邏輯分析儀介紹

本文介紹了邏輯分析儀的基本概念、歷史由來與發(fā)展、基本分類、技術(shù)指標(biāo)和基本功能等等，并且介紹了邏輯分析儀和示波器的區(qū)別與聯(lián)系，通過這些介紹了邏輯分析儀的基礎(chǔ)知識(shí)。
關(guān)鍵詞：定時(shí)分析狀態(tài)分析記錄長(zhǎng)度

邏輯分析儀是一種類似于示波器的波形測(cè)試設(shè)備，它可以監(jiān)測(cè)硬件電路工作時(shí)的邏輯電平（高或低），并加以存儲(chǔ)，用圖形的方式直觀地表達(dá)出來，便于用戶檢測(cè)和分析電路設(shè)計(jì)（硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)）中的錯(cuò)誤。邏輯分析儀是設(shè)計(jì)中不可缺少的電子測(cè)試設(shè)備，通過它可以迅速地定位錯(cuò)誤、解決問題、達(dá)到事半功倍的效果。
一、邏輯分析儀的產(chǎn)生和發(fā)展
20 世紀(jì) 70 年代初研制出微處理器，出現(xiàn) 4 位和 8 位總線，傳統(tǒng)示波器的雙通道輸入無法滿足 8bit 的觀察。微處理器和存儲(chǔ)器的測(cè)試需要不同于時(shí)域和頻域儀器，所以數(shù)域測(cè)試儀器應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)時(shí)的 HP 公司推出狀態(tài)分析儀和 Biomation 公司推出定時(shí)分析儀（兩者最初很不相同）之后不久，用戶開始接受這種數(shù)域測(cè)試儀器作為最終解決數(shù)字電路測(cè)試的手段，不久狀態(tài)分析儀與定時(shí)分析儀合并成邏輯分析儀。
20 世紀(jì) 80 年代后期，邏輯分析儀變得更加復(fù)雜，使用起來也更加困難。例如，引入多電平樹形觸發(fā)，以應(yīng)付條件語句如 IF 、 THEN 、 ELSE 等復(fù)雜事件。這類組合觸發(fā)必然更加靈活，同時(shí)對(duì)大多數(shù)用戶來說就不是那樣容易掌握了。
邏輯分析儀的基本發(fā)展趨勢(shì)是計(jì)算機(jī)與儀器的不斷融合。在 PC 機(jī)平臺(tái)上使用 Windows ，只要給定正確的軟件和相關(guān)工具，即可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從目標(biāo)文件格式中提取源碼和符號(hào)，而且處理器可運(yùn)行各種控制操作。
二、邏輯分析儀的分類
目前市場(chǎng)上邏輯分析儀有兩類，一類是獨(dú)立式邏輯分析儀，主要供應(yīng)商有安捷倫和泰克；另一類是價(jià)格相對(duì)低廉的基于PC的虛擬邏輯分析儀（VI），主要供應(yīng)商為美國國家儀器公司（ National Instruments ，NI），主要產(chǎn)品為圖形化測(cè)試測(cè)量編程軟件 LabVIEW 。傳統(tǒng)上，在PC上運(yùn)行的 LabVIEW 軟件被稱為虛擬儀器，但隨著 LabVIEW RT 的推出，這些 VI 可以在多種設(shè)備上運(yùn)行，如便攜式儀器、工業(yè) PC 或基于 Web 的儀器等。
在中國也有一些生產(chǎn)邏輯分析儀的廠家，但大部分是虛擬儀器，由于進(jìn)口的獨(dú)立式邏輯分析儀的價(jià)格昂貴，國內(nèi)很需要一款獨(dú)立便攜、使用簡(jiǎn)單的邏輯分析儀，向臺(tái)灣生產(chǎn)的，北京海洋推出的一款邏輯分析儀就比較適合國內(nèi)市場(chǎng)。
三、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(duì)一個(gè)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(cè)的信號(hào)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(cè)系統(tǒng)的字長(zhǎng)（數(shù)據(jù)總線數(shù)）＋被測(cè)系統(tǒng)的控制總線數(shù)＋時(shí)鐘線數(shù)。這樣對(duì)于一個(gè) 8 位機(jī)系統(tǒng)，就至少需要 34 個(gè)通道?，F(xiàn)在幾個(gè)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(shí)采樣速率
在定時(shí)采樣分析時(shí)，要有足夠的定時(shí)分辨率，就應(yīng)當(dāng)有足夠高的定時(shí)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(gè)速率下，我們可以看到 0.5ps 時(shí)間上的細(xì)節(jié)。
3、狀態(tài)分析速率
在狀態(tài)分析時(shí)，邏輯分析儀采樣基準(zhǔn)時(shí)鐘就用被測(cè)試對(duì)象的工作時(shí)鐘（邏輯分析儀的外部時(shí)鐘）這個(gè)時(shí)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(shí)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(zhǎng)度
邏輯分析儀的內(nèi)存是用于存儲(chǔ)它所采樣的數(shù)據(jù)，以用于對(duì)比、分析、轉(zhuǎn)換（譬如將其所捕捉到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成非二進(jìn)制信號(hào)）。
5、邏輯分析儀的測(cè)試夾具
邏輯分析儀通過探頭與被測(cè)器件連接，測(cè)試夾具起著很重要的作用，測(cè)試夾具有很多種，如飛行頭和蒼蠅頭等，詳見電子發(fā)燒友網(wǎng)站(www.elecfans.com)。
四、示波器與邏輯分析儀的比較
