揭秘如何選擇邏輯分析儀

自1973年，第一臺針對數字系統多個(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）在數據域測試儀器中嶄露頭角以來(lái)，用戶(hù)開(kāi)始接受這種數據域測試儀器并作為最終解決數字電路測試的手段。

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

邏輯分析儀是一種類(lèi)似于示波器的波形測試設備，它是用于監測硬件電路工作時(shí)的邏輯電平，并加以存儲，用圖形的方式直觀(guān)地表達出來(lái)，便于用戶(hù)檢測、分析電路設計(硬件設計和軟件設計) 中的錯誤。邏輯分析儀是設計特別是數字設計中不可缺少的設備，通過(guò)它，可以迅速地定位錯誤，解決問(wèn)題，達到事半功倍的效果。

相對于示波器，邏輯分析儀往往給人有以下的感覺(jué)：

1、操作復雜，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(zhù)數字電路的廣泛使用發(fā)展迅速，已經(jīng)成為很多電子開(kāi)發(fā)公司的必選設備之一。

邏輯分析儀的組成結構如圖 2.1所示，它主要包括數據捕獲和數據顯示兩大部分。邏輯分析儀一般采用先進(jìn)行數據采集并存儲，然后進(jìn)行數據分析顯示方式。

數據捕獲部分包括信號輸入、比較采樣、觸發(fā)控制、數據存儲和時(shí)鐘電路等。外部被測信號通過(guò)探頭送到信號輸入電路，在比較器中與設定的門(mén)限電壓進(jìn)行比較，大于門(mén)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)鐘或內時(shí)鐘）控制下對信號進(jìn)行采樣，并將數據流送到觸發(fā)模塊中，產(chǎn)生觸發(fā)信號。數據存儲電路在觸發(fā)信號的作用下進(jìn)行相應的數據存儲控制。數據捕獲完成后，由分析顯示電路將存儲的數據處理之后以適當方式顯示出來(lái)。

圖 2.1 邏輯分析儀的原理結構

大多數邏輯分析儀實(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(chēng)為異步時(shí)序分析。在邏輯分析儀內部高速采樣時(shí)鐘的驅動(dòng)下，對輸入信號進(jìn)行異步數據采樣，采樣的數據用方波的形式進(jìn)行顯示。邏輯分析儀在內部高速時(shí)鐘的驅動(dòng)下對信號輸入進(jìn)行異步采樣，其測量結果用于分辨相關(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)議應答等。根據采樣定理，內部采樣時(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據，內部采樣時(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。廣州致遠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200ps。定時(shí)分析模式一般用于硬件系統的測試。

狀態(tài)分析：也稱(chēng)為同步時(shí)序分析。在外部同步時(shí)鐘的驅動(dòng)下，邏輯分析儀對輸入信號進(jìn)行同步數據采樣，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)數據與被測信號數據流狀態(tài)完全一致，因此可以用于直接觀(guān)測程序的源代碼。狀態(tài)分析模式一般用于對系統軟件進(jìn)行測試。

根據硬件設備設計上的差異，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機一起使用，通過(guò)PC機來(lái)顯示最后結果。相比動(dòng)輒上十數萬(wàn)元的臺式邏輯分析儀，虛擬邏輯分析儀具有價(jià)格便宜、性?xún)r(jià)比高、分析能力強、用戶(hù)界面友好、操作簡(jiǎn)單、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)。另外，廣州致遠電子有限公司出品的邏輯分析儀還把其他的數字測試設備的功能融合在一起，典型的有邏輯筆、頻率計、總線(xiàn)分析、協(xié)議分析等，使得邏輯分析儀在數字測試方面的功能更加強大。

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，主要用于對模擬信號和模擬電路的測試。隨著(zhù)數字技術(shù)發(fā)展，對數字信號測試越來(lái)越重要，最早的數字信號測試，往往借助于示波器，后來(lái)出現了定時(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字信號。由于當時(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(chǎng)上的概念很好，但影響不大，測試范圍很窄。隨著(zhù)數字測試技術(shù)發(fā)展，融合數字定時(shí)和狀態(tài)分析的邏輯分析儀應用而生。

