什么是邏輯分析儀?

邏輯分析儀是分析數(shù)字系統(tǒng)邏輯關(guān)系的儀器。邏輯分析儀是屬于數(shù)據(jù)域測試[2]儀器中的一種總線分析儀，即以總線(多線)概念為基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)多條數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)流進(jìn)行觀察和測試的儀器，這種儀器對(duì)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)的測試和分析十分有效。邏輯分析儀是利用時(shí)鐘從測試設(shè)備上采集和顯示數(shù)字信號(hào)的儀器，最主要作用在于時(shí)序判定。由于邏輯分析儀不像示波器那樣有許多電壓等級(jí)，通常只顯示兩個(gè)電壓(邏輯1和0)，因此設(shè)定了參考電壓后，邏輯分析儀將被測信號(hào)通過比較器進(jìn)行判定，高于參考電壓者為High，低于參考電壓者為Low，在High與 Low之間形成數(shù)字波形。

邏輯分析儀的使用方法：

單片機(jī)開發(fā)工程師和電子愛好者，每天都要和各種各樣的數(shù)字電路打交道。在制作調(diào)試電路時(shí)除了使用萬用表、示波器等工具，邏輯分析儀也是必不可少的。

邏輯分析儀是利用時(shí)鐘從測試設(shè)備上采集和顯示數(shù)字信號(hào)的儀器，最主要的作用在于時(shí)序判定。邏輯分析儀與示波器不同，它不能顯示連續(xù)的模擬量波形，而只顯示高低兩種電平狀態(tài)(邏輯1和0)。在設(shè)置了參考電壓后，邏輯分析儀將采集到的信號(hào)與電壓比較器比較，高于參考電壓的為邏輯1，低于參考電壓的為邏輯 0。這樣就可以將被測信號(hào)以時(shí)間順序顯示為連續(xù)的高低電平波形，便于使用者進(jìn)行分析和調(diào)試。使用邏輯分析儀，可以方便地設(shè)置信號(hào)觸發(fā)條件開始采樣，分析多路信號(hào)的時(shí)序，捕獲信號(hào)的干擾毛刺，也可以按照規(guī)則對(duì)電平序列進(jìn)行解碼，完成通信協(xié)議分析。

邏輯分析儀根據(jù)其硬件設(shè)備的功能和復(fù)雜程度，主要分為獨(dú)立式(單機(jī)型)邏輯分析儀和基于電腦(PC-Base)的虛擬邏輯分析儀兩大類。獨(dú)立式邏輯分析儀是將所有的軟件，硬件整合在一臺(tái)儀器中，使用方便。虛擬邏輯分析儀則需要結(jié)合電腦使用，利用PC強(qiáng)大的計(jì)算和顯示功能，完成數(shù)據(jù)處理和顯示等工作。

專業(yè)邏輯分析儀，通常具有數(shù)量眾多的采樣通道，超快的采樣速度和大容量的存儲(chǔ)深度，但昂貴的價(jià)格也不是個(gè)人所能承受的。作為工程師手頭常備的開發(fā)工具，目前有許多入門級(jí)的邏輯分析儀設(shè)計(jì)，整體功能雖然不能和專業(yè)高檔儀器相比，但是用較低的成本來實(shí)現(xiàn)特定的功能，也是非常成功的設(shè)計(jì)。本文以下討論的邏輯分析儀，主要是指這類入門級(jí)設(shè)計(jì)。

基于電腦并口的邏輯分析儀曾是主流，但是近年來電腦系統(tǒng)逐步不再配置并口，這類設(shè)計(jì)已經(jīng)成為明日黃花，僅僅還具有原理學(xué)習(xí)的價(jià)值。

另一類的邏輯分析儀，是以低速單片機(jī)為基礎(chǔ)的。很多愛好者用PIC、AVR等常見單片機(jī)設(shè)計(jì)了自己的作品。但這類單片機(jī)邏輯分析儀的共同弱點(diǎn)就是采樣速度太慢，通常不超過1MHz。

以USB IO芯片為基礎(chǔ)的入門級(jí)邏輯分析儀現(xiàn)在最為流行。比如Saleae logic，還有類似的USBee等。這類產(chǎn)品主要采用一個(gè)USB IO芯片，例如CYPRESS公司的CY7C68013A-56PVXC，所有的信號(hào)觸發(fā)和處理工作都是電腦上的軟件完成的，硬件部分就只是一個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀。最高采樣速度為24MHz。它們可以“無限數(shù)量”地采樣，因?yàn)樗械臄?shù)據(jù)都是存儲(chǔ)在電腦里的。目前一般最多是8個(gè)通道，更多的通道數(shù)量會(huì)成比例地降低最高采樣速度。這類產(chǎn)品構(gòu)造簡單，方便易用，價(jià)格便宜，是調(diào)試單片機(jī)開發(fā)工作的好工具。它的缺點(diǎn)主要是采樣速度只有24MHz、8個(gè)通道，對(duì)于分析高速并行總線就不能勝任了。更進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，需要增加FPGA、SRAM等器件，才能解決速度不夠和通道數(shù)量不足的問題。

下面就以Saleae邏輯分析儀為例，通過采樣分析I2C總線波形和PWM波形，簡單介紹它的特點(diǎn)和使用方法。

先介紹用邏輯分析儀采樣單片機(jī)對(duì)I2C器件AT24C16的寫數(shù)據(jù)過程。

硬件連接

1.先將邏輯分析儀的GND與目標(biāo)板的GND連接，讓二者共地。

2.選擇需要采樣的信號(hào)，這里就是AT24C16的SDA和SCL，將SDA接入邏輯分析儀的通道1(Input 1)，SCL接入通道1(Input 2)。

3.將邏輯分析儀和電腦USB口連接，windows會(huì)識(shí)別該設(shè)備，并在屏幕右下角顯示USB設(shè)備標(biāo)識(shí)。

軟件使用

1.運(yùn)行Saleae軟件，此時(shí)邏輯分析儀的硬件已經(jīng)與電腦相連，軟件會(huì)顯示[Connected]。

2.設(shè)置采樣數(shù)量和速度，I2C為低速通信，所以速度設(shè)置不必太高，這里設(shè)置為20M Samples @ 4M Hz的速度，也就是能持續(xù)采樣5秒鐘。

3.設(shè)置協(xié)議，點(diǎn)右上角的“OpTIons”按鈕，找到analyzer1，設(shè)置為I2C協(xié)議，詳見圖1。

4.按“Start”按鈕，開始采樣。

數(shù)據(jù)分析

采樣結(jié)束后，可以看到波形，見圖2。由于我們?cè)O(shè)置了是I2C分析，因此不光顯示出波形，還有根據(jù)I2C協(xié)議解碼顯示的字節(jié)內(nèi)容。單片機(jī)對(duì) AT24C16進(jìn)行寫入操作，在0x00地址處寫入10000等數(shù)字。波形起始是“start”信號(hào)，然后依次是AT24C16的標(biāo)識(shí)0xA2，寫入地址 0x00，數(shù)據(jù) 0x10，0x27等。由于寫入以字節(jié)為單位，因此0x2710 = 10000，表明采樣成功。

將鼠標(biāo)放在波形上，點(diǎn)擊左鍵，實(shí)現(xiàn)zoom in功能。結(jié)果見圖3，在“start”條件后，在SCL的8個(gè)連續(xù)脈沖的高電平處，SDA對(duì)應(yīng)的信號(hào)為10100010，即0xA2，第9個(gè)脈沖高電平處為0，是ACK標(biāo)志。

以上