邏輯分析儀介紹

本文介紹了邏輯分析儀的基本概念、歷史由來與發展、基本分類、技術指標和基本功能等等，并且介紹了邏輯分析儀和示波器的區別與聯系，通過這些介紹了邏輯分析儀的基礎知識。
關鍵詞：定時分析狀態分析記錄長度

邏輯分析儀是一種類似于示波器的波形測試設備，它可以監測硬件電路工作時的邏輯電平（高或低），并加以存儲，用圖形的方式直觀地表達出來，便于用戶檢測和分析電路設計（硬件設計和軟件設計）中的錯誤。邏輯分析儀是設計中不可缺少的電子測試設備，通過它可以迅速地定位錯誤、解決問題、達到事半功倍的效果。
一、邏輯分析儀的產生和發展
20 世紀 70 年代初研制出微處理器，出現 4 位和 8 位總線，傳統示波器的雙通道輸入無法滿足 8bit 的觀察。微處理器和存儲器的測試需要不同于時域和頻域儀器，所以數域測試儀器應運而生。當時的 HP 公司推出狀態分析儀和 Biomation 公司推出定時分析儀（兩者最初很不相同）之后不久，用戶開始接受這種數域測試儀器作為最終解決數字電路測試的手段，不久狀態分析儀與定時分析儀合并成邏輯分析儀。
20 世紀 80 年代后期，邏輯分析儀變得更加復雜，使用起來也更加困難。例如，引入多電平樹形觸發，以應付條件語句如 IF 、 THEN 、 ELSE 等復雜事件。這類組合觸發必然更加靈活，同時對大多數用戶來說就不是那樣容易掌握了。
邏輯分析儀的基本發展趨勢是計算機與儀器的不斷融合。在 PC 機平臺上使用 Windows ，只要給定正確的軟件和相關工具，即可通過互聯網進行遠程控制，從目標文件格式中提取源碼和符號，而且處理器可運行各種控制操作。
二、邏輯分析儀的分類
目前市場上邏輯分析儀有兩類，一類是獨立式邏輯分析儀，主要供應商有安捷倫和泰克；另一類是價格相對低廉的基于PC的虛擬邏輯分析儀（VI），主要供應商為美國國家儀器公司（ National Instruments ，NI），主要產品為圖形化測試測量編程軟件 LabVIEW 。傳統上，在PC上運行的 LabVIEW 軟件被稱為虛擬儀器，但隨著 LabVIEW RT 的推出，這些 VI 可以在多種設備上運行，如便攜式儀器、工業 PC 或基于 Web 的儀器等。
在中國也有一些生產邏輯分析儀的廠家，但大部分是虛擬儀器，由于進口的獨立式邏輯分析儀的價格昂貴，國內很需要一款獨立便攜、使用簡單的邏輯分析儀，向臺灣生產的，北京海洋推出的一款邏輯分析儀就比較適合國內市場。
三、邏輯分析儀的主要技術指標
1、邏輯分析儀的通道數
在需要邏輯分析儀的地方，要對一個系統進行全面地分析，就應當把所有應當觀測的信號全部引入邏輯分析儀當中，這樣邏輯分析儀的通道數至少應當是：被測系統的字長（數據總線數）＋被測系統的控制總線數＋時鐘線數。這樣對于一個 8 位機系統，就至少需要 34 個通道。現在幾個廠家的主流產品的通道數也高達 340 通道，例 Tektronix 等，市面上主流的產品是 34 通道的邏輯分析儀，用它來分析最常見的 8 位系統，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，就應當有足夠高的定時分析采樣速率，但是并不是只有高速系統才需要高的采樣速率，現在的主流產品的采樣速率高達 2GS/s ，在這個速率下，我們可以看到 0.5ps 時間上的細節。
3、狀態分析速率
在狀態分析時，邏輯分析儀采樣基準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分析速率。也就是說，該邏輯分析儀可以分析的系統最快的工作頻率。現在的主流產品的定時分析速率在 300MHz ，最高可高達 500MHz 甚至更高。
4、邏輯分析儀的每通道的記錄長度
邏輯分析儀的內存是用于存儲它所采樣的數據，以用于對比、分析、轉換（譬如將其所捕捉到的信號轉換成非二進制信號）。
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，詳見電子發燒友網站(www.elecfans.com)。
四、示波器與邏輯分析儀的比較
1、示波器的特點是：
a)能夠查看信號的微小電壓變化；
b)具有很高的時間間隔測量準確度。
示波器通常在需要高垂直分辨率和高電壓分辨率時使用。也就是說，如果您需要觀察微小的電壓變化，您就應該使用示波器。許多示波器都能夠提供很高的時間間隔分辨，因此能以很高的精確度測量兩個事件的時間間隔?？傊谛枰獏⒘啃畔r，您應使用示波器。
2、邏輯分析儀的特點是：
a)能夠同時觀察多個信號；
b)能夠查看硬件系統的系統信號；
c)能夠按高低電平模式觸發多條信號線，并查看結果。
邏輯分析儀與示波器的工作方式相似：用水平軸代表數據的時間，垂直軸代表數據的電壓幅度。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捕獲并顯示多個信號，示波器卻做不到。當系統中的信號穿越閾值時，邏輯分析儀和您的邏輯電路具有相同的反應。所以在查看總線（微處理器的地址、數據或控制總線）的時間關系時，邏輯分析儀特別有用，它可以對微處理器總線信息解碼更有意義，更直觀的方式表示信息。當您的電路通過了參量設計階段后，對許多信號的定時關系感興趣，并且要在高低電平模式上觸發時，那么邏輯分析儀就是極好的選擇。但是以往的獨立式邏輯分析儀不僅價格昂貴，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。如果你要檢驗幾條線上的信號的定時關系，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，這一次采樣的信號是另一種狀態，那么它就知道在兩次采樣之間的某個時刻輸入信號發生了跳變，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據，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
數字系統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能力，可以很容易的跟蹤難以預料的毛刺。定時分析可以對輸入數據進行有效地采樣，跟蹤采樣間產生的任何跳變，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，有助于對毛刺觸發和顯示毛刺產生前的數據，從而幫助我們確定毛刺產生的原因。
4. 狀態分析
邏輯電路的狀態是：數據有效時，對總線或信號線采樣的樣本。定時分析與狀態分析的主要區別是：定時分析由內部時鐘控制采樣，采樣與被測系統是異步的；狀態分析由被測系統時鐘控制采樣，采樣與被測系統是同步的。用定時分析查看事件 “ 什么時候 ” 發生，用狀態分析檢查發生了“ 什么 ”事件。定時分析通常用波形顯示數據，狀態分析通常用列表顯示數據。
六、小結
邏輯分析儀主要用來測試以微處理器為核心的數字系統，在硬件電路、嵌入式系統和監控軟件的研制和調試過程中，都是一個必備的優秀工具。邏輯分析儀具有豐富的觸發條件，不管被測系統多么復雜，邏輯分析儀都能準確地找到那些隱蔽的、偶然的特殊時刻，然后把觸發條件發生前后，各信號的時序圖和數據流顯示出來。問題也就看清楚了，不需要再絞盡腦汁的推理和猜測了。
參考文獻：
翟春林.《業余邏輯分析儀》.無線電技術出版社. 2003年11月第1版。
周家明《邏輯分析儀與示波器的比較》北京海洋興業科技有限公司網站。
《正確選擇和使用邏輯分析儀》. 中國化工儀器網。