邏輯分析儀年初掃盲

邏輯分析儀是利用時鐘從測試設(shè)備上采集和顯示數(shù)字信號的儀器，最主要作用在于時序判定。由于邏輯分析儀不像示波器那樣有許多電壓等級，通常只顯示兩個電壓（邏輯1和0），因此設(shè)定了參考電壓后，邏輯分析儀將被測信號通過比較器進(jìn)行判定，高于參考電壓者為High,低于參考電壓者為Low，在High與Low之間形成數(shù)字波形。例如：一個待測信號使用200MHz采樣率的邏輯分析儀，當(dāng)參考電壓設(shè)定為1.5V時，在測量時邏輯分析儀就會平均每5ns采取一個點(diǎn)，超過1.5V者為High(邏輯1)，低于1.5V者為Low（邏輯0），而后的邏輯1和0可連接成一個簡單波形，工程師便可在此連續(xù)波形中找出異常錯誤（bug）之處。整體而言，邏輯分析儀測量被測信號時，并不會顯示出電壓值，只是High跟Low的差別；如果要測量電壓就一定需要使用示波器。除了電壓值的顯示不同外，邏輯分析儀與示波器的另一個差別在于通道數(shù)量。一般的示波器只有2個通道或4個通道，而邏輯分析儀可以擁有從16個通道、32個通道、64個通道和上百個通道數(shù)不等，因此邏輯分析儀具備同時進(jìn)行多通道測試的優(yōu)勢。

根據(jù)硬件設(shè)備設(shè)計(jì)上的差異，目前市面上邏輯分析儀大致上可分為獨(dú)立式（或單機(jī)型）邏輯分析儀和需結(jié)合電腦的PC-based卡式虛擬邏輯分析儀。獨(dú)立式邏輯分析儀是將所有的測試軟件、運(yùn)算管理元件以及整合在一臺儀器之中；卡式虛擬邏輯分析儀則需要搭配電腦一起使用，顯示屏也與主機(jī)分開。就整體規(guī)格而言，獨(dú)立式邏輯分析儀已發(fā)展到相當(dāng)高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，例如采樣率可達(dá)8GHz、通道數(shù)可擴(kuò)充到300個通道以上，存儲深度相對也高，獨(dú)立式邏輯分析儀以往價格昂貴，從幾萬到數(shù)十萬人民幣不等，一般用戶很少用得起。最近臺灣OItek科技有限公司推出的OLA2032BTM獨(dú)立臺式EasyDebugTM邏輯分析儀，不超過2萬元人民幣經(jīng)濟(jì)性價格讓每個工程師都用得起。尤其在數(shù)字電路教學(xué)中，改變了以往老師為了降低成本使用虛擬邏輯分析儀進(jìn)而產(chǎn)生的不直觀、麻煩等問題，在同一個價格上，我們可以把臺式獨(dú)立邏輯分析儀很輕松地拎起來?；谟?jì)算機(jī)接口的卡式虛擬邏輯分析儀，以較小的成本提供了相應(yīng)的性能，但是卡式虛擬邏輯分析儀也有很大缺點(diǎn)，它需要配備電腦才能使用，尤其數(shù)字測試中，工程師往往會陷入一堆PCB板中，采用旋轉(zhuǎn)按鈕的儀器要比在屏幕上移動鼠標(biāo)更加方便。技術(shù)的發(fā)展也逐漸把示波器和邏輯分析儀的功能融合在一起，成為混合式的儀器（MSO），也稱混合信號測試儀器。

邏輯分析儀的主要特點(diǎn)

邏輯分析儀的作用是利用便于觀察的形式顯示出數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行分析和故障判斷。其主要特點(diǎn)如下：

有足夠多的輸入通道

具有多種靈活的觸發(fā)方式，確保對被觀察的數(shù)據(jù)流準(zhǔn)確定位（對軟件而言可以跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行中的任意程序段，對硬件而言可以檢測并顯示系統(tǒng)中存在的毛刺干擾）。

具有記憶功能，可以觀測單次及非周期性數(shù)據(jù)信息，并可診斷隨機(jī)性故障。

具有延遲能力，用以分析故障產(chǎn)生的原因。

具有限定功能，實(shí)現(xiàn)對欲獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行挑選，并刪除無關(guān)數(shù)據(jù)。

具有多種顯示方式，可用字符、助記符、匯變語言顯示程序，用二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制等顯示數(shù)據(jù)，用定時圖顯示信息之間的時序關(guān)系。

