- Khối tạo dạng đo: Tạo xung điều khiển quỏ trỡnh đo cụ thể là tạo xung vuụng gốc thời gian để điều khiển khúa K cú độ rộng t=1/f ct=10k s đõy là khoảng thời gian
Zx.Zm=Z1.Z
3.6.6.2. Cỏc phương phỏp phõn tớch
a) Phương phỏp phõn tớch logic
Phƣơng phỏp phan tớch logic sử dụng ba loại thiết bị phõn tớch logic là: - Bộ phõn tớch trạng thỏi logic.
207 - Bộ phỏt tớn hiệu đồng bộ.
*) Khỏi niệm
Trƣớc khi đƣa ra những nguyờn tắc của thiết bị, cần xỏc định thờm cỏc khỏi niệm trạng thỏi logic và biểu đồ thời gian của thiết bị điện tử số.
Trạng thỏi logic:
Tớn hiệu nhị phõn dựng trong mạch điện tử số sử dụng hai mức điện ỏp rừ rệt: một mức đƣợc coi là logic “0”, mức kia là logic “1”.
Trong mạch điện thực tế, những mức này khụng đƣợc định nghĩa với trị số điện ỏp chớnh xỏc, mà nú sẽ ở trong một khoảng giỏ trị điện ỏp nào đú. Vớ dụ nhƣ đối với họ vi mạch TTL LSI, mức logic 0 là trong khoảng điện ỏp nhỏ hơn 0,4v và mức điện ỏp lớn hơn 2,4v đƣợc coi là mức logic 1. Núi cỏch khỏc, logic 0 là mức thấp và logic 1 là mức cao, và cỏch quy ƣớc này coi là logic khẳng định (logic dƣơng). Nếu mức điện ỏp thấp đƣợc quy ƣớc là mức 1, thỡ cỏch quy ƣớc gọi mạch điện đƣợc xõy dựng trờn cơ sở của logic phủ định (logic õm).
Sự tổ hợp của một chuỗi cỏc số cỏc số logic 0 và 1 tại đầu ra của mạch số quyết định trạng thỏi của nú.
Biểu đồ thời gian của tớn hiệu logic:
Trong quỏ trỡnh phõn tớch hệ thống, gỡ rối chƣơng trỡnh, kiểm tra hoặc tỡm lỗi của một hệ cú vi xử lý, việc nghiờn cứu và biểu diễn của dóy số liệu theo thời gian cú thể nhiều khi cho biết về hệ thống hơn hẳn so với bảng trạng thỏi logic.
Những nhƣợc điểm đặc trƣng cho mạch tuyến tớnh cũng cú thể xảy ra trong mạch số, vớ dụ nhƣ mộo sƣờn xung, sự khụng ổn định và nhấp nhỏy khi chuyển mạch.
Ba dạng biểu diễn kết quả phõn tớch
Ta cú thể biểu diễn thụng tin nhận đƣợc trong việc thử nghiệm cỏc mạch số dƣới ba dạng sau:
- Bảng trạng thỏi. - Biểu đồ thời gian. - Cỏc thẻ trạng thỏi
1. Hiển thị bảng trạng thỏi đƣợc dựng để phõn tớch trạng thỏi logic. Nú cho phộp quan sỏt trạng thỏi logic dƣới dạng bảng số: Hệ cơ số 2, Hệ cơ số 8, Hệ cơ số 10, Hệ cơ số 16. Sự hiển thị này đụi khi đƣợc gọi là sự hiển thị phản ỏnh thụng tin trong vựng số liệu.
2. Biểu đồ thời gian logic đƣợc biểu diễn thụng qua màn hỡnh tƣơng tự nhƣ màn hỡnh ụxilụ nhiều kờnh bỡnh thƣờng cú thể quan sỏt đồng thời 8 biểu đồ thời gian cựng một lỳc.
