邏輯分析儀之負載效應(yīng)
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analyzer)。工程師在使用邏輯分析儀來量測系統(tǒng)訊號時，時常會遇到所量測到的數(shù)據(jù)不
對，這就要注意有可能是選用的邏輯分析儀的負載效應(yīng)造成的。以下本文將深入來探討
這個問題。
了解訊號
在利用邏輯分析儀量測之前，應(yīng)先了解所要測量的訊號特性，舉例而言，如圖一所
示，假設(shè)當訊號的工作參考頻率為100MHz(10ns)時，訊號的上升沿、下降沿時間為1ns
左右，相當于模擬訊號的1GHz頻率點；在工作參考頻率為200MHz時，訊號的上升沿、
下降沿時間為0.5ns左右，相當于模擬訊號的2GHz頻率點。按照這種對應(yīng)關(guān)系，訊號應(yīng)該
屬于傳輸線的范圍之內(nèi)，而不能用低頻訊號的分析方法來處理。
依據(jù)傳輸線的理論[1]，高頻訊號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去，如連接器、緩沖器、印制板
走線的特性…等等，即會產(chǎn)生所謂的阻抗匹配的問題。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。
而且如果訊號的源端、末端阻抗不匹配導致阻抗特性不連續(xù)，必然會產(chǎn)生過沖、振
鈴訊號劣化現(xiàn)象,如圖四，易造成訊號的誤判，芯片的動作將很容易出錯，也必然會導致
相關(guān)的硬件系統(tǒng)出錯，最終影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
一般簡單的減低過沖及振鈴訊號劣化現(xiàn)象的作法就是做阻抗匹配來讓訊號的源端、
末端阻抗特性連續(xù)，由公式(3)可容易看改變L及C值，可輕易達到增加或降低阻抗Zo。就
另外的濾通電路觀點而言，任何R、L、C的改變均會有濾通的效果，而過沖及振鈴相對
頻率相較于訊號的頻率高，故適當?shù)腞、L、C可將過沖及振鈴訊號劣化現(xiàn)象做相當程度
的濾除或衰減。圖五即為阻抗匹配后的訊號狀況。
邏輯分析儀量測信道的輸入阻抗
使用邏輯分析儀來量測訊號不外乎有兩種狀況。
（一）電路板動作正常，但需要量測芯片所傳送的訊號來加以分析譯碼；
（二）電路板誤動作，須監(jiān)看芯片所傳送的訊號是否有誤。
不論是哪一種狀況，工程師當然是需要量測出準確的訊號，最好就是電路
板上的訊號能忠實的呈現(xiàn)，也因如此，邏輯分析儀的量測精準性就格外來得重
要。
影響邏輯分析儀的準確性約略可由以下幾個參數(shù)指標來看：
（一）量測通道的輸入阻抗；
（二）內(nèi)部采樣率；
（三）ＶＴＨ精度。
以下就單就量測通道的輸入阻抗來探討。
就如同示波器的一般，負載效應(yīng)（Loading effect）也是邏輯分析儀要考慮
的重要量測因素。當我們進行量測時，常常會誤以為所測得的訊號和未連入儀
器時是完全一樣的。實際上每個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。由于在量測時，引入了額外的負載，所以就會
影響到被測電路，所以當我們分析量測時，必須考慮到探頭及信道的特性及測
試電路的阻抗。
因為邏輯分析儀所要量測的訊號數(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走線量測。就探頭排線搭配鉤夾的阻抗特性而言，這
些探頭里沒有任何串聯(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)，探頭對信號沒有衰減作用，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達成。
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源探頭（Passive Probe），其中只
包含無源組件如電阻和電容，這種探頭通常對輸入訊號進行衰減。而類似的，
邏輯分析儀的每個量測通道前端也有類似的做法，稱之為有源接口跟無源接
口。如圖六所示：下圖中，無源界面不外乎亦是由電阻、電容所組成，電容將
訊號耦合到輸出端，電阻是取出訊號的電壓。由電組和電容的值，將可推算出
其最佳的頻率響應(yīng)點，不是接近此頻率響應(yīng)點的輸入訊號將會大幅的衰減而失
真。
使用邏輯分析儀量測訊號
