы задаёте себе этот вопрос, то это — косвенное подтверждение того, что ЛА вам нужен.
Шесть задач, где логический анализатор незаменим
Если вы работаете с цифровой электроникой, анализатор быстро становится одним из ключевых инструментов. Он экономит часы диагностики, упрощает поиск редких ошибок и позволяет уверенно разбирать поведение протоколов. Вот шесть случаев, когда ЛА превращается из опционального прибора в необходимый.
Задача 1
Устройство по интерфейсу I2C (Inter-Integrated Circuit — последовательная асимметричная шина) не отвечает.
В чём причина — в главном устройстве (МК), датчиках (устройства 1, 2) или в подтягивающих резисторах?
Схема соединения компонентов показана на следующем рисунке.
Вначале с помощью мультиметра проверяют подтягивающие резисторы R1, 2. Неисправный элемент заменяют. Затем тестером временных диаграмм, подключённым к шине данных, исследуют работу механизма подтверждения доставки ACK/NACK (Acknowledge/Not Acknowledge — подтвердить/не подтвердить) для каждого байта. Таким способом можно выявить неисправный компонент.
Задача 2
МК соединён с дисплеем по интерфейсу SPI. Дисплей инициализируется, но показывает абракадабру.
SPI (Serial Peripheral Interface — синхронный интерфейс передачи данных между ведущим (Master) и периферийным или подчинённым (Slave) оборудованием). Схема соединения аппаратных средств представлена на следующем рисунке.
Взаимодействие оборудования осуществляется по четырём линиям:
- MOSI (Master Out Slave In) — линия для передачи данных от МК к дисплею.
- MISO (Master In Slave Out) — линия для получения данных от дисплея.
- SCK (Serial Clock) — линия синхронизации.
- SS (Slave Select) — линия выбора ведомого устройства.
Вероятная причина происходящего — разные настройки CPOL/CPHA у МК и дисплея. Измеритель временных диаграмм декодирует передаваемые сигналы и выявляет несоответствие настроек CPOL и CPHA требованиям ведущего устройства. При отладке рекомендуется проверить все четыре возможных режима SPI.
Если возникают проблемы с конкретной РЭА, нужно хорошенько покопаться в документации производителя.
Задача 3
РЭА отправляет данные по интерфейсу UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter — универсальный асинхронный приёмопередатчик), но МК их не принимает.
Причинами некорректной работы схемы могут быть несовпадение скорости или стоп-битов. Тестер временных диаграмм показывает декодированные байты.
Задача 4
CAN-шина при определённых условиях работает некорректно.
Схема соединения компонентов по интерфейсу CAN показана на следующем рисунке.
Для выяснения причин происходящего нужно выявить конкретный CAN фрейм с ошибкой. Для этого используют ЛА с запуском по содержимому пакета, подключаемый к шине CAN. Тестер временных диаграмм захватывает пакет, соответствующий критерию триггера, и декодирует его содержимое. Полученный результат используется для последующего анализа.
Задача 5
Для интеграции сторонней библиотеки с существующим ПО необходимо убедиться, что она генерирует правильную последовательность.
Тестер временных диаграмм соединяют с ПК через сеть LAN или по интерфейсу USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина). Измеритель захватывает сгенерированную последовательность, которая сравнивается с требуемой комбинацией.
Задача 6
Необходимо одновременно отладить несколько шин. Например, UART для отладочного вывода, SPI для дисплея и I2C для датчика.
Для работы со стыками UART и I2C потребуется 2 канала, а для SPI необходимо 4 канала. Значит, потребуется восьмиканальный тестер временных диаграмм с частотой дискретизации, определяемой самым высокоскоростным протоколом. В рассматриваемом случае это SPI, для исследования которого частота дискретизации должна быть не менее 80 МГц.
Для подготовки к тестированию необходимо проделать следующее:
- Определить соответствие проводников шин номерам каналов измерителя.
- Назначить триггер для захвата импульсов. Условия запуска можно задать для одного канала.
- Выбрать glitch filter (фильтр сбоев) в ПО.
- Задать частоту выборок исследуемых сигналов.
- Назначить время захвата.
- Определить формат представления данных.
- Сохранить настройки.
Тестер захватит сигналы на проводниках шин и отобразит результаты измерений в требуемом формате.