208
3. Tấm thẻ trạng thỏi: Khi biểu diễn dƣới dạng “tấm thẻ trạng thỏi”, ta khụng dựng bảng bit mà dựng ma trận vạch sỏng. Ở đõy mỗi vạch tƣơng ứng với một byte nhất định. Qua quan hệ giữa cỏc vạch sỏng trờn màn hỡnh, cú thể quan sỏt quỏ trỡnh xử lý số liệu trong mạch.
Tấm thẻ trạng thỏi cho phộp dễ dàng kiểm tra trạng thỏi chức năng của cỏc mạch số làm việc tuần hoàn.
Khi dựng phõn tớch logic theo chƣơng trỡnh phƣơng phỏp hiển thị tấm thẻ trạng thỏi nhƣ miờu tả ở trờn để kiểm tra hoạt động chƣơng trỡnh hệ thống vi xử lý, ta cú đƣợc những dạng đặc biệt riờng. Nếu nắm vững cỏch phõn biệt cỏc dạng hỡnh ảnh đặc trƣng cho từng hệ thống vi xử lý riờng, thỡ cú thể dễ dàng kiểm tra quỏ trỡnh hoạt động của chƣơng trỡnh.
*) Thiết bị phõn tớch trạng thỏi logic (Logic State Analyzers)
Để cú thể phõn tớch, tỡm ra hỏng húc một cỏch cú hiệu quả. Bộ phõn tớch trạng thỏi logic (đụi khi cũn gọi là bộ phõn tớch đồng bộ) phải cú những yờu cầu sau:
1- Số liệu cần phải đƣợc đọc và hiển thị dạng nhị phõn, để dễ đọc mà khụng cần bất cứ một sự thụng dịch nào.
2- Cú đủ đầu vào để trong một thời điểm cú thể cựng lỳc hiển thị, kiểm tra toàn bộ một từ số liệu.
3- Một từ kớch khởi phải đƣợc yờu cầu bởi một từ số liệu riờng, duy nhất trong một chuỗi vào.
4- Phải cú một sự trễ cần thiết để đủ thời gian chuyển số hiển thị đến từ cần tham khảo.
5- Phải cú khả năng lƣu trữ để lƣu trữ cỏc sự kiện sảy ra.
6- Việc nối mỏy phõn tớch vào hệ thống phải đảm bảo khụng ảnh hƣởng đến nhữg tham số của hệ thống hoặc làm thay đổi sự hoạt động của chƣơng trỡnh.
7- Đầu đo cần đƣợc nối với mỏy phõn tớch một cỏch chắc chắn nhất trong suốt quỏ trỡnh kiểm tra, đo thử.
8- Màn hiển thị phải dễ đọc dễ hiểu.
Nhƣ vậy, cú nghĩa là: Số liệu phõn tớch đƣợc đƣa vào thể hiện dƣới dạng mó nhị phõn, tức là dƣới dạng tổ hợp cỏc bớt; cần cú đủ số lƣợng cỏc đầu vào ra song song để cú thể cho phộp kiểm tra đồng thời một từ nguyờn vẹn; vấn đề điều khiển số liệu ở đầu vào và phõn định chu kỳ trong thiết bị thử nghiệm cần đƣợc tiến hành bằng một xung đồng bộ duy nhất; khoảng thời gian cần thiết để xử lý số liệu của thiết bị để xử lý số liệu của thiết bị phõn tớch cần phải rất ngắn; việc kết nối thiết bị phõn tớch với mạch cần khảo sỏt phải khụng làm ảnh hƣởng tới cỏc thụng số của mạch cũng nhƣ khụng đũi hỏi phải thay
209
đổi chế độ hay chƣơng trỡnh làm việc của mạch; đầu vào của thiết bị phải cú cấu trỳc sao cho cú thể dễ dàng kết nối với mạch cần khảo sỏt; thiết bị phải cú màn hỡnh hiển thị dễ quan sỏt và nhận dạng để xử lý thụng tin.
