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示波器與邏輯分析儀應(yīng)該選哪個(gè)？
2015-08-13
自1973年，第一臺(tái)針對(duì)數(shù)字系統(tǒng)多個(gè)信號(hào)之間邏輯關(guān)系及時(shí)間關(guān)系測(cè)試的儀器—邏輯分析儀（Logic Analyzer）在數(shù)據(jù)域測(cè)試儀器中嶄露頭角以來(lái)，用戶開(kāi)始接受這種數(shù)據(jù)域測(cè)試儀器并作為最終解決數(shù)字電路測(cè)試的手段。
近年來(lái)，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(cè)量?jī)x器的功能，使用Windows系統(tǒng)平臺(tái)，配以簡(jiǎn)單易用的用戶界面，進(jìn)一步化簡(jiǎn)了觸發(fā)的難題，構(gòu)建了特色的數(shù)字分析測(cè)量平臺(tái)。
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(cè)試設(shè)備，它是用于監(jiān)測(cè)硬件電路工作時(shí)的邏輯電平，并加以存儲(chǔ)，用圖形的方式直觀地表達(dá)出來(lái)，便于用戶檢測(cè)、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(guò)它，可以迅速地定位錯(cuò)誤，解決問(wèn)題，達(dá)到事半功倍的效果。
相對(duì)于示波器，邏輯分析儀往往給人有以下的感覺(jué)：
1、操作復(fù)雜，對(duì)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(kāi)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(chǔ)，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(hào)輸入、比較采樣、觸發(fā)控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和時(shí)鐘電路等。外部被測(cè)信號(hào)通過(guò)探頭送到信號(hào)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(hào)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(duì)信號(hào)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(hào)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路在觸發(fā)信號(hào)的作用下進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制。數(shù)據(jù)捕獲完成后，由分析顯示電路將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)處理之后以適當(dāng)方式顯示出來(lái)。
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(dòng)下，對(duì)輸入信號(hào)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(dòng)下對(duì)信號(hào)輸入進(jìn)行異步采樣，其測(cè)量結(jié)果用于分辨相關(guān)信號(hào)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(cè)信號(hào)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(cè)試。
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(dòng)下，對(duì)輸入信號(hào)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(dòng)下對(duì)信號(hào)輸入進(jìn)行異步采樣，其測(cè)量結(jié)果用于分辨相關(guān)信號(hào)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(cè)信號(hào)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(cè)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(dòng)下，邏輯分析儀對(duì)輸入信號(hào)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(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)流狀態(tài)完全一致，因此可以用于直接觀測(cè)程序的源代碼。狀態(tài)分析模式一般用于對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行測(cè)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(tái)式邏輯分析儀和基于PC的虛擬邏輯分析儀。臺(tái)式邏輯分析儀是將所有的測(cè)試軟件、運(yùn)算管理元件以及顯示部分整合在一臺(tái)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(guò)PC機(jī)來(lái)顯示最后結(jié)果。相比動(dòng)輒上十?dāng)?shù)萬(wàn)元的臺(tái)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(jiǎn)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(cè)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(cè)試方面的功能更加強(qiáng)大。
示波器 VS 邏輯分析儀
在電子測(cè)試領(lǐng)域，示波器主要用于信號(hào)波形的采集和再現(xiàn)，主要用于對(duì)模擬信號(hào)和模擬電路的測(cè)試。隨著數(shù)字技術(shù)發(fā)展，對(duì)數(shù)字信號(hào)測(cè)試越來(lái)越重要，最早的數(shù)字信號(hào)測(cè)試，往往借助于示波器，后來(lái)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(cè)試多路數(shù)字信號(hào)。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(chǎng)上的概念很好，但影響不大，測(cè)試范圍很窄。隨著數(shù)字測(cè)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(huì)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(hào)的測(cè)量；邏輯分析儀在數(shù)字信號(hào)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(kāi)發(fā)，在數(shù)字信號(hào)充斥的時(shí)代，用戶們?cè)谶M(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)所面對(duì)的訊號(hào)種類絕大部分也是以數(shù)字信號(hào)居多，在用戶開(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(jié)約用戶寶貴的時(shí)間。
邏輯分析儀是利用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)從測(cè)試設(shè)備上采集和顯示數(shù)字信號(hào)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(jí)，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(cè)信號(hào)通過(guò)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(cè)信號(hào)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(cè)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(lái)觀察信號(hào)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(cè)量數(shù)字電路，因?yàn)閿?shù)字電路固有的特性，邏輯分析儀對(duì)電壓的具體值和被測(cè)信號(hào)的一些模擬特性都不進(jìn)行測(cè)量，而是專門針對(duì)信號(hào)的電平進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)邏輯分析儀相對(duì)示波器還有以下優(yōu)點(diǎn):
同時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)十個(gè)輸入信號(hào)。可以輕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(duì)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(duì)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(cè)量通道組合成總線進(jìn)行顯示，可以對(duì)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(duì)測(cè)量的信號(hào)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(jiàn)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(chǔ)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(duì)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(cè)的信號(hào)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(jiàn)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(duì)信號(hào)間的時(shí)間分辨率高達(dá)200ps，完全滿足現(xiàn)代器件ns級(jí)的測(cè)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(dòng)下進(jìn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。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(cè)每個(gè)輸入狀態(tài)與外部同步時(shí)鐘之間得關(guān)系。
存儲(chǔ)容量
存儲(chǔ)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(shuō)，就是邏輯分析儀能夠測(cè)量多長(zhǎng)時(shí)間的波形。存儲(chǔ)容量越大能夠觀察得時(shí)間就越長(zhǎng)，但由于高速存儲(chǔ)器的價(jià)格都比較高，所以存儲(chǔ)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(dòng)平衡存儲(chǔ)容量、觀測(cè)時(shí)間和測(cè)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(chǔ)容量下同時(shí)具有很高測(cè)量精度和更長(zhǎng)的觀測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)輸入信號(hào)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(duì)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(duì)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(cè)量平臺(tái)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(duì)多種測(cè)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(kāi)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(shí)，用戶就可以滿懷信心地運(yùn)用邏輯分析儀來(lái)進(jìn)行數(shù)字輔助開(kāi)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。
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