具有驅(qū)動時域儀器的能力，以便復(fù)顯待測信號的真實(shí)波形及有利于故障定位。

具有可靠的毛刺檢測能力。

邏輯分析儀分類

邏輯分析儀分為兩大類：邏輯狀態(tài)分析儀（LogicStateAnalyzer,簡稱LSA）和邏輯定時分析儀（LogicTimingAnalyzer）。這兩類分析儀的基本結(jié)構(gòu)是相似的，主要區(qū)別表現(xiàn)在顯示方式和定時方式上。

邏輯狀態(tài)分析儀用字符0、1或助記符顯示被檢測的邏輯狀態(tài)，顯示直觀，可以從大量數(shù)碼中迅速發(fā)現(xiàn)錯碼，便于進(jìn)行功能分析。邏輯狀態(tài)分析儀用來對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)分析，檢查在系統(tǒng)時鐘作用下總線上的信息狀態(tài)。它的內(nèi)部沒有時鐘發(fā)生器，用被測系統(tǒng)時鐘來控制記錄，與被測系統(tǒng)同步工作，主要用來分析數(shù)字系統(tǒng)的軟件，是跟蹤、調(diào)試程序、分析軟件故障的有力工具。

邏輯定時分析儀用來考察兩個系統(tǒng)時鐘之間的數(shù)字信號的傳輸情況和時間關(guān)系，它的內(nèi)部裝有時鐘發(fā)生器。在內(nèi)時鐘控制下記錄數(shù)據(jù)，與被測系統(tǒng)異步工作，主要用于數(shù)字設(shè)備硬件的分析、調(diào)試和維修。

邏輯分析儀的工作原理

邏輯分析儀的工作過程就是數(shù)據(jù)采集、存儲、觸發(fā)、顯示的過程，由于它采用數(shù)字存儲技術(shù)，可將數(shù)據(jù)采集工作和顯示工作分開進(jìn)行，也可同時進(jìn)行，必要時，對存儲的數(shù)據(jù)可以反復(fù)進(jìn)行顯示，以利于對問題的分析和研究。

將被測系統(tǒng)接入邏輯分析儀，使用邏輯分析儀的探頭（邏輯分析儀的探頭是將若干個探極集中起來，其觸針細(xì)小，以便于探測高密度集成電路）監(jiān)測被測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，形成并行數(shù)據(jù)送至比較器，輸入信號在比較器中與外部設(shè)定的門限電平進(jìn)行比較，大于門限電平值的信號在相應(yīng)的線上輸出高電平，反之輸出低電平時對輸入波形進(jìn)行整形。經(jīng)比較整形后的信號送至采樣器，在時鐘脈沖控制下進(jìn)行采樣。被采樣的信號按順序存儲在存儲器中。采樣信息以“先進(jìn)先出”的原則組織在存儲器中，得到顯示命令后，按照先后順序逐一讀出信息，按設(shè)定的顯示方式進(jìn)行被測量的顯示。

邏輯分析儀的顯示形式

邏輯分析儀將被測數(shù)據(jù)信號用數(shù)字形式寫入存儲器后，可以根據(jù)需要通過控制電路將內(nèi)存中的全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)穩(wěn)定的顯示在屏幕上。通常有以下幾種顯示方式。

1、定時顯示

定時顯示是以邏輯電平表示的波形圖的形式將存儲器中的內(nèi)容顯示在屏幕上，顯示的是一串經(jīng)過整形后類似方波的波形，高電平代表“1”，低電平代表“0”。由于顯示的波形不是實(shí)際波形，所以也稱“偽波形”。

2、狀態(tài)表顯示

狀態(tài)表顯示是以各種數(shù)值如二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制的形式將存儲器中內(nèi)容顯示在屏幕上。

3、圖解顯示

圖解顯示是將屏幕的X方向作為時間軸，將Y方向作為數(shù)據(jù)軸進(jìn)行顯示的一種方式。將欲顯示的數(shù)字量通過D/A變換器轉(zhuǎn)變成模擬量，將此模擬量按照存儲器中取出的數(shù)字量的先后順序顯示在屏幕上形成一個圖像的點(diǎn)陣。

4、映像顯示

映像顯示是將存儲器中的全部內(nèi)容以點(diǎn)圖形式一次顯示出來。它將每個存儲器字分為高位和低位兩部分，分別經(jīng)X，Y方向D/A變換器變換為模擬量，送入顯示器的X與Y通道，則每個存儲器字點(diǎn)亮屏幕上的一個點(diǎn)。