Theo yờu cầu thứ hai đó cú nhà sản xuất thiết bị phõn tớch trạng thỏi cú thể 8, 16, 32 hay 64 kờnh.
*) Thiết bị phõn tớch biểu đồ thời gian Logic (Logic timing Analyzers)
Thiết bị phõn tớch trạng thỏi logic cho phộp xỏc định hiện tƣợng (và đụi khi ngay cả vị trớ) xuất hiện hƣ hỏng của mạch số đƣợc thử nghiệm. Tuy nhiờn sau đú vẫn cần đũi hỏi tỡm hiểu thờm về tớnh chất và nguyờn nhõn của hƣ hỏng. Lỗi sai sút thƣờng xuất hiện do xung nhiễu trong thời gian ngắn; do đầu vào tớn hiệu khụng đồng thời, mất đồng bộ, do cõu lệnh sai. Trong những tỡnh huống đú, việc sử dụng thiết bị phõn tớch biểu đồ thời gian logic (cũng cũn cú thể gọi là thiết bị phõn tớch lệnh đồng bộ) là rất hiệu quả. Nú cũng đặc biệt tiện lợi để kiểm tra cỏc thiết bị giao diện chuẩn đối với cỏc thụng tin trờn kờnh truyền điều khiển, cỏc số liệu đƣợc truyền quan cỏc thiết bị vào/ra.
Khi phõn tớch theo thời gian, phải khảo sỏt tớn hiệu và cỏc quỏ trỡnh cú khoảng thời gian rất nhỏ so với thời gian của một từ, vỡ vậy tần số làm việc, tốc độ lấy mẫu của thiết bị phõn tớch biểu đồ thời gian logic càng lớn hơn nhiều so với thiết bị trạng thỏ logic khi cựng làm việc với một dạng số liệu.
Trong đa số cỏc trƣờng hợp thỡ cỏc thiết bị phõn tớch biểu đồ thƣũi gian logic đều cú khả năng làm việc trong cả hai chế độ; đồng bộ và dị bộ (khụng đồng bộ). Cỏch thứ hai cú tốc độ làm việc cao hơn. Tốc độ cực đại phụ thuộc vào yờu cầu của thiết bị phải làm việc. Ngƣời ta đó sản xuất cỏc thiết bị cú tốc độ nhanh với tần số trờn 20, 50, 100 và 200 MHz. Thiết bị cú tốc độ nhanh là vụ cựng cần thiết để khảo sỏt hệ thống vi xử lý. Vớ dụ với vi xử lý Intel 8080A, mặc dự thời gian nhịp là 500ns (tần số nhịp là 2 MHz), nhƣng thụng tin trạng thỏi đƣợc truyền theo đƣờng số liệu 8 bit, chỉ cho phộp xử lý trong khoảng thời gian rất ngắn, bằng chu kỳ đồng bộ của hệ thống, nghĩa là cỡ 50ns. Trong khoảng thời gian này cú một từ trạng thỏi (8 bit) qua và cỏc trạng thỏi logic thay đổi ở hai đƣờng đồng bộ. Để phõn tớch biểu đồ thời gian tƣơng ứng với tớn hiệu nờu trờn, khoảng thời gian 50ns phải đƣợc chia thành 5 phần, để mỗi phần là 10ns. Rừ ràng điều này chỉ thực hiện khi tốc độ lấy mẫu (thời điểm tỏc động) của thiết bị phõn tớch khụng nhỏ hơn 100MHz. Cú thể bổ sung thờm trong vớ dụ đó nờu là kể cả với cỏc hệ vi xử lý cú tốc độ thấp (1-2MHz), thời gian lƣu giữ số liệu vào và ra khụng thể vƣợt quỏ 10ns. Vỡ vậy, để phõn tớch quan hệ thời gian giữa tớn hiệu của vi xử lý và cỏc vi mạch ngoại vi nhất thiết phải cú thiết bị phõn tớch cú tốc độ nhanh. Ƣu điểm rất quan trọng của phõn tớch thời gian logic mà khụng thể cú ở phõn tớch trạng thỏi logic là khả năg phỏt hiện tớn hiệu giả, thƣờng là những xung gõy nhiễu cú độ rộng xung rất nhỏ trong dũng số liệu. Nú cú thể
210
phỏ vỡ hoạt động chức năng thụng thƣờng của hệ thống số mà trong chế độ hoạt động đồng bộ khú cú thể phỏt hiện đƣợc. Trong một số cỏc thiết bị phõn tớch trạng thỏi logic, cú thể thấy cỏc mạch flip-flop đặc biệt, cho phộp ghi lại cỏc xung giả (thậm chớ cú thể phỏt hiện cỏc xung cú độ rộng 5 ns). Những mạch nhƣ vậy, cỏc xung hẹp sẽ đƣợc mở rộng tới mức gần bằng khoảng thƣũi gian lấy mẫu, điều đú cho phộp phỏt hiện xung giả một cỏch đảm bảo.
