中心議題：
- 實現邏輯分析儀成功探測的6項提示
為了完成今天越來越復雜的數字系統的設計, 工程師需要完善的分析工具。對于系統驗證任務, 大多數工程師都要依靠邏輯分析儀。隨著被測系統速度的不斷提升和復雜程度的持續增加, 邏輯分析儀廠商也及時提高了儀器的性能和功能, 以滿足工程師的需求。在許多情況下, 邏輯分析儀主機的性能往往超過手頭任務的需要, 而從分析儀到目標系統的探頭物理連接則成為系統性能的瓶頸。如果邏輯分析儀接收到的信號有畸變, 那么邏輯分析儀的強大觸發和分析工具將是無用武之地。
這篇應用指南將討論實現成功邏輯分析儀探頭連接, 需要考慮的探測問題。我們將介紹探頭結構形式選擇、探頭負載和信號質量概念, 以及與接地有關的常見問題。最后討論兩種容易犯的錯誤: 在錯誤的引線位置探測和選擇了錯誤的互連。
提示1探頭結構形式
如果您決定使用邏輯分析儀, 也就必須選擇使用何種類型的探頭連接。探頭連接可分成兩大類: “設計中包括連接”和“事后連接”。對于設計中包括的連接, 邏輯分析儀探頭所探測的測試點就融入在最初設計中。連接器探頭和無連接器探頭都屬于這類連接。為使用這兩類探頭,設計師在電路板上布放適宜的焊盤,并把感興趣的信號連到焊盤上。邏輯分析儀探頭上的連接器能與目標連接器可靠插接。無連接器探頭則能壓在電路板焊盤上, 以保證良好地接觸 (圖1a)。
探頭 “事后連接” 的適應測試能力未融入設計的系統。此時您需要用包括各種互連附件（焊接、抓鉤等）的探頭觸針實現連接。最常用的“事后連接”探頭是飛線探頭(圖1b)。
在討論各種探頭結構形式的優缺點前, 先了解您在把邏輯分析儀接到系統時會遇到的一些問題。
圖1. 這些照片對“設計中包括連接”的探頭和“事后連接”的探頭進行比較。
提示2探頭負載
您要設法盡可能減小探頭對系統呈現的電氣負載。如果探頭極大改變了系統性能, 它就不能幫助您驗證系統; 因為故障可能完全是因探頭引發。負載主要有兩方面影響。首先是降低目標電路板上的信號質量, 并進而導致系統故障。其次是降低送入邏輯分析儀的被觀察波形質量。這會在驗證中導致錯誤的否定結論。為避免這些問題, 您必須了解探頭的結構。
邏輯分析儀探頭有高輸入阻抗。探頭觸針電路包括一個20kΩ量級的觸針電阻器。低頻時的探頭阻抗接近該阻值。隨著頻率的上升，探頭的寄生電容開始降低它的阻抗。阻抗沿標準RC響應滾降。這可能造成目標系統的問題; 當探頭阻抗開始接近系統阻抗時, 由探頭構成的電壓分壓器起著實質性的作用。低阻抗將吸收大量電流, 從而造成系統故障。
探頭中的電容主要與連接器有關。例如若目標信號與探頭觸針電阻間有大的連接器, 該連接器就會把大電容加到探頭負載中。使用小的連接器可減小這一電容量。
無連接器探頭提供較低的電氣負載。如前所述, 當您使用無連接器探頭時, 就要在目標系統上放置承載焊盤。邏輯分析儀探頭壓著在目標小電路板上實現電氣連接。由于消除了電氣路徑中的物理連接器, 就能實現非常低的電容量 (見表1)。
圖2 顯示負載端接傳輸線上各種探頭結構形式對等效集總電容的影響。波形顯示來自探頭的電容性反射如何在初始波形后某一時刻到達接收器。[page]
| 探頭 | 探頭類型 | 等效電容 |
| E5380A | Mictor連接器 | 3.0 pF |
| E5378A | Samtec 連接器 | 1.5 pF |
| E5381A | 飛線 (焊接) | 0.9 pF |
| E5390A | 軟觸無連接器 | 0.7 pF |
表1.
