示波器與邏輯分析儀應該選哪個？
2015-08-13
自1973年，第一臺針對數(shù)字系統(tǒng)多個信號之間邏輯關系及時間關系測試的儀器—邏輯分析儀（Logic Analyzer）在數(shù)據(jù)域測試儀器中嶄露頭角以來，用戶開始接受這種數(shù)據(jù)域測試儀器并作為最終解決數(shù)字電路測試的手段。
近年來，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，依托不斷進步的計算機技術，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)字測量儀器的功能，使用Windows系統(tǒng)平臺，配以簡單易用的用戶界面，進一步化簡了觸發(fā)的難題，構建了特色的數(shù)字分析測量平臺。
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試設備，它是用于監(jiān)測硬件電路工作時的邏輯電平，并加以存儲，用圖形的方式直觀地表達出來，便于用戶檢測、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(shù)字設計中不可缺少的設備，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。
相對于示波器，邏輯分析儀往往給人有以下的感覺：
1、操作復雜，對使用者的要求高；
2、與示波器功能差不多；
3、價格昂貴。
其實不然，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，已經成為很多電子開發(fā)公司的必選設備之一。
邏輯分析儀的原理
邏輯分析儀的組成結構如圖 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行數(shù)據(jù)采集并存儲，然后進行數(shù)據(jù)分析顯示方式。
數(shù)據(jù)捕獲部分包括信號輸入、比較采樣、觸發(fā)控制、數(shù)據(jù)存儲和時鐘電路等。外部被測信號通過探頭送到信號輸入電路，在比較器中與設定的門限電壓進行比較，大于門限電壓值的信號為高電平，反之為低電平。采樣電路在采樣時鐘（外時鐘或內時鐘）控制下對信號進行采樣，并將數(shù)據(jù)流送到觸發(fā)模塊中，產生觸發(fā)信號。數(shù)據(jù)存儲電路在觸發(fā)信號的作用下進行相應的數(shù)據(jù)存儲控制。數(shù)據(jù)捕獲完成后，由分析顯示電路將存儲的數(shù)據(jù)處理之后以適當方式顯示出來。
圖 2.1 邏輯分析儀的原理結構
大多數(shù)邏輯分析儀實際是由定時分析儀和狀態(tài)分析儀組成的。
定時分析：也稱為異步時序分析。在邏輯分析儀內部高速采樣時鐘的驅動下，對輸入信號進行異步數(shù)據(jù)采樣，采樣的數(shù)據(jù)用方波的形式進行顯示。邏輯分析儀在內部高速時鐘的驅動下對信號輸入進行異步采樣，其測量結果用于分辨相關信號間的時序關系，例如建立時間、保持時間、協(xié)議應答等。根據(jù)采樣定理，內部采樣時鐘要高于被測信號最高頻率的3倍以上到正確的采樣數(shù)據(jù)，內部采樣時鐘頻率越高，定時分辨率就越高，精確度也越高，時序關系就越精準。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，定時分辨率可以高達200ps。定時分析模式一般用于硬件系統(tǒng)的測試。
定時分析：也稱為異步時序分析。在邏輯分析儀內部高速采樣時鐘的驅動下，對輸入信號進行異步數(shù)據(jù)采樣，采樣的數(shù)據(jù)用方波的形式進行顯示。邏輯分析儀在內部高速時鐘的驅動下對信號輸入進行異步采樣，其測量結果用于分辨相關信號間的時序關系，例如建立時間、保持時間、協(xié)議應答等。根據(jù)采樣定理，內部采樣時鐘要高于被測信號最高頻率的3倍以上到正確的采樣數(shù)據(jù)，內部采樣時鐘頻率越高，定時分辨率就越高，精確度也越高，時序關系就越精準。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，定時分辨率可以高達200ps。定時分析模式一般用于硬件系統(tǒng)的測試。
狀態(tài)分析：也稱為同步時序分析。在外部同步時鐘的驅動下，邏輯分析儀對輸入信號進行同步數(shù)據(jù)采樣，顯示的時候，用二進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)與被測信號數(shù)據(jù)流狀態(tài)完全一致，因此可以用于直接觀測程序的源代碼。狀態(tài)分析模式一般用于對系統(tǒng)軟件進行測試。
根據(jù)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PC機來顯示最后結果。相比動輒上十數(shù)萬元的臺式邏輯分析儀，虛擬邏輯分析儀具有價格便宜、性價比高、分析能力強、用戶界面友好、操作簡單、體積小巧等優(yōu)點。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(shù)字測試設備的功能融合在一起，典型的有邏輯筆、頻率計、總線分析、協(xié)議分析等，使得邏輯分析儀在數(shù)字測試方面的功能更加強大。
示波器 VS 邏輯分析儀
在電子測試領域，示波器主要用于信號波形的采集和再現(xiàn)，主要用于對模擬信號和模擬電路的測試。隨著數(shù)字技術發(fā)展，對數(shù)字信號測試越來越重要，最早的數(shù)字信號測試，往往借助于示波器，后來出現(xiàn)了定時分析儀和狀態(tài)分析儀，從定時和狀態(tài)的角度分析和測試多路數(shù)字信號。由于當時的定時分析儀和狀態(tài)分析儀價格昂貴，兩者在市場上的概念很好，但影響不大，測試范圍很窄。隨著數(shù)字測試技術發(fā)展，融合數(shù)字定時和狀態(tài)分析的邏輯分析儀應用而生。
