揭秘如何選擇示邏輯分析儀

自1973年，第一臺針對數(shù)字系統(tǒng)多個(gè)信號之間邏輯關(guān)系及時(shí)間關(guān)系測試的儀器—邏輯分析儀(Logic Analyzer)在數(shù)據(jù)域測試儀器中嶄露頭角以來，用戶開始接受這種數(shù)據(jù)域測試儀器并作為最終解決數(shù)字電路測試的手段。

近年來，邏輯分析儀的基本趨向在計(jì)算機(jī)與儀器的不斷融合中尋求發(fā)展方向，依托不斷進(jìn)步的計(jì)算機(jī)技術(shù)，虛擬邏輯分析儀吸收融合了諸如邏輯筆、協(xié)議分析儀等眾多數(shù)字測量儀器的功能，使用Windows系統(tǒng)平臺，配以簡單易用的用戶界面，進(jìn)一步化簡了觸發(fā)的難題，構(gòu)建了特色的數(shù)字分析測量平臺。

什么是邏輯分析儀?

邏輯分析儀是一種類似于示波器的波形測試設(shè)備，它是用于監(jiān)測硬件電路工作時(shí)的邏輯電平，并加以存儲，用圖形的方式直觀地表達(dá)出來，便于用戶檢測、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)特別是數(shù)字設(shè)計(jì)中不可缺少的設(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。

相對于示波器，邏輯分析儀往往給人有以下的感覺：

1、操作復(fù)雜，對使用者的要求高;

2、與示波器功能差不多;

3、價(jià)格昂貴。

其實(shí)不然，邏輯分析儀在最近的幾年中隨著數(shù)字電路的廣泛使用發(fā)展迅速，已經(jīng)成為很多電子開發(fā)公司的必選設(shè)備之一。

邏輯分析儀的原理

邏輯分析儀的組成結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它主要包括數(shù)據(jù)捕獲和數(shù)據(jù)顯示兩大部分。邏輯分析儀一般采用先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析顯示方式。

數(shù)據(jù)捕獲部分包括信號輸入、比較采樣、觸發(fā)控制、數(shù)據(jù)存儲和時(shí)鐘電路等。外部被測信號通過探頭送到信號輸入電路，在比較器中與設(shè)定的門限電壓進(jìn)行比較，大于門限電壓值的信號為高電平，反之為低電平。采樣電路在采樣時(shí)鐘(外時(shí)鐘或內(nèi)時(shí)鐘)控制下對信號進(jìn)行采樣，并將數(shù)據(jù)流送到觸發(fā)模塊中，產(chǎn)生觸發(fā)信號。數(shù)據(jù)存儲電路在觸發(fā)信號的作用下進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲控制。數(shù)據(jù)捕獲完成后，由分析顯示電路將存儲的數(shù)據(jù)處理之后以適當(dāng)方式顯示出來。

圖2.1  邏輯分析儀的原理結(jié)構(gòu)

大多數(shù)邏輯分析儀實(shí)際是由定時(shí)分析儀和狀態(tài)分析儀組成的。

定時(shí)分析：也稱為異步時(shí)序分析。在邏輯分析儀內(nèi)部高速采樣時(shí)鐘的驅(qū)動下，對輸入信號進(jìn)行異步數(shù)據(jù)采樣，采樣的數(shù)據(jù)用方波的形式進(jìn)行顯示。邏輯分析儀在內(nèi)部高速時(shí)鐘的驅(qū)動下對信號輸入進(jìn)行異步采樣，其測量結(jié)果用于分辨相關(guān)信號間的時(shí)序關(guān)系，例如建立時(shí)間、保持時(shí)間、協(xié)議應(yīng)答等。根據(jù)采樣定理，內(nèi)部采樣時(shí)鐘要高于被測信號最高頻率的3倍以上到正確的采樣數(shù)據(jù)，內(nèi)部采樣時(shí)鐘頻率越高，定時(shí)分辨率就越高，精確度也越高，時(shí)序關(guān)系就越精準(zhǔn)。廣州致遠(yuǎn)電子有限公司出品的LAB6000系列邏輯分析儀最高采樣頻率為5GHz，定時(shí)分辨率可以高達(dá)200ps。定時(shí)分析模式一般用于硬件系統(tǒng)的測試。

狀態(tài)分析：也稱為同步時(shí)序分析。在外部同步時(shí)鐘的驅(qū)動下，邏輯分析儀對輸入信號進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采樣，顯示的時(shí)候，用二進(jìn)制碼或配合軟件用映射圖或反匯編成助記符，由于采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)與被測信號數(shù)據(jù)流狀態(tài)完全一致，因此可以用于直接觀測程序的源代碼。狀態(tài)分析模式一般用于對系統(tǒng)軟件進(jìn)行測試。

