邏輯分析儀之負(fù)載效應(yīng)
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analyzer)。工程師在使用邏輯分析儀來(lái)量測(cè)系統(tǒng)訊號(hào)時(shí)，時(shí)常會(huì)遇到所量測(cè)到的數(shù)據(jù)不
對(duì)，這就要注意有可能是選用的邏輯分析儀的負(fù)載效應(yīng)造成的。以下本文將深入來(lái)探討
這個(gè)問(wèn)題。
了解訊號(hào)
在利用邏輯分析儀量測(cè)之前，應(yīng)先了解所要測(cè)量的訊號(hào)特性，舉例而言，如圖一所
示，假設(shè)當(dāng)訊號(hào)的工作參考頻率為100MHz(10ns)時(shí)，訊號(hào)的上升沿、下降沿時(shí)間為1ns
左右，相當(dāng)于模擬訊號(hào)的1GHz頻率點(diǎn)；在工作參考頻率為200MHz時(shí)，訊號(hào)的上升沿、
下降沿時(shí)間為0.5ns左右，相當(dāng)于模擬訊號(hào)的2GHz頻率點(diǎn)。按照這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，訊號(hào)應(yīng)該
屬于傳輸線的范圍之內(nèi)，而不能用低頻訊號(hào)的分析方法來(lái)處理。
依據(jù)傳輸線的理論[1]，高頻訊號(hào)部份的走線可以建構(gòu)如圖二所示的模型。
在此,若再將電路板上的其它組件也考慮進(jìn)去，如連接器、緩沖器、印制板
走線的特性…等等，即會(huì)產(chǎn)生所謂的阻抗匹配的問(wèn)題。一般情況下，連接器的
寄生電感值較大，而寄生的電容器值較小，所以特性阻抗大于印制板走線的特
性阻抗，呈現(xiàn)圖三中所示的阻抗分布。
而且如果訊號(hào)的源端、末端阻抗不匹配導(dǎo)致阻抗特性不連續(xù)，必然會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖、振
鈴訊號(hào)劣化現(xiàn)象,如圖四，易造成訊號(hào)的誤判，芯片的動(dòng)作將很容易出錯(cuò)，也必然會(huì)導(dǎo)致
相關(guān)的硬件系統(tǒng)出錯(cuò)，最終影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
一般簡(jiǎn)單的減低過(guò)沖及振鈴訊號(hào)劣化現(xiàn)象的作法就是做阻抗匹配來(lái)讓訊號(hào)的源端、
末端阻抗特性連續(xù)，由公式(3)可容易看改變L及C值，可輕易達(dá)到增加或降低阻抗Zo。就
另外的濾通電路觀點(diǎn)而言，任何R、L、C的改變均會(huì)有濾通的效果，而過(guò)沖及振鈴相對(duì)
頻率相較于訊號(hào)的頻率高，故適當(dāng)?shù)腞、L、C可將過(guò)沖及振鈴訊號(hào)劣化現(xiàn)象做相當(dāng)程度
的濾除或衰減。圖五即為阻抗匹配后的訊號(hào)狀況。
邏輯分析儀量測(cè)信道的輸入阻抗
使用邏輯分析儀來(lái)量測(cè)訊號(hào)不外乎有兩種狀況。
（一）電路板動(dòng)作正常，但需要量測(cè)芯片所傳送的訊號(hào)來(lái)加以分析譯碼；
（二）電路板誤動(dòng)作，須監(jiān)看芯片所傳送的訊號(hào)是否有誤。
不論是哪一種狀況，工程師當(dāng)然是需要量測(cè)出準(zhǔn)確的訊號(hào)，最好就是電路
板上的訊號(hào)能忠實(shí)的呈現(xiàn)，也因如此，邏輯分析儀的量測(cè)精準(zhǔn)性就格外來(lái)得重
要。
影響邏輯分析儀的準(zhǔn)確性約略可由以下幾個(gè)參數(shù)指標(biāo)來(lái)看：
（一）量測(cè)通道的輸入阻抗；
（二）內(nèi)部采樣率；
（三）ＶＴＨ精度。
以下就單就量測(cè)通道的輸入阻抗來(lái)探討。
就如同示波器的一般，負(fù)載效應(yīng)（Loading effect）也是邏輯分析儀要考慮