由上述的兩個章節(jié)中，從認識訊號到量測信道的輸入阻抗探討中，更進一步的就可
以來探討使用邏輯分析儀量測訊號。
假設(shè)現(xiàn)有一系統(tǒng)，在未連入邏輯分析儀之前的動作都正常，為了要分析訊號數(shù)據(jù)，
將邏輯分析儀連上之后，系統(tǒng)開始出問題并當機；或者是在未連入邏輯分析儀之前的動
作不正常，為了要除錯，將邏輯分析儀連上之后，系統(tǒng)卻正常了。此時身為工程人員就
必須想到是否是邏輯分析儀的負載效應(yīng)所造成結(jié)果。
圖十所示是訊號受到連上邏輯分析儀之后，因為負載效應(yīng)造成訊號電流額外的消耗
而振幅變小，導致接收訊號端的芯片收到錯誤的訊號。
圖十一所示為訊號原本的過沖及振鈴訊號劣化現(xiàn)象嚴重，接收訊號端的芯片收到的數(shù)據(jù)
都是錯的，導致系統(tǒng)動作不正常，但連上邏輯分析儀之后，因為負載效應(yīng)反而讓過沖及
振鈴訊號劣化現(xiàn)象減輕了，因而反倒讓系統(tǒng)動作正常。
接下來，要探討邏輯分析儀所量測到的資料是否正確的議題。假設(shè)所使用的邏輯分
析儀沒有（或是只有極小的）如上文中所探討的負載效應(yīng)，不會改變系統(tǒng)的訊號，但是
我們卻無從得知訊號透過探棒再到邏輯分析儀內(nèi)部的取樣芯片時，訊號是否已經(jīng)有了改
變？如有改變，那是否意味著量測出來的訊號數(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的有源／無源界面。這個接口如果是有
源接口，那經(jīng)過這個接口輸出后的訊號將比較能夠呈現(xiàn)出源頭訊號的樣貌；反之，若是
無源接口，那經(jīng)過這個接口輸出后的訊號將會有相當程度的衰減，其衰減程度需視源頭
訊號的頻率與無源接口電路的頻率響應(yīng)關(guān)系。
圖十三所示：訊號經(jīng)過無源接口電路之后，偏高頻的過沖及振鈴訊號已被將當程度
的衰減掉了。
邏輯分析儀實際使用狀況
綜觀完上述的的探討后，再來看看使用邏輯分析儀做實際的量測狀況。就正常的使
用狀況，工程人員不可能知道源頭訊號到了邏輯分析儀內(nèi)部之后會變成怎樣，是會有相
當程度的失真還是會完全的呈現(xiàn)？除非拆了邏輯分析儀的機殼，且在清楚邏輯分析儀內(nèi)
部組件及電路特性之后，才有可能量測到源頭訊號到了邏輯分析儀內(nèi)部之后是變成怎
樣。所以在實際使用邏輯分析儀，如何辨識該邏輯分析儀是否所量測得的訊號數(shù)據(jù)是對
的還是錯的？進而辨識邏輯分析儀的好壞，以下將作實際的量測實驗來驗證。
如圖十四，這是由示波器所量測的一個33MHz的訊號，可看出此訊號有過沖及振鈴
的現(xiàn)象。在圖中有兩個參數(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量測此訊
號，再由邏輯分析儀所量測下來的數(shù)據(jù)來判定邏輯分析儀的優(yōu)劣。
圖十五與是邏輯分析儀Ａ所量測的結(jié)果。上圖是將Threshold Voltage設(shè)到1V時，就可
測到第一次的下振鈴；下圖是將Threshold Voltage設(shè)到3.8V時，就可測到第一次的上振
鈴。
圖十六是邏輯分析儀Ｂ所量測的結(jié)果。上圖是將Threshold Voltage設(shè)到0.5V了，還測不
到第一次的下振鈴；下圖是將Threshold Voltage設(shè)到4.5V了，還測不到第一次的上振
鈴。事實上，邏輯分析儀Ｂ經(jīng)過繁復測試，結(jié)果是完全測不出振鈴現(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
都無法測得或是測得的數(shù)據(jù)已經(jīng)不正確了，那即使軟件功能再怎樣強大，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、過沖、振鈴訊號是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的，若儀器無法量測出來，勢必會讓
工程人員的Debug時間更長，甚至陷入僵局，故慎選邏輯分析儀是十分重要的。
參考文獻：
[1]何寧,蔡鍵龍,高速電路設(shè)計中利用CTAB的阻抗補償方法, 2004.
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