圖2. 波形是比較各種互連探頭負載的好方法。負載隨連接器尺寸的減小(或消除)而減小。系統的原上升時間是150ps。
提示3探頭觸針處的信號質量
如前所述, 探頭導致進入邏輯分析儀中的信號質量變差，從而得出錯誤的否定結論。這是驗證者遇到麻煩的原因, 因為他們把大量時間用在調試并不存在的問題上。為避免這一問題, 您必須注意探頭觸針處的信號質量。
除了留意探頭的電容性負載外,您還必須注意探頭位置。這在選擇各種不同端接方案時尤為重要。對于某種特定的端接方案, 接收器觀察的信號可能有足夠好的信號質量, 但在連線任何其它點觀察到的信號卻可能無法接受。
為說明這一點, 先來分析串聯端接傳輸線理論。感應波形瞬間在源端電阻和導線特性阻抗間分開。半幅度的電波沿傳輸線傳輸到接收器。在到達接收器時經過 100% 的正反射, 把半幅信號加倍得到原波形的幅度。該反射波以相反方向在傳輸線
上傳輸, 直到被源端電阻器吸收, 從而結束瞬態響應。
雖然這種方案為接收器提供一個良好的波形, 但該波形在傳輸線上呈階梯形狀。階梯波形不適合邏輯分析儀, 因為邏輯分析儀不能確定波形半幅度期間到底是邏輯“1”還是邏輯“0”。圖3顯示這種情況的波形。注意接收器處的波形信號質量良好,而在探頭觸針處觀察到的波形卻無法接受。隨著信號速度的增加, 探頭觸針處的信號質量對于成功的測量變得尤為重要。
圖3. 在接收器處和在探頭觸針處觀察到的串聯端接系統波形。
注意在連線中間處觀察到的波形階梯形狀。它表明正向傳輸的半幅度波形是往接收器方向傳輸。反向傳輸間反射波形與正向傳輸波形疊加后得到其最終值。
提示4接地問題
您在使用邏輯分析儀時需留意接地是否良好。探頭的接地信號是被觀察信號的參照。電氣信號必須有它的返回電流路徑。通常認為返回路徑是具有零電阻的理想導體。如果不是這種情況, 接地返回路徑阻抗上就有電壓降。這一電壓降將降低邏輯分析儀看到的電壓幅度。當把探頭接地時, 您的目標是提供盡可能低阻抗的返回路徑 (或地連接)。從而使邏輯分析儀能夠觀察到原信號幅度。
地線過長是引起問題的常見原因。長地線的等效串聯電阻造成跨該阻抗的壓降。為避免這一問題, 地線長度不應超過信號線過多。大致相等的長度能使信號路徑和接地路徑中的寄生電阻相匹配。
另一常遇的探測問題是接地回路的自感。在地線和信號線構成環路時, 接地路徑將產生正比于回路面積的自感。由于電感器感抗與頻率相關, 所以這一電感會使系統帶寬變窄。在高頻時, 因電感阻止電荷快速過地線從而減小帶寬。為緩解這一問題, 應讓地環路盡可能小。使用連接器探頭或無連接器探頭時, 地環路大小通常已被確定。但飛線探頭是通過普通導線把探頭接到系統。此時有可能構成大的地環路。為避免產生地環路, 要把地線和信號線擰在一起構成雙絞線。大多數飛線探頭帶有雙絞線附件，能幫助解決這一問題。
不足的接地線數量也能導致探測問題。某些探頭 (如飛線探頭)是由使用者確定接地線數量。為理解這一問題, 以有16 個信號線，而僅有一個接地線的飛線探頭為例。此時所有16個信號的返回電流都必須通過這一個接地連接。在一個或二個信號返回時, 接地線的自感是足夠低的, 能夠避免跨地線的電壓。但對于16 個信號, 電流已大到足能產生不可忽略的電壓。
解決這一問題需要增加接地線數。在理想情況下一個信號有一個接地。所需要的接地數與頻率成正比。我們建議一個接地不要用于兩個以上信號。如果您在用邏輯分析儀捕獲數據時發現有問題, 首先要檢查接地線數。[page]
提示5在錯誤的連線位置探測
常犯的錯誤
雖然今天有各種可用的探測選擇, 但往往很難確定何種連接方案能確保成功。有時甚至難以知道到底可用哪種方案。下面的例子說明在選擇了不適合您應用的探測解決方案時經常出現的兩個問題。
回到前面討論的串聯端接系統。該系統用背板上的驅動器IC和BGA封裝的接收器實現。為方便起見, 使用者選擇在背板連接器引腳處探測信號。但我們在前面已經說到, 在驅動器處探測串聯端接系統會在邏輯分析儀的探頭觸針處產生階梯波形。圖4a示出該連接方案, 圖4b示出邏輯分析儀觀察到的波形。
這一波形顯然是無法接受的。解決方案是把探頭直接放在接收器上。對BGA封裝的最近物理探測點是電路板背面通過焊盤的引出口。圖5示出新的連接方案, 它把飛線直接焊到BGA的通孔。此時得到的信號質量如圖5b 所示。
提示6選擇了錯誤的互連
考慮邏輯分析儀觀察到的是在電路板兩個元件之間的信號。該信號在電路板外層, 不超過3.5pF 的負載不會導致系統故障。設計師決定用基于Mictor 連接器的探頭 (AgilentE5380A)觀察信號。由于連接器的出腳和結構要求, 信號不能直接接到連接器上。這就迫使設計師把連接器放在走線面, 而為每一信號另增通孔連接。從而需要在電路板另一層上經過與原信號相垂直的走線實現至連接器的連接。圖6是這一連接的走線圖。
現在考慮使用Agilent E5390A軟接觸無連接器探頭的替代解決方案。此時, 您可把信號直接穿過探頭壓著點焊盤 (圖7)引入邏輯分析儀。采用這種方法, 系統就不會有附加的走線電容。探頭的凈電容是0.7pF。通過使用這種類型的連接方案, 您就能在不影響系統正常工作的條件下對電路進行分析。
圖6. 該連接方案用基于Mictor 連接器的探頭觀察總線信號。注意連接Mictor 需要另外增加走線長度。這就把走線電容 (3pF) 加到了連接器上。這一連接的凈電容已大于3.5pF，從而造成系統故障。
圖7. 這里是用軟接觸無連接器探頭觀察總線信號。減小的探頭負載和直接穿過壓著點的走線實現了可接受的邏輯分析連接。
探頭負責邏輯分析儀與您被測系統間的物理連接。在某些情況下探頭會成為性能的瓶頸。如果邏輯分析儀接收信號有畸變, 那么邏輯分析儀的強大觸發和分析工具將無用武之地。只有選擇正確的探頭結構形式, 采取最小化探頭負載的措施,保證探頭觸針處的信號質量, 才能把信號畸變減到最小。特別要注意接地的好壞，它會使結果大不相同。