Как выбрать анализатор — классы и параметры
ЛА выбирают по следующим основным параметрам:
- числу каналов;
- частоте дискретизации;
- глубине буфера памяти;
- типу ПО;
- поддерживаемым протоколам;
- пороговым значениям цифровых уровней;
- способам синхронизации и запуска;
- форматам отображения данных.
Кратко остановимся на этих характеристиках.
Число каналов зависит от степени сложности решаемых метрологических задач. Для начинающих экспериментаторов вполне достаточно восьмиканального аппарата. В качестве рабочего минимума разумное количество начинается с 16, а для исследовательских и производственных целей — с 32.
Частота дискретизации должна превышать предельную частоту тестируемых процессов не менее чем в 4 раза. Значит, для работы с I2C (400 кГц) достаточно 4 МГц. Для исследования UART и Arduino (922 кГц) нужно 7.5 МГц. А для тестирования SPI (10 МГц) потребуется уже 80 МГц.
Глубину буфера памяти целесообразно выбирать чем больше, тем лучше. Такой критерий выбора позволяет обеспечить возможность контроля редких событий.
Список поддерживаемых протоколов приводится в руководстве пользователя. Имеет смысл ознакомиться с ним заранее.
ПО для анализаторов делится на два вида — открытое и принадлежащее компании-правообладателю. К первому виду относятся продукты с open-source (открытый исходный код), например Sigrok/PulseView. Такое ПО может использоваться совместно с «железом» разных производителей и работать под разными ОС.
Примером второго вида ПО служит Logic 2. Оно создано компанией Saleae. Исходный код ПО — это интеллектуальная собственность его создателя. Поэтому Logic 2 не может использоваться на измерителях сторонних производителей.
Пороговые значения уровней ЛА ограничивают перечень РЭА, с которой может работать измеритель. Поэтому если специалист ежедневно работает с разной цифровой техникой, ему понадобится аппарат с максимальным набором логических уровней и внешними компараторами.
Мы в компании Суперайс полагаем, что ЛА, представленные в каталоге, можно разделить на несколько категорий: бюджетные USB, измерители среднего класса, аппараты для профессионалов, MSO, промышленные измерители.
Ниже приводится краткая характеристика каждой категории по базовым показателям.
| № | Класс | Пример модели | Каналы/частота дискретизации, МГц | Особенности | Цена, руб* | Целевая группа |
| 1 | Бюджетный USB | LogicSniffer, Cypress FX2 | 8 кан., до 24 | UART/I2C | 1 000–3 000 | Радиолюбители |
| 2 | Средний класс | Saleae Logic 8, Kingst LA | 8–16 кан., до 100 | 5 000–25 000 | Сервисные инженеры и ремонтники | |
| 3 | Профессиональный | Saleae Logic Pro 16 | 16 кан., до 500 | Сложные протоколы | 50 000–80 000 | Разработчики РЭА и ПО |
| 4 | Встроенный в MSO | Rigol MSO, Siglent SDS-E | 16 цифр. + осц. | Смешанный сигнал | 40 000–150 000 | Разработчики РЭА и ПО |
| 5 | Промышленный | Teledyne, Keysight | 32–136 кан., ГГц | от 300 000 | Производство, метрология |
*Примечание. Стоимость РЭА указана на момент подготовки публикации.
Как следует из проведённого анализа, цена логических анализаторов колеблется в значительных пределах в зависимости от совокупности технических характеристик, определяющих принадлежность аппаратов к тому или иному классу.
ПО — часть анализатора, о значимости которой забывают
Большинство современных средств измерений представляют собой аппаратно-программные комплексы. Поэтому их работа невозможна без соответствующего ПО.
В таких системах аппаратная часть без ПО, как и ПО без «железа», никому не нужны.
Грамотный подход к выбору ПО, обеспечивающего работу ЛА, позволяет существенно сэкономить затраты на приобретение прибора, особенно в бюджетном сегменте.
Например, высокоскоростной периферийный USB 2.0 МК всего за 900 рублей, работающий под Sigrok/PulseView, позволяет получить полноценный анализатор.
Продукт Saleae Logic 2, созданный специально для работы в средствах измерений, считается лучшим на рынке.
