逻辑分析仪基础简介

逻辑分析仪是一种类似于示波器的波形测试设备，它可以监测硬件电路工作时的逻辑电平（高或低），并加以存储，用图形的方式直观地表达出来，便于用户检测和分析电路设计（硬件设计和软件设计）中的错误。逻辑分析仪是设计中不可缺少的电子测试设备，通过它可以迅速地定位错误、解决问题、达到事半功倍的效果。

一、逻辑分析仪的产生和发展

20 世纪 70 年代初研制出微处理器，出现 4 位和 8 位总线，传统示波器的双通道输入无法满足 8bit 的观察。微处理器和存储器的测试需要不同于时域和频域仪器，所以数域测试仪器应运而生。当时的 HP 公司推出状态分析仪和 Biomation 公司推出定时分析仪（两者最初很不相同）之后不久，用户开始接受这种数域测试仪器作为最终解决数字电路测试的手段，不久状态分析仪与定时分析仪合并成逻辑分析仪。

20 世纪 80 年代后期，逻辑分析仪变得更加复杂，使用起来也更加困难。例如，引入多电平树形触发，以应付条件语句如 IF 、 THEN 、 ELSE 等复杂事件。这类组合触发必然更加灵活，同时对大多数用户来说就不是那样容易掌握了。

逻辑分析仪的基本发展趋势是计算机与仪器的不断融合。在 PC 机平台上使用 Windows ，只要给定正确的软件和相关工具，即可通过互联网进行远程控制，从目标文件格式中提取源码和符号，而且处理器可运行各种控制操作。

二、逻辑分析仪的分类

目前市场上逻辑分析仪有两类，一类是独立式逻辑分析仪，主要供应商有安捷伦和泰克；另一类是价格相对低廉的基于PC的虚拟逻辑分析仪（VI），主要供应商为美国国家仪器公司（ National Instruments ，NI），主要产品为图形化测试测量编程软件 LabVIEW 。传统上，在PC上运行的 LabVIEW 软件被称为虚拟仪器，但随着 LabVIEW RT 的推出，这些 VI 可以在多种设备上运行，如便携式仪器、工业 PC 或基于 Web 的仪器等。

在中国也有一些生产逻辑分析仪的厂家，但大部分是虚拟仪器，由于进口的独立式逻辑分析仪的价格昂贵，国内很需要一款独立便携、使用简单的逻辑分析仪，向台湾生产的，北京海洋推出的一款逻辑分析仪就比较适合国内市场。

三、逻辑分析仪的主要技术指标

1、逻辑分析仪的通道数

在需要逻辑分析仪的地方，要对一个系统进行全面地分析，就应当把所有应当观测的信号全部引入逻辑分析仪当中，这样逻辑分析仪的通道数至少应当是：被测系统的字长（数据总线数）＋被测系统的控制总线数＋时钟线数。这样对于一个 8 位机系统，就至少需要 34 个通道。现在几个厂家的主流产品的通道数也高达 340 通道，例 Tektronix 等，市面上主流的产品是 34 通道的逻辑分析仪，用它来分析最常见的 8 位系统，像北京海洋最新推出的 OLA 系列逻辑分析仪就是 34 通道的。

2、定时采样速率

在定时采样分析时，要有足够的定时分辨率，就应当有足够高的定时分析采样速率，但是并不是只有高速系统才需要高的采样速率，现在的主流产品的采样速率高达 2GS/s ，在这个速率下，我们可以看到 0.5ps 时间上的细节。

3、状态分析速率

在状态分析时，逻辑分析仪采样基准时钟就用被测试对象的工作时钟（逻辑分析仪的外部时钟）这个时钟的最高速率就是逻辑分析仪的高状态分析速率。也就是说，该逻辑分析仪可以分析的系统最快的工作频率。现在的主流产品的定时分析速率在 300MHz ，最高可高达 500MHz 甚至更高。

4、逻辑分析仪的每通道的记录长度

逻辑分析仪的内存是用于存储它所采样的数据，以用于对比、分析、转换（譬如将其所捕捉到的信号转换成非二进制信号）。 [page]

5、逻辑分析仪的测试夹具

逻辑分析仪通过探头与被测器件连接，测试夹具起着很重要的作用，测试夹具有很多种，如飞行头和苍蝇头等。

四、示波器与逻辑分析仪的比较

1、示波器的特点是：

a)能够查看信号的微小电压变化；
b)具有很高的时间间隔测量准确度。

示波器通常在需要高垂直分辨率和高电压分辨率时使用。也就是说，如果您需要观察微小的电压变化，您就应该使用示波器。许多示波器都能够提供很高的时间间隔分辨，因此能以很高的精确度测量两个事件的时间间隔。总之在需要参量信息时，您应使用示波器。