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臺式邏輯分析儀和基于PC的虛擬邏輯分析儀。臺式邏輯分析儀是將所有的測試軟件、運(yùn)算管理元件以及顯示部分整合在一臺儀器之中;虛擬邏輯分析儀則需要搭配PC機(jī)一起使用，通過PC機(jī)來顯示最后結(jié)果。相比動輒上十?dāng)?shù)萬元的臺式邏輯分析儀，虛擬邏輯分析儀具有價(jià)格便宜、性價(jià)比高、分析能力強(qiáng)、用戶界面友好、操作簡單、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)。另外，廣州致遠(yuǎn)電子有限公司出品的邏輯分析儀還把其他的數(shù)字測試設(shè)備的功能融合在一起，典型的有邏輯筆、頻率計(jì)、總線分析、協(xié)議分析等，使得邏輯分析儀在數(shù)字測試方面的功能更加強(qiáng)大。

示波器VS邏輯分析儀

在電子測試領(lǐng)域，示波器主要用于信號波形的采集和再現(xiàn)，主要用于對模擬信號和模擬電路的測試。隨著數(shù)字技術(shù)發(fā)展，對數(shù)字信號測試越來越重要，最早的數(shù)字信號測試，往往借助于示波器，后來出現(xiàn)了定時(shí)分析儀和狀態(tài)分析儀，從定時(shí)和狀態(tài)的角度分析和測試多路數(shù)字信號。由于當(dāng)時(shí)的定時(shí)分析儀和狀態(tài)分析儀價(jià)格昂貴，兩者在市場上的概念很好，但影響不大，測試范圍很窄。隨著數(shù)字測試技術(shù)發(fā)展，融合數(shù)字定時(shí)和狀態(tài)分析的邏輯分析儀應(yīng)用而生。

一般用戶在示波器與邏輯分析儀之間作選擇時(shí)，多數(shù)的用戶都會選擇熟悉的示波器。然而，示波器在應(yīng)用層面上較偏向模擬信號的測量;邏輯分析儀在數(shù)字信號分析中能提供比示波器更多更強(qiáng)大的功能，更有助于用戶的開發(fā)，在數(shù)字信號充斥的時(shí)代，用戶們在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)時(shí)所面對的訊號種類絕大部分也是以數(shù)字信號居多，在用戶開發(fā)產(chǎn)品的過程中示波器或許是必不可缺的儀器，但若有邏輯分析儀的幫助，則更能夠大大提高工作效率，節(jié)約用戶寶貴的時(shí)間。

邏輯分析儀是利用時(shí)鐘驅(qū)動從測試設(shè)備上采集和顯示數(shù)字信號的儀器，最主要作用在于數(shù)字電路的分析。

由于邏輯分析儀不像示波器具有許多電平等級，通常只顯示兩個(gè)值(邏輯“1”和“0”)。如圖3.1所示設(shè)定了門限電壓后，邏輯分析儀將被測信號通過超高速比較器與門限電壓進(jìn)行比較，高于門限電壓為邏輯“1”,低于則為邏輯“0”。例如：一個(gè)待測信號使用500MHz采樣率的邏輯分析儀，當(dāng)參考電壓設(shè)定為1.7V時(shí)，在測量時(shí)邏輯分析儀就會平均每隔2ns(500MHz)采樣一個(gè)點(diǎn)，超過1.7V為“1”，低于則為“0”，把所有采樣得到的“1”和“0”按照時(shí)間關(guān)系連接成一個(gè)波形，用戶便可在此連續(xù)波形中找出異常之處。

圖3.1  邏輯分析儀采樣

整體而言，示波器主要用來觀察信號的模擬特性，如邊沿時(shí)間、電壓幅度、是否有寄生干擾等。而邏輯分析儀主要測量數(shù)字電路，因?yàn)閿?shù)字電路固有的特性，邏輯分析儀對電壓的具體值和被測信號的一些模擬特性都不進(jìn)行測量，而是專門針對信號的電平進(jìn)行測量。同時(shí)邏輯分析儀相對示波器還有以下優(yōu)點(diǎn):

同時(shí)監(jiān)測多路輸入

一般邏輯分析儀都具有32或者更多的通道，可以同時(shí)檢測數(shù)十個(gè)輸入信號?？梢暂p松的查看各輸入通道間的關(guān)系。

完善的觸發(fā)功能

邏輯分析儀并不像示波器只有上升沿和下降沿觸發(fā)。邏輯分析儀一般還具有針對總線范圍、總線間關(guān)系、事件次數(shù)等觸發(fā)。LAB6052、LA2532等邏輯分析儀同時(shí)還擁有可視觸發(fā)、協(xié)議觸發(fā)、插件觸發(fā)、用戶自定義觸發(fā)等多種功能強(qiáng)大的觸發(fā)模式。

強(qiáng)大的分析功能

示波器對波形顯示的手段只是進(jìn)行波形的描繪，邏輯分析儀就強(qiáng)大得多了。邏輯分析儀可以把多個(gè)測量通道組合成總線進(jìn)行顯示，可以對總線數(shù)據(jù)使用二進(jìn)制或模擬量的方式進(jìn)行顯示。同時(shí)，LAB6000、LA2000系列邏輯分析儀還具有插件分析功能，直接對測量的信號按照用戶選擇的協(xié)議進(jìn)行協(xié)議分析，使得數(shù)據(jù)更加直觀明了，如圖3.1所示。免去用戶只看見數(shù)據(jù)波形不知數(shù)據(jù)含義的苦惱，在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信分析中特別有用。