邏輯分析儀的功能

如前所述，絕大多數(shù)邏輯分析儀是兩種儀器的合成，第一部分是定時分析儀，第二部分是狀態(tài)分析儀。

1.定時分析

定時分析是邏輯分析儀中類似示波器的部分，它與示波器顯示信息的方式相同，水平軸代表時間，垂直軸代表電壓幅度。定時分析首先對輸入波形的采樣，然后使用用戶定義的電壓閾值，確定信號的高低電平。定時分析只能確定波形是高還是低，不存在中間電平。所以定時分析就像一臺只有1位垂直分辨率的數(shù)字示波器。但是，定時分析并不能用于測試參量，如果你用定時分析測量信號的上升時間，那你就用錯了儀器。如果你要檢驗(yàn)幾條線上的信號的定時關(guān)系，定時分析就是合理的選擇。如果定時分析前一次采樣的信號是一種狀態(tài)，這一次采樣的信號是另一種狀態(tài)，那么它就知道在兩次采樣之間的某個時刻輸入信號發(fā)生了跳變，但是，定時分析卻不知道精確的時刻。最壞的情況下，不確定度是一個采樣周期。

2.跳變定時

如果我們要對一個長時間沒有變化的采樣并保存數(shù)據(jù)，跳變定時能有效地利用存儲器。使用跳變定時，定時分析只保存信號跳變后采集的樣本，以及與上次跳變的時間。

3.毛刺捕獲

數(shù)字系統(tǒng)中毛刺是令人頭疼的問題，某些定時分析儀具有毛刺捕獲和觸發(fā)能力，可以很容易的跟蹤難以預(yù)料的毛刺。定時分析可以對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地采樣，跟蹤采樣間產(chǎn)生的任何跳變，從而容易識別毛刺。在定時分析中，毛刺的定義是：采樣間穿越邏輯閾值多次的任何跳變。顯示毛刺是一種很有用的功能，有助于對毛刺觸發(fā)和顯示毛刺產(chǎn)生前的數(shù)據(jù)，從而幫助我們確定毛刺產(chǎn)生的原因。

4.狀態(tài)分析

邏輯電路的狀態(tài)是：數(shù)據(jù)有效時，對總線或信號線采樣的樣本。定時分析與狀態(tài)分析的主要區(qū)別是：定時分析由內(nèi)部時鐘控制采樣，采樣與被測系統(tǒng)是異步的；狀態(tài)分析由被測系統(tǒng)時鐘控制采樣，采樣與被測系統(tǒng)是同步的。用定時分析查看事件“什么時候”發(fā)生，用狀態(tài)分析檢查發(fā)生了“什么”事件。定時分析通常用波形顯示數(shù)據(jù)，狀態(tài)分析通常用列表顯示數(shù)據(jù)。

邏輯分析儀的主要技術(shù)指標(biāo)

1、邏輯分析儀的通道數(shù)

在需要邏輯分析儀的地方，要對一個系統(tǒng)進(jìn)行全面地分析，就應(yīng)當(dāng)把所有應(yīng)當(dāng)觀測的信號全部引入邏輯分析儀當(dāng)中，這樣邏輯分析儀的通道數(shù)至少應(yīng)當(dāng)是：被測系統(tǒng)的字長（數(shù)據(jù)總線數(shù)）＋被測系統(tǒng)的控制總線數(shù)＋時鐘線數(shù)。這樣對于一個8位機(jī)系統(tǒng)，就至少需要34個通道。現(xiàn)在幾個廠家的主流產(chǎn)品的通道數(shù)也高達(dá)340通道，例Tektronix等，市面上主流的產(chǎn)品是34通道的邏輯分析儀，用它來分析最常見的8位系統(tǒng)，像北京海洋最新推出的OLA系列邏輯分析儀就是34通道的。

2、定時采樣速率

在定時采樣分析時，要有足夠的定時分辨率，就應(yīng)當(dāng)有足夠高的定時分析采樣速率，但是并不是只有高速系統(tǒng)才需要高的采樣速率，現(xiàn)在的主流產(chǎn)品的采樣速率高達(dá)2GS/s，在這個速率下，我們可以看到0.5ns時間上的細(xì)節(jié)。

3、狀態(tài)分析速率

在狀態(tài)分析時，邏輯分析儀采樣基準(zhǔn)時鐘就用被測試對象的工作時鐘（邏輯分析儀的外部時鐘）這個時鐘的最高速率就是邏輯分析儀的高狀態(tài)分析速率。也就是說，該邏輯分析儀可以分析的系統(tǒng)最快的工作頻率?，F(xiàn)在的主流產(chǎn)品的定時分析速率在300MHz，最高可高達(dá)500MHz甚至更高。

4、邏輯分析儀的每通道的記錄長度

邏輯分析儀的內(nèi)存是用于存儲它所采樣的數(shù)據(jù)，以用于對比、分析、轉(zhuǎn)換（譬如將其所捕捉到的信號轉(zhuǎn)換成非二進(jìn)制信號）。

5、邏輯分析儀的測試夾具

邏輯分析儀通過探頭與被測器件連接，測試夾具起著很重要的作用，測試夾具有很多種，如飛行頭和蒼蠅頭等。