一般用戶在示波器與邏輯分析儀之間作選擇時，多數(shù)的用戶都會選擇熟悉的示波器。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(shù)字信號分析中能提供比示波器更多更強大的功能，更有助于用戶的開發(fā)，在數(shù)字信號充斥的時代，用戶們在進行產品開發(fā)時所面對的訊號種類絕大部分也是以數(shù)字信號居多，在用戶開發(fā)產品的過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)約用戶寶貴的時間。
邏輯分析儀是利用時鐘驅動從測試設備上采集和顯示數(shù)字信號的儀器，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，通常只顯示兩個值（邏輯“1”和“0”）。如圖 3.1所示設定了門限電壓后，邏輯分析儀將被測信號通過超高速比較器與門限電壓進行比較，高于門限電壓為邏輯“1”,低于則為邏輯“0”。例如：一個待測信號使用500MHz采樣率的邏輯分析儀，當參考電壓設定為1.7V時，在測量時邏輯分析儀就會平均每隔2ns（500MHz）采樣一個點，超過1.7V為“1”，低于則為“0”，把所有采樣得到的“1”和“0”按照時間關系連接成一個波形，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，示波器主要用來觀察信號的模擬特性，如邊沿時間、電壓幅度、是否有寄生干擾等。而邏輯分析儀主要測量數(shù)字電路，因為數(shù)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行測量，而是專門針對信號的電平進行測量。同時邏輯分析儀相對示波器還有以下優(yōu)點:
同時監(jiān)測多路輸入
一般邏輯分析儀都具有32或者更多的通道，可以同時檢測數(shù)十個輸入信號?？梢暂p松的查看各輸入通道間的關系。
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總線范圍、總線間關系、事件次數(shù)等觸發(fā)。LAB6052、LA2532等邏輯分析儀同時還擁有可視觸發(fā)、協(xié)議觸發(fā)、插件觸發(fā)、用戶自定義觸發(fā)等多種功能強大的觸發(fā)模式。
強大的分析功能
示波器對波形顯示的手段只是進行波形的描繪，邏輯分析儀就強大得多了。邏輯分析儀可以把多個測量通道組合成總線進行顯示，可以對總線數(shù)據(jù)使用二進制或模擬量的方式進行顯示。同時，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選擇的協(xié)議進行協(xié)議分析，使得數(shù)據(jù)更加直觀明了，如圖 3.1所示。免去用戶只看見數(shù)據(jù)波形不知數(shù)據(jù)含義的苦惱，在進行數(shù)據(jù)通信分析中特別有用。
圖 3.2 LAB6052邏輯分析儀I2C分析結果
正確選用邏輯分析
邏輯分析儀的重要指標有輸入通道數(shù)、定時采樣率、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(shù)，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
采樣通道數(shù)
在需要邏輯分析儀的地方，要對一個系統(tǒng)進行全面地分析，邏輯分析儀的通道數(shù)至少應當足以把所有需要觀測的信號全部引入邏輯分析儀當中。
定時采樣率
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，則可以看見更加精細得結果。像LAB6503邏輯分析儀擁有5GHz的定時采樣率，對信號間的時間分辨率高達200ps，完全滿足現(xiàn)代器件ns級的測量。
狀態(tài)采樣率
在進行狀態(tài)分析時，邏輯分析儀采樣時鐘使用外部輸入時鐘，在外部時鐘得驅動下進數(shù)據(jù)存儲。外部輸入時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，還擁有帶時間戳的狀態(tài)采樣模式。帶時間戳的狀態(tài)采樣模式讓用戶不但可以觀察到不同的輸入狀態(tài)，更加可以測每個輸入狀態(tài)與外部同步時鐘之間得關系。
存儲容量
存儲容量是指邏輯分析儀能夠連續(xù)保存采樣點的數(shù)量，直接一點說，就是邏輯分析儀能夠測量多長時間的波形。存儲容量越大能夠觀察得時間就越長，但由于高速存儲器的價格都比較高，所以存儲容量越大相應的邏輯分析儀價格就越高。LAB6000、LA2000系列邏輯分析儀特有的Timing-State模式可以很好的自動平衡存儲容量、觀測時間和測量精度的三者關系，運用Timing-State技術可以使邏輯分析儀在相同的存儲容量下同時具有很高測量精度和更長的觀測時間。
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總線范圍、總線間關系、事件次數(shù)等觸發(fā)方式。LAB6000、LA2000系列邏輯分析儀還可以對數(shù)據(jù)進行范圍、=、！=、>、<等比較。同時，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，也是邏輯分析儀區(qū)別與其他儀器的重要指標。邏輯分析儀對輸入信號進行時序和狀態(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一步的提供針對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，針對處理器的反匯編分析等功能。
其他功能
廣州致遠電子有限公司出品的邏輯分析儀提出了數(shù)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、總線分析儀、協(xié)議分析儀等功能，用戶在一個軟件界面上實現(xiàn)同時對多種測量的觀察，一機多用，省去用戶重復投資。
邏輯分析儀結合了狀態(tài)分析和定時分析的功能，是用戶在開發(fā)中不可或缺的強大調試工具。了解了這些基礎知識，用戶就可以滿懷信心地運用邏輯分析儀來進行數(shù)字輔助開發(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)質的產品。