Để dễ dàng quan sỏt số liệu, ở bộ phõn tớch biểu đồ thời gian, bộ hiển thị của nú cú sử dụng con trỏ. Con trỏ là một vạch thẳng đứng, cú thể di chuyển con trỏ dọc theo màn hỡnh và dừng lại ở bất kỳ điểm mong muốn khảo sỏt nào. Với sự trợ giỳp của con trỏ ta dễ dàng xỏc định sự dịch chuyển tƣơng đối theo thời gian của một điểm trờn biểu đồ thƣũi gian với cỏc điểm khỏc. Ở một vài thiết bị phõn tớch khỏc, lại cú hai con trỏ nhƣ vậy, nú cho phộp đo trực tiếp đƣợc khoảng thời gian giữa hai điểm giữa hai con trỏ mà khụng cần phải tớnh toỏn gỡ thờm.
Bộ phõn tớch thời gian logic đƣợc thiết kế cựng với một ụxilụ hay đƣợc thiế kế phối ghộp với một ụxilụ riờng, để cú thể hiển thị biểu đồ thời gian. Cú loại đƣợc thiết kế hiển thị một bảng biểu đồ thời gian, tựy theo yờu cầu sử dụng.
b) Phương phỏp phõn tớch nhận dạng mó địa chỉ (Signature Analysis)
Nhƣ đó phõn tớch, việc thử nghiệm đối với hệ thống vi xử lý và cỏc thiết bị số cú dựng vi xử lý là cụng việc rất khú khăn. Thiết bị phõn tớch trạng thỏi logic đó khảo sỏt ở phần trờn chỉ giải quyết đƣợc một phần của vấn đề. Nú giỳp sự dừi theo từng bƣớc việc của bộ vi xử lý thụng qua cỏc chƣơng trỡnh thực hiện. Tuy nhiờn quỏ trỡnh tỡm kiếm và phỏt hiện nguyờn nhõn hƣ hỏng đũi hỏi nhiều cụng sức và khả năng cú thể phõn tớch tốt đƣợc những kết quả, những hỡnh ảnh thu đƣợc. Ta cũng khụng loại trừ hoàn toàn khả năng sử dụng của cỏc mỏy đo truyền thống trong lĩnh vực thời gian hay lĩnh vực tần số, nhƣ ụxilụ, mỏy phõn tớch phổ, vụn-một điện tử,… Song để xỏc định đƣợc nguyờn nhõn hƣ hỏng gõy nờn bởi vi xử lý hoặc cỏc phần mạch nối ghộp với nú thụng qua giao diện thỡ mất quỏ nhiều thời gian, cụng sức và cũng cần cú những chuyờn gia trỡnh độ cao.