圖3.2  LAB6052邏輯分析儀I2C分析結(jié)果

正確選用邏輯分析

邏輯分析儀的重要指標(biāo)有輸入通道數(shù)、定時(shí)采樣率、狀態(tài)采樣率、存儲容量、觸發(fā)方式、分析功能、其他功能等。表1為廣州致遠(yuǎn)電子有限公司出品邏輯分析儀的主要選型參數(shù)，也是邏輯分析儀的重要選型指標(biāo)。

表4.1 邏輯分析儀選型表

采樣通道數(shù)

在需要邏輯分析儀的地方，要對一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面地分析，邏輯分析儀的通道數(shù)至少應(yīng)當(dāng)足以把所有需要觀測的信號全部引入邏輯分析儀當(dāng)中。

定時(shí)采樣率

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，但并不是只有高速系統(tǒng)才需要高的采樣速率。如果采樣頻率高，則可以看見更加精細(xì)得結(jié)果。像LAB6503邏輯分析儀擁有5GHz的定時(shí)采樣率，對信號間的時(shí)間分辨率高達(dá)200ps，完全滿足現(xiàn)代器件ns級的測量。

狀態(tài)采樣率

在進(jìn)行狀態(tài)分析時(shí)，邏輯分析儀采樣時(shí)鐘使用外部輸入時(shí)鐘，在外部時(shí)鐘得驅(qū)動下進(jìn)數(shù)據(jù)存儲。外部輸入時(shí)鐘得最高頻率決定了邏輯分析儀的最高狀態(tài)采樣率。LAB6000系列邏輯分析儀除了擁有標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)采樣模式外，還擁有帶時(shí)間戳的狀態(tài)采樣模式。帶時(shí)間戳的狀態(tài)采樣模式讓用戶不但可以觀察到不同的輸入狀態(tài)，更加可以測每個(gè)輸入狀態(tài)與外部同步時(shí)鐘之間得關(guān)系。

存儲容量

存儲容量是指邏輯分析儀能夠連續(xù)保存采樣點(diǎn)的數(shù)量，直接一點(diǎn)說，就是邏輯分析儀能夠測量多長時(shí)間的波形。存儲容量越大能夠觀察得時(shí)間就越長，但由于高速存儲器的價(jià)格都比較高，所以存儲容量越大相應(yīng)的邏輯分析儀價(jià)格就越高。LAB6000、LA2000系列邏輯分析儀特有的Timing-State模式可以很好的自動平衡存儲容量、觀測時(shí)間和測量精度的三者關(guān)系，運(yùn)用Timing-State技術(shù)可以使邏輯分析儀在相同的存儲容量下同時(shí)具有很高測量精度和更長的觀測時(shí)間。

觸發(fā)方式

相比示波器，邏輯分析儀提供了豐富的觸發(fā)模式。除去邊緣觸發(fā)外，邏輯分析儀一般都具有針對總線范圍、總線間關(guān)系、事件次數(shù)等觸發(fā)方式。LAB6000、LA2000系列邏輯分析儀還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行范圍、=、!=、>、<等比較。同時(shí)，LAB6000、LA2000系列邏輯分析儀提供可視觸發(fā)、協(xié)議觸發(fā)、插件觸發(fā)、用戶自定義觸發(fā)、高速SPI觸發(fā)等多種觸發(fā)方式。

分析功能

分析功能是邏輯分析儀的最大亮點(diǎn)，也是邏輯分析儀區(qū)別與其他儀器的重要指標(biāo)。邏輯分析儀對輸入信號進(jìn)行時(shí)序和狀態(tài)的分析。廣州致遠(yuǎn)電子有限公司出品的邏輯分析儀可以更進(jìn)一步的提供針對I2C、SPI、UART、ModBus、1-Wire等的總線分析和SD卡、CF卡等高層協(xié)議的分析，針對處理器的反匯編分析等功能。

其他功能

廣州致遠(yuǎn)電子有限公司出品的邏輯分析儀提出了數(shù)字電路測量平臺的概念，在設(shè)計(jì)之初就融入了頻率計(jì)、邏輯筆、總線分析儀、協(xié)議分析儀等功能，用戶在一個(gè)軟件界面上實(shí)現(xiàn)同時(shí)對多種測量的觀察，一機(jī)多用，省去用戶重復(fù)投資。

邏輯分析儀結(jié)合了狀態(tài)分析和定時(shí)分析的功能，是用戶在開發(fā)中不可或缺的強(qiáng)大調(diào)試工具。了解了這些基礎(chǔ)知識，用戶就可以滿懷信心地運(yùn)用邏輯分析儀來進(jìn)行數(shù)字輔助開發(fā)和排錯(cuò)，從而很好地縮短了研發(fā)周期，更快研發(fā)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。