一般用戶(hù)在示波器與邏輯分析儀之間作選擇時(shí)，多數的用戶(hù)都會(huì )選擇熟悉的示波器。然而，示波器在應用層面上較偏向模擬信號的測量；邏輯分析儀在數字信號分析中能提供比示波器更多更強大的功能，更有助于用戶(hù)的開(kāi)發(fā)，在數字信號充斥的時(shí)代，用戶(hù)們在進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)所面對的訊號種類(lèi)絕大部分也是以數字信號居多，在用戶(hù)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的過(guò)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，節約用戶(hù)寶貴的時(shí)間。

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

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所示設定了門(mén)限電壓后，邏輯分析儀將被測信號通過(guò)超高速比較器與門(mén)限電壓進(jìn)行比較，高于門(mén)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，當參考電壓設定為1.7V時(shí)，在測量時(shí)邏輯分析儀就會(huì )平均每隔2ns（500MHz）采樣一個(gè)點(diǎn)，超過(guò)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(hù)便可在此連續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(lái)觀(guān)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字電路，因為數字電路固有的特性，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(zhuān)門(mén)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):

一般邏輯分析儀都具有32或者更多的通道，可以同時(shí)檢測數十個(gè)輸入信號?？梢暂p松的查看各輸入通道間的關(guān)系。

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(xiàn)范圍、總線(xiàn)間關(guān)系、事件次數等觸發(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(hù)自定義觸發(fā)等多種功能強大的觸發(fā)模式。

示波器對波形顯示的手段只是進(jìn)行波形的描繪，邏輯分析儀就強大得多了。邏輯分析儀可以把多個(gè)測量通道組合成總線(xiàn)進(jìn)行顯示，可以對總線(xiàn)數據使用二進(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(hù)選擇的協(xié)議進(jìn)行協(xié)議分析，使得數據更加直觀(guān)明了，如圖 3.1所示。免去用戶(hù)只看見(jiàn)數據波形不知數據含義的苦惱，在進(jìn)行數據通信分析中特別有用。

圖 3.2 LAB6052邏輯分析儀I2C分析結果

邏輯分析儀的重要指標有輸入通道數、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為廣州致遠電子有限公司出品邏輯分析儀的主要選型參數，也是邏輯分析儀的重要選型指標。

表 4.1 邏輯分析儀選型表

在需要邏輯分析儀的地方，要對一個(gè)系統進(jìn)行全面地分析，邏輯分析儀的通道數至少應當足以把所有需要觀(guān)測的信號全部引入邏輯分析儀當中。

在定時(shí)采樣分析時(shí)，要有足夠的定時(shí)分辨率，就應當有足夠高的定時(shí)分析采樣速率，但并不是只有高速系統才需要高的采樣速率。如果采樣頻率高，則可以看見(jiàn)更加精細得結果。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200ps，完全滿(mǎn)足現代器件ns級的測量。

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)鐘得驅動(dòng)下進(jìn)數據存儲。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準的狀態(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(hù)不但可以觀(guān)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。

存儲容量是指邏輯分析儀能夠連續保存采樣點(diǎn)的數量，直接一點(diǎn)說(shuō)，就是邏輯分析儀能夠測量多長(cháng)時(shí)間的波形。存儲容量越大能夠觀(guān)察得時(shí)間就越長(cháng)，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(dòng)平衡存儲容量、觀(guān)測時(shí)間和測量精度的三者關(guān)系，運用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(cháng)的觀(guān)測時(shí)間。

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(xiàn)范圍、總線(xiàn)間關(guān)系、事件次數等觸發(fā)方式。LAB6000、LA2000系列邏輯分析儀還可以對數據進(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(hù)自定義觸發(fā)、高速SPI觸發(fā)等多種觸發(fā)方式。

分析功能是邏輯分析儀的最大亮點(diǎn)，也是邏輯分析儀區別與其他儀器的重要指標。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(xiàn)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。

廣州致遠電子有限公司出品的邏輯分析儀提出了數字電路測量平臺的概念，在設計之初就融入了頻率計、邏輯筆、總線(xiàn)分析儀、協(xié)議分析儀等功能，用戶(hù)在一個(gè)軟件界面上實(shí)現同時(shí)對多種測量的觀(guān)察，一機多用，省去用戶(hù)重復投資。

邏輯分析儀結合了狀態(tài)分析和定時(shí)分析的功能，是用戶(hù)在開(kāi)發(fā)中不可或缺的強大調試工具。了解了這些基礎知識，用戶(hù)就可以滿(mǎn)懷信心地運用邏輯分析儀來(lái)進(jìn)行數字輔助開(kāi)發(fā)和排錯，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。