的重要量測(cè)因素。當(dāng)我們進(jìn)行量測(cè)時(shí)，常常會(huì)誤以為所測(cè)得的訊號(hào)和未連入儀
器時(shí)是完全一樣的。實(shí)際上每個(gè)輸入探頭及通道都有其輸入阻抗，輸入阻抗包
含了電阻、電容和電感的分量。由于在量測(cè)時(shí)，引入了額外的負(fù)載，所以就會(huì)
影響到被測(cè)電路，所以當(dāng)我們分析量測(cè)時(shí)，必須考慮到探頭及信道的特性及測(cè)
試電路的阻抗。
因?yàn)檫壿嫹治鰞x所要量測(cè)的訊號(hào)數(shù)量太多，故通道數(shù)量也比示波器多上好
幾倍。在探頭的設(shè)計(jì)上也以一段電纜排線搭配鉤夾的方式處理，如此才能適用
于電路板上高密度的訊號(hào)走線量測(cè)。就探頭排線搭配鉤夾的阻抗特性而言，這
些探頭里沒(méi)有任何串聯(lián)的電阻及電子組件，因此，在其工作頻率范圍或有用帶
寬之內(nèi)，探頭對(duì)信號(hào)沒(méi)有衰減作用，就阻抗特性而言只有電纜線與鉤夾的阻
抗、容抗和感抗的分量，因此如何減低負(fù)載效應(yīng)的影響？這就得完全靠邏輯分
析儀本身的阻抗特性來(lái)達(dá)成。
在示波器探頭其中一類稱為有源探頭（Active Probe），探頭內(nèi)包含有源電子組
件可以提供放大能力；不含有源組件的探頭稱為無(wú)源探頭（Passive Probe），其中只
包含無(wú)源組件如電阻和電容，這種探頭通常對(duì)輸入訊號(hào)進(jìn)行衰減。而類似的，
邏輯分析儀的每個(gè)量測(cè)通道前端也有類似的做法，稱之為有源接口跟無(wú)源接
口。如圖六所示：下圖中，無(wú)源界面不外乎亦是由電阻、電容所組成，電容將
訊號(hào)耦合到輸出端，電阻是取出訊號(hào)的電壓。由電組和電容的值，將可推算出
其最佳的頻率響應(yīng)點(diǎn)，不是接近此頻率響應(yīng)點(diǎn)的輸入訊號(hào)將會(huì)大幅的衰減而失
真。
使用邏輯分析儀量測(cè)訊號(hào)
由上述的兩個(gè)章節(jié)中，從認(rèn)識(shí)訊號(hào)到量測(cè)信道的輸入阻抗探討中，更進(jìn)一步的就可
以來(lái)探討使用邏輯分析儀量測(cè)訊號(hào)。
假設(shè)現(xiàn)有一系統(tǒng)，在未連入邏輯分析儀之前的動(dòng)作都正常，為了要分析訊號(hào)數(shù)據(jù)，
將邏輯分析儀連上之后，系統(tǒng)開(kāi)始出問(wèn)題并當(dāng)機(jī)；或者是在未連入邏輯分析儀之前的動(dòng)
作不正常，為了要除錯(cuò)，將邏輯分析儀連上之后，系統(tǒng)卻正常了。此時(shí)身為工程人員就
必須想到是否是邏輯分析儀的負(fù)載效應(yīng)所造成結(jié)果。
圖十所示是訊號(hào)受到連上邏輯分析儀之后，因?yàn)樨?fù)載效應(yīng)造成訊號(hào)電流額外的消耗
而振幅變小，導(dǎo)致接收訊號(hào)端的芯片收到錯(cuò)誤的訊號(hào)。
圖十一所示為訊號(hào)原本的過(guò)沖及振鈴訊號(hào)劣化現(xiàn)象嚴(yán)重，接收訊號(hào)端的芯片收到的數(shù)據(jù)
都是錯(cuò)的，導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)作不正常，但連上邏輯分析儀之后，因?yàn)樨?fù)載效應(yīng)反而讓過(guò)沖及
振鈴訊號(hào)劣化現(xiàn)象減輕了，因而反倒讓系統(tǒng)動(dòng)作正常。
接下來(lái)，要探討邏輯分析儀所量測(cè)到的資料是否正確的議題。假設(shè)所使用的邏輯分
析儀沒(méi)有（或是只有極小的）如上文中所探討的負(fù)載效應(yīng)，不會(huì)改變系統(tǒng)的訊號(hào)，但是
我們卻無(wú)從得知訊號(hào)透過(guò)探棒再到邏輯分析儀內(nèi)部的取樣芯片時(shí)，訊號(hào)是否已經(jīng)有了改
變？如有改變，那是否意味著量測(cè)出來(lái)的訊號(hào)數(shù)據(jù)也有可能有誤？如此這樣的資料可能