2、逻辑分析仪的特点是：

a)能够同时观察多个信号；
b)能够查看硬件系统的系统信号；
c)能够按高低电平模式触发多条信号线，并查看结果。

逻辑分析仪与示波器的工作方式相似：用水平轴代表数据的时间，垂直轴代表数据的电压幅度。虽然，逻辑分析仪没有示波器那么高的电压分辨率和事件间隔精确度，但是逻辑分析仪能够同时捕获并显示多个信号，示波器却做不到。当系统中的信号穿越阈值时，逻辑分析仪和您的逻辑电路具有相同的反应。所以在查看总线（微处理器的地址、数据或控制总线）的时间关系时，逻辑分析仪特别有用，它可以对微处理器总线信息解码更有意义，更直观的方式表示信息。当您的电路通过了参量设计阶段后，对许多信号的定时关系感兴趣，并且要在高低电平模式上触发时，那么逻辑分析仪就是极好的选择。但是以往的独立式逻辑分析仪不仅价格昂贵，而且操作麻烦。另外虚拟的逻辑分析仪功能有限，所以市场需要一款适合普通用户的逻辑分析仪，北京海洋仪器推出的 OLA 系列逻辑分析仪是很好的选择。

五、逻辑分析仪的功能

如前所述，绝大多数逻辑分析仪是两种仪器的合成，第一部分是定时分析仪，第二部分是状态分析仪。

1. 定时分析

定时分析是逻辑分析仪中类似示波器的部分，它与示波器显示信息的方式相同，水平轴代表时间，垂直轴代表电压幅度。定时分析首先对输入波形的采样，然后使用用户定义的电压阈值，确定信号的高低电平。定时分析只能确定波形是高还是低，不存在中间电平。所以定时分析就像一台只有 1 位垂直分辨率的数字示波器。但是，定时分析并不能用于测试参量，如果你用定时分析测量信号的上升时间，那你就用错了仪器。如果你要检验几条线上的信号的定时关系，定时分析就是合理的选择。如果定时分析前一次采样的信号是一种状态，这一次采样的信号是另一种状态，那么它就知道在两次采样之间的某个时刻输入信号发生了跳变，但是，定时分析却不知道精确的时刻。最坏的情况下，不确定度是一个采样周期。

2. 跳变定时

如果我们要对一个长时间没有变化的采样并保存数据，跳变定时能有效地利用存储器。使用跳变定时，定时分析只保存信号跳变后采集的样本，以及与上次跳变的时间。

3. 毛刺捕获

数字系统中毛刺是令人头疼的问题，某些定时分析仪具有毛刺捕获和触发能力，可以很容易的跟踪难以预料的毛刺。定时分析可以对输入数据进行有效地采样，跟踪采样间产生的任何跳变，从而容易识别毛刺。在定时分析中，毛刺的定义是：采样间穿越逻辑阈值多次的任何跳变。显示毛刺是一种很有用的功能，有助于对毛刺触发和显示毛刺产生前的数据，从而帮助我们确定毛刺产生的原因。

4. 状态分析

逻辑电路的状态是：数据有效时，对总线或信号线采样的样本。定时分析与状态分析的主要区别是：定时分析由内部时钟控制采样，采样与被测系统是异步的；状态分析由被测系统时钟控制采样，采样与被测系统是同步的。用定时分析查看事件 “ 什么时候 ” 发生，用状态分析检查发生了“ 什么 ”事件。定时分析通常用波形显示数据，状态分析通常用列表显示数据。

六、小结

逻辑分析仪主要用来测试以微处理器为核心的数字系统，在硬件电路、嵌入式系统和监控软件的研制和调试过程中，都是一个必备的优秀工具。逻辑分析仪具有丰富的触发条件，不管被测系统多么复杂，逻辑分析仪都能准确地找到那些隐蔽的、偶然的特殊时刻，然后把触发条件发生前后，各信号的时序图和数据流显示出来。问题也就看清楚了，不需要再绞尽脑汁的推理和猜测了。

参考文献：
翟春林.《业余逻辑分析仪》.无线电技术出版社. 2003年11月第1版。
周家明《逻辑分析仪与示波器的比较》北京海洋兴业科技有限公司网站。
《正确选择和使用逻辑分析仪》. 中国化工仪器网。(end)