Логический анализатор

Чем анализатор отличается от осциллографа

Осциллограф показывает форму напряжения на двух-четырёх каналах, но запись у него короткая, а декодирование шин — часто платная опция. Анализатор, наоборот, видит только логический уровень, зато каналов 8–16, запись длится секунды и минуты, а протоколы разбираются программно: у Saleae Logic 2 — 24 встроенных анализатора протоколов, поиск и фильтр по результатам, а также API для собственных декодеров (Logic 8 Data Sheet). Saleae прямо пишет, что её приборы не заменяют осциллограф для проверки целостности сигналов, высокочастотных аналоговых сигналов и сигналов меньше 100 мВ (Can These Products Replace an Oscilloscope?). Обычный порядок отладки: анализатором найти, где обмен ломается, осциллографом — почему.

Частота выборки: правило «в четыре раза»

Анализаторы Saleae используют асинхронную выборку: момент выборки не зависит от сигнала, и всё, что происходит между двумя выборками, в запись не попадает (What is Asynchronous Sampling?). Поэтому сигнал нужно записывать с запасом. Правило Saleae: частота выборки цифровых каналов — не меньше чем в 4 раза выше высшей частоты сигнала, аналоговых — в 10 раз (What Is the Maximum Bandwidth of Logic?; Logic 8 Data Sheet, разд. Bandwidth vs Sample Rate).

Из той же картинки видна точность по времени: положение фронта известно с точностью до одного периода выборки. У первого Saleae Logic погрешность длительности импульса указана ±42 нс при 24 МГц (Logic Technical Specifications) — это и есть период 1/24 МГц ≈ 41,7 нс (наш расчёт).

Наибольшая частота выборки зависит от числа включённых каналов — данные идут в компьютер по USB, и полоса шины делится между ними:

Данные — из даташитов Saleae (DOC_620-00011, DOC_620-00013, Logic Technical Specifications) и драйвера fx2lafw (MAX_8BIT_SAMPLE_RATE, MAX_16BIT_SAMPLE_RATE в protocol.h). Наибольшие частоты требуют малой задержки USB: первый Logic предупреждал, что они достижимы не на каждом компьютере, Logic Pro для заявленных частот нужен USB 3.0.

Пороги входов и предельные напряжения

Анализатор решает, «0» или «1», сравнивая напряжение с порогом, и у всех входов Saleae порог один (Supported Voltages). От порога зависит, с какой логикой анализатор работает.

Источники — страница Supported Voltages, даташиты Saleae и даташит Cypress CY7C68013A (38-08032, табл. 14 и Absolute Maximum Ratings). Следствия:

• Логика 1,8 В не читается анализатором с порогом «1» 2,0 В — Saleae прямо пишет это про Logic 4. Это же относится к FX2LP, если вход платы подключён к микросхеме без буфера; у недорогих плат схему входа стоит проверить.
• Зона неопределённости. У Logic 8 между 0,6 и 1,2 В поведение не определено. Медленные фронты открытого стока I2C проходят эту зону долго, и вход может дать ложные перепады; Saleae рекомендует включать программный фильтр глитчей.
• Напряжения шин. Защита ±25 В у Logic 4/8/Pro позволяет подключать RS-232, RS-485 и 12-вольтовую логику без адаптеров; выход за этот диапазон даже на короткое время может повредить прибор (Safety & Warranty). Первый Logic и платы на FX2 рассчитаны на уровни до 5,25 В — RS-232 к ним напрямую подключать нельзя.
• Дифференциальные линии (CAN, RS-485, USB) — входы анализатора несимметричные; Saleae советует сначала преобразовать сигнал приёмником в несимметричный, хотя иногда хватает и одной линии пары (Logic 8 Data Sheet, разд. Differential Signals).

Земля общая с компьютером

Земля всех входов анализатора соединена между собой, с корпусом, с USB и, значит, с землёй компьютера (Logic 8 Data Sheet; Are the Input Channels Isolated?). Если у испытуемой схемы есть второй путь к той же земле — через другой USB-кабель, программатор или сетевой блок питания с заземлённой вилкой, — образуется контур земли. Сам по себе он не опасен, но если провод земли анализатора случайно коснётся вывода +5 В, ток короткого замыкания пойдёт через анализатор, USB-кабель и компьютер; предохранители в цепи земли Saleae не всегда успевают сработать (Safety & Warranty).