便不具有分析的意義，這樣的邏輯分析儀是否還是可以使用？圖十二說(shuō)明了可能的情況：
圖十二中所示的探棒接口就是前文中所提過(guò)的有源／無(wú)源界面。這個(gè)接口如果是有
源接口，那經(jīng)過(guò)這個(gè)接口輸出后的訊號(hào)將比較能夠呈現(xiàn)出源頭訊號(hào)的樣貌；反之，若是
無(wú)源接口，那經(jīng)過(guò)這個(gè)接口輸出后的訊號(hào)將會(huì)有相當(dāng)程度的衰減，其衰減程度需視源頭
訊號(hào)的頻率與無(wú)源接口電路的頻率響應(yīng)關(guān)系。
圖十三所示：訊號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)源接口電路之后，偏高頻的過(guò)沖及振鈴訊號(hào)已被將當(dāng)程度
的衰減掉了。
邏輯分析儀實(shí)際使用狀況
綜觀完上述的的探討后，再來(lái)看看使用邏輯分析儀做實(shí)際的量測(cè)狀況。就正常的使
用狀況，工程人員不可能知道源頭訊號(hào)到了邏輯分析儀內(nèi)部之后會(huì)變成怎樣，是會(huì)有相
當(dāng)程度的失真還是會(huì)完全的呈現(xiàn)？除非拆了邏輯分析儀的機(jī)殼，且在清楚邏輯分析儀內(nèi)
部組件及電路特性之后，才有可能量測(cè)到源頭訊號(hào)到了邏輯分析儀內(nèi)部之后是變成怎
樣。所以在實(shí)際使用邏輯分析儀，如何辨識(shí)該邏輯分析儀是否所量測(cè)得的訊號(hào)數(shù)據(jù)是對(duì)
的還是錯(cuò)的？進(jìn)而辨識(shí)邏輯分析儀的好壞，以下將作實(shí)際的量測(cè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。
如圖十四，這是由示波器所量測(cè)的一個(gè)33MHz的訊號(hào)，可看出此訊號(hào)有過(guò)沖及振鈴
的現(xiàn)象。在圖中有兩個(gè)參數(shù)，好的邏輯分析儀在Threshold Voltage高于3.52V及低于
1.12V就可以測(cè)得第一次的上振鈴跟下振鈴。在此將使用不同的邏輯分析儀來(lái)量測(cè)此訊
號(hào)，再由邏輯分析儀所量測(cè)下來(lái)的數(shù)據(jù)來(lái)判定邏輯分析儀的優(yōu)劣。
圖十五與是邏輯分析儀Ａ所量測(cè)的結(jié)果。上圖是將Threshold Voltage設(shè)到1V時(shí)，就可
測(cè)到第一次的下振鈴；下圖是將Threshold Voltage設(shè)到3.8V時(shí)，就可測(cè)到第一次的上振
鈴。
圖十六是邏輯分析儀Ｂ所量測(cè)的結(jié)果。上圖是將Threshold Voltage設(shè)到0.5V了，還測(cè)不
到第一次的下振鈴；下圖是將Threshold Voltage設(shè)到4.5V了，還測(cè)不到第一次的上振
鈴。事實(shí)上，邏輯分析儀Ｂ經(jīng)過(guò)繁復(fù)測(cè)試，結(jié)果是完全測(cè)不出振鈴現(xiàn)象的。
由此可看出邏輯分析儀Ａ是優(yōu)于邏輯分析儀Ｂ的。
圖八所示的即為邏輯分析儀Ａ；
圖七所示的即為邏輯分析儀Ｂ。
結(jié)論
邏輯分析儀不是只光看表面上軟件的功能及體積的大小，如果連最基本的訊號(hào)
都無(wú)法測(cè)得或是測(cè)得的數(shù)據(jù)已經(jīng)不正確了，那即使軟件功能再怎樣強(qiáng)大，外觀做得
再怎樣好看，所有數(shù)據(jù)結(jié)果也只能丟棄不用。
毛刺、過(guò)沖、振鈴訊號(hào)是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的，若儀器無(wú)法量測(cè)出來(lái)，勢(shì)必會(huì)讓
工程人員的Debug時(shí)間更長(zhǎng)，甚至陷入僵局，故慎選邏輯分析儀是十分重要的。
參考文獻(xiàn)：
[1]何寧,蔡鍵龍,高速電路設(shè)計(jì)中利用CTAB的阻抗補(bǔ)償方法, 2004.
評(píng)論