Поэтому цена его аппаратной части стартует от 50000 руб. Почувствуйте разницу!
| Функция | ПО | |
| Logic 2 | Sigrok/PulseView | |
| Автоопределение протоколов | + | - |
| Создание оригинальных декодеров | + | + |
| Подключение программных расширений | + | - |
| Логирование данных | + | - |
| Синтаксический разбор осциллограммы трафика | + | + |
| Работа на нескольких ОС | - | Linux, Mac OS X, Windows, FreeBSD, OpenBSD, NetBSD, Android |
| Совместимость с аппаратной частью разных вендоров | - | + |
Остановимся на кратком описании графического пользовательского интерфейса ПО Sigrok/PulseView.
Запуск ПО
После запуска Sigrok/PulseView на экране ПК появляется окно, изображённое ниже.
Цифрами на фото обозначены:
- 1 — иконка начала новой сессии.
- 2 — поле выбора нового устройства.
- 3 — кнопка запуска ПО для получения данных от выбранного узла или блока.
Конфигурация устройств
Затем нужно сконфигурировать устройство в программе.
Цифрами на рисунке обозначены:
- 1 — иконка настроек, специфичных для исследуемой РЭА.
- 2 — кнопка настроек, специфичных для канала.
- 3 — поле для выбора количество образцов для захвата.
- 4 — иконка установки частоты дискретизации
- 5 — область настроек режима запуска для каждого канала.
Выбор задаваемых параметров зависит от целей исследования, подхода к сбору данных и возможностей используемого ПК.
Триггеры
Доступны следующие способы запуска: когда исследуемое напряжение принимает значение логического нуля (или единицы), по фронту (или спаду) импульса, и по фронту, и по спаду одновременно.
После выбора триггера иконка запуска на предыдущем рисунке становится активной. После запуска ПО с настроенным триггером аппарат будет собирать данные до тех пор, пока не закончится память или не будет нажата иконка «Стоп».
Анализ данных
Для анализа применяются курсоры и маркеры. Маркеры представляют собой подвижные индикаторы, которые пользователь может создавать в любой точке временной шкалы.
Цифрами на этом фото обозначены:
- 1 — кнопка активации курсора.
- 2 — курсор.
- 3 — маркер.
Представление результатов
В следующем окне будут отображены параметры исследуемых сигналов.
Верхняя последовательность соответствует сигналу SCL (последовательные часы), средняя — SDA (последовательные данные) в двунаправленных линиях связи. Нижняя диаграмма является результатом декодирования полученных данных в виде последовательности нулей и единиц.
Вывод данных бинарного декодера
Все декодеры Sigrok/PulseView создают удобные для визуального восприятия представления итогов исследований. Некоторые из них обеспечивают также визуализацию двоичных данных. Для этого нужно выбирать поле выбора вида бинарного декодера.
Из открывшегося списка предстоит выбрать декодер с двоичным выходом для нужного протокола (I2C, I2S, EEPROM24xx, SPI или UART).
Расшифрованную информацию, которая получена, например, по I2S, можно сохранять в виде wav файлов.
Импорт и экспорт данных
Для выполнения этой процедуры необходимо нажать на маленькую стрелку рядом с кнопкой «Открыть».
Экспорт информации происходит аналогично. После закрытия ПО вся информация и настройки сохраняются автоматически.
Ассортимент товаров рассматриваемой категории, предлагаемых магазином Суперайс, отличается многообразием предложений. Здесь каждый покупатель может подобрать продукт, исходя из технических требований и экономической целесообразности.
Воспользовавшись каталогом Суперайс, можно купить логические анализаторы по бюджетным ценам для USB-решений или профессиональные 16-канальные аппараты. Для большинства из них имеется руководство по эксплуатации на русском языке с описанием решаемых технических задач.
Если вы работаете с цифровыми программируемыми устройствами и тратите на их отладку больше часа, то анализатор недорогого ценового сегмента окупится очень быстро.
Если на текущий момент ваши задачи ограничиваются работой с аналоговыми схемами или простыми GPIO (General Purpose Input/Output — порты ввода/вывода), приобретать анализатор не имеет смысла. Дождитесь, когда вам предложат цифровой проект.
Если вы ещё не уверены в эффективности применения анализаторов в работе с цифровой техникой, читайте наш материал «Логический анализатор: функциональность и применение в цифровой электронике».