Запуск, длина записи и декодеры

• Запуск. Saleae Logic 8 запускается по фронту и по длительности импульса. Драйвер fx2lafw в sigrok поддерживает условия «0», «1», нарастание, спад и любой перепад, до четырёх ступеней запуска и задание доли записи до события.
• Длина записи. У Saleae она ограничена свободной памятью компьютера и плотностью активности в сигнале: запись хранится в сжатом виде (Logic 8 Data Sheet, разд. Sample Buffer Limit). Для первого Logic называлось 10 млрд выборок при хорошо сжимаемом сигнале.
• Декодеры протоколов. Logic 2 декодирует UART, I2C, SPI, CAN и другие протоколы и позволяет писать свои; в открытом пакете sigrok то же делает программа PulseView с библиотекой декодеров libsigrokdecode. Декодер нужно настроить: для UART — скорость, число бит, чётность и полярность; для SPI — режим (полярность и фаза такта) и порядок бит; ошибка настройки выглядит как «мусор» в декодированных байтах, а не как ошибка схемы.

Saleae, sigrok и недорогие анализаторы на FX2

Недорогие анализаторы «24 МГц, 8 каналов» построены на USB-микроконтроллере Cypress FX2LP: его программируемый параллельный интерфейс GPIF читает порт и отправляет данные в компьютер по USB 2.0 (даташит 38-08032). Драйвер fx2lafw из открытого проекта sigrok загружает в FX2 свою прошивку и поддерживает Saleae Logic первого поколения и его клоны, анализаторы CWAV USBee, отладочные платы FX2 и открытые конструкции sigrok FX2 LA на 8 и 16 каналов; частоты — от 20 кГц до 24 МГц на 8 каналах и до 12 МГц на 16 (api.c, protocol.h). Работать с ними удобно в PulseView.

Что важно знать о таких платах: если входы подключены к FX2LP напрямую, без буфера и защиты (проверьте по схеме своей платы), предел напряжения — абсолютный максимум микросхемы 5,25 В, а порог «1» — 2 В; наибольшая частота требует малой задержки USB — Saleae предупреждал об этом ещё для первого Logic; аналоговых каналов и выбора порога у таких плат обычно нет. Для UART, I2C до 400 кГц, 1-Wire и SPI до нескольких мегагерц этого хватает. Saleae Logic 8 и Logic Pro добавляют защищённые входы ±25 В, низкие пороги для 1,8 и 1,2 В, большие частоты выборки и аналоговые каналы (Logic 8 — 10 Мвыб/с, 10 бит, 0…5 В).

Пример: хватит ли 24 МГц для SPI

Нужно записать SPI на 10 МГц: четыре линии — SCLK, MOSI, MISO и CS.

• По правилу Saleae частота выборки — не меньше 4 × 10 МГц = 40 Мвыб/с (наш расчёт).
• Анализатор на FX2 с fx2lafw: 24 МГц — это 2,4 выборки на период такта, период выборки 41,7 нс почти равен полупериоду такта 50 нс. Отдельные фронты будут смещены или потеряны, и декодер ошибётся. Не подходит.
• Saleae Logic 8: на четырёх каналах доступно 50 Мвыб/с (до 6 каналов) — 5 выборок на период, условие выполнено.
• I2C на 400 кГц — нужно от 1,6 Мвыб/с, UART на 115 200 бит/с — бит длится 8,68 мкс, и даже на 1 Мвыб/с на него приходится около 8,7 выборки (наш расчёт). Тут достаточно любого из анализаторов. Формат кадра UART и время передачи помогает проверить калькулятор кадра UART, транзакцию I2C — калькулятор транзакции I2C.

Частые ошибки

• Частота выборки «на глаз». Меньше четырёх выборок на период — фронты прыгают, декодер выдаёт ошибки, хотя схема исправна.
• Не та логика. Порог «1» 2 В и сигнал 1,8 В — постоянный «0» на входе.
• Не подключена земля. Хотя бы один провод земли нужен обязательно; для быстрых сигналов Saleae советует землю на каждый канал.
• Земля под потенциалом. Контур через второй USB или заземлённый блок питания и касание шины питания — сгоревший анализатор или порт.
• Медленные фронты I2C без фильтра глитчей — ложные перепады в зоне между порогами.
• Неверные настройки декодера: скорость UART, режим SPI, порядок бит — «мусор» вместо данных.
• Попытка заменить осциллограф. Звон, перекрёстные помехи и уровни напряжений анализатор не покажет.