Một trong những cỏch hiệu quả nhất để tỡm kiếm hƣ hỏng trong đa số cỏc thiết bị số và đặc biệt trong cỏc thiết bị cú dựng vi xử lý là sử dụng thiết bị phõn tớch mó chỉ dẫn (Signature Analysis). Nguyờn tắc và việc chế tạo cỏc thiết bị này cũng mới đƣợc hỡnh thành trong thời gian gần đõy.
Tờn gọi phõn tớch “mó chỉ dẫn” đƣợc bắt nguồn từ “chữ ký” (signature), nú cú rất nhiều nghĩa cho nhiều lĩnh vực khỏc nhau nhƣ õm nhạc, in ấn,… song với nghĩa đơn giản nhất là chữ ký của ngƣời mang tờn chữ ký đú. Trong vấn đề tỡm kiếm hƣ hỏng của thiết
211
bị số, thỡ “mó chỉ dẫn” là một số đƣợc cấu thành từ 4 ký hiệu chữ và số của hệ mó cơ số 16, đƣợc đặc trƣng duy nhất cho từng điểm nỳt của thiết bị đƣợc khảo sỏt.
*) Mụ tả bản chất của sự phõn tớch
Phõn tớch mó chỉ dẫn là việc so sỏnh sự trựng hợp giữa mó chỉ dẫn thực của điểm nỳt cụ thể nào đú đƣợc phản ỏnh trờn màn hỡnh phõn tớch với mó chỉ dẫn của điểm nỳt này hoặc với bảng hƣớng dẫn sử dụng thiết bị khảo sỏt. Sự khụng trựng hợp của mó chỉ dẫn chứng tỏ về sự hƣ hỏng, hoạt động chức năng khụng bỡnh thƣờng của thiết bị. Vớ dụ, nếu trờn màn hỡnh xuất hiện mó chỉ dẫn F865, cũn trờn mạch tại điểm nỳt đó cho thỡ cần phải cú mó chỉ dẫn A953, nhƣ vậy rừ ràng là đó cú hƣ hỏng. Để tỡm hiểu nguyờn nhõn, ta cú thể tiến hành khỏo sỏt tiếp cỏc điểm nỳt khỏc. Bằng cỏch đú cú thể kết luận bộ phận hƣ hỏng là bộ phận mà ở đầu ra của nú, mó chỉ dẫn thực và mó chỉ dẫn mẫu khỏc nhau, trong khi ở đầu vào của nú, mó chỉ dẫn thực và mó chỉ dẫn mẫu trựng hợp nhau
Thoạt nhỡn bờn ngoài, quy trỡnh phõn tớch mó chỉ dẫn rất giống với quy trỡnh phỏt hiện hƣ hỏng trong cỏc thiết bị tƣơng tự. Trờn sơ đồ nguyờn lý của thiết bị tƣơng tự tại cỏc điểm đặc trƣng, ngƣời ta chỉ ra hỡnh dạng của tớn hiệu và giỏ trị điện ỏp tại điểm đú. Cú thể dựng ụxilụ để quan sỏt hỡnh dạng của tớn hiệu và dựng vụn-một điện tử để đo giỏ trị điện ỏp, qua đú xỏc định thiết bị khảo sỏt cú làm việc bỡnh thƣờng hay khụng.
Đối với cỏc thiết bị cú chƣơng trỡnh, rất tiếc khụng thể sử dụng hệ thống kiểm tra dựa trờn cơ sở so sỏnh tỡnh trạng trờn ụxilụ đƣợc vỡ khụng thể phõn biệt đƣợc dóy cỏc giỏ trị nhị phõn trờn màn hỡnh. Hơn nữa trong cỏc thiết bị dựng vi xử lý, khụng cú sự tƣơng ứng đồng nhất giữa đặc tớnh của thiết bị với những điểm nỳt cụ thể.
Do đú, bộ phõn tớch mó chỉ dẫn là một cụng cụ thiết bị rất hiệu quả cho mục đớch trờn.