1、示波器的特點(diǎn)是：
a)能夠查看信號(hào)的微小電壓變化；
b)具有很高的時(shí)間間隔測(cè)量準(zhǔn)確度。
示波器通常在需要高垂直分辨率和高電壓分辨率時(shí)使用。也就是說，如果您需要觀察微小的電壓變化，您就應(yīng)該使用示波器。許多示波器都能夠提供很高的時(shí)間間隔分辨，因此能以很高的精確度測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件的時(shí)間間隔?？傊谛枰獏⒘啃畔r(shí)，您應(yīng)使用示波器。
2、邏輯分析儀的特點(diǎn)是：
a)能夠同時(shí)觀察多個(gè)信號(hào)；
b)能夠查看硬件系統(tǒng)的系統(tǒng)信號(hào)；
c)能夠按高低電平模式觸發(fā)多條信號(hào)線，并查看結(jié)果。
邏輯分析儀與示波器的工作方式相似：用水平軸代表數(shù)據(jù)的時(shí)間，垂直軸代表數(shù)據(jù)的電壓幅度。雖然，邏輯分析儀沒有示波器那么高的電壓分辨率和事件間隔精確度，但是邏輯分析儀能夠同時(shí)捕獲并顯示多個(gè)信號(hào)，示波器卻做不到。當(dāng)系統(tǒng)中的信號(hào)穿越閾值時(shí)，邏輯分析儀和您的邏輯電路具有相同的反應(yīng)。所以在查看總線（微處理器的地址、數(shù)據(jù)或控制總線）的時(shí)間關(guān)系時(shí)，邏輯分析儀特別有用，它可以對(duì)微處理器總線信息解碼更有意義，更直觀的方式表示信息。當(dāng)您的電路通過了參量設(shè)計(jì)階段后，對(duì)許多信號(hào)的定時(shí)關(guān)系感興趣，并且要在高低電平模式上觸發(fā)時(shí)，那么邏輯分析儀就是極好的選擇。但是以往的獨(dú)立式邏輯分析儀不僅價(jià)格昂貴，而且操作麻煩。另外虛擬的邏輯分析儀功能有限，所以市場(chǎng)需要一款適合普通用戶的邏輯分析儀，北京海洋儀器推出的 OLA 系列邏輯分析儀是很好的選擇。
五、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(shí)分析儀，第二部分是狀態(tài)分析儀。
1. 定時(shí)分析
定時(shí)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(shí)間，垂直軸代表電壓幅度。定時(shí)分析首先對(duì)輸入波形的采樣，然后使用用戶定義的電壓閾值，確定信號(hào)的高低電平。定時(shí)分析只能確定波形是高還是低，不存在中間電平。所以定時(shí)分析就像一臺(tái)只有 1 位垂直分辨率的數(shù)字示波器。但是，定時(shí)分析并不能用于測(cè)試參量，如果你用定時(shí)分析測(cè)量信號(hào)的上升時(shí)間，那你就用錯(cuò)了儀器。如果你要檢驗(yàn)幾條線上的信號(hào)的定時(shí)關(guān)系，定時(shí)分析就是合理的選擇。如果定時(shí)分析前一次采樣的信號(hào)是一種狀態(tài)，這一次采樣的信號(hào)是另一種狀態(tài)，那么它就知道在兩次采樣之間的某個(gè)時(shí)刻輸入信號(hào)發(fā)生了跳變，但是，定時(shí)分析卻不知道精確的時(shí)刻。最壞的情況下，不確定度是一個(gè)采樣周期。
2. 跳變定時(shí)
如果我們要對(duì)一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間沒有變化的采樣并保存數(shù)據(jù)，跳變定時(shí)能有效地利用存儲(chǔ)器。使用跳變定時(shí)，定時(shí)分析只保存信號(hào)跳變后采集的樣本，以及與上次跳變的時(shí)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(shí)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(shí)分析可以對(duì)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(shí)別毛刺。在定時(shí)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(duì)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(shí)，對(duì)總線或信號(hào)線采樣的樣本。定時(shí)分析與狀態(tài)分析的主要區(qū)別是：定時(shí)分析由內(nèi)部時(shí)鐘控制采樣，采樣與被測(cè)系統(tǒng)是異步的；狀態(tài)分析由被測(cè)系統(tǒng)時(shí)鐘控制采樣，采樣與被測(cè)系統(tǒng)是同步的。用定時(shí)分析查看事件 “ 什么時(shí)候 ” 發(fā)生，用狀態(tài)分析檢查發(fā)生了“ 什么 ”事件。定時(shí)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)。
六、小結(jié)
邏輯分析儀主要用來測(cè)試以微處理器為核心的數(shù)字系統(tǒng)，在硬件電路、嵌入式系統(tǒng)和監(jiān)控軟件的研制和調(diào)試過程中，都是一個(gè)必備的優(yōu)秀工具。邏輯分析儀具有豐富的觸發(fā)條件，不管被測(cè)系統(tǒng)多么復(fù)雜，邏輯分析儀都能準(zhǔn)確地找到那些隱蔽的、偶然的特殊時(shí)刻，然后把觸發(fā)條件發(fā)生前后，各信號(hào)的時(shí)序圖和數(shù)據(jù)流顯示出來。問題也就看清楚了，不需要再絞盡腦汁的推理和猜測(cè)了。
參考文獻(xiàn)：
翟春林.《業(yè)余邏輯分析儀》.無線電技術(shù)出版社. 2003年11月第1版。
周家明《邏輯分析儀與示波器的比較》北京海洋興業(yè)科技有限公司網(wǎng)站。
《正確選擇和使用邏輯分析儀》. 中國化工儀器網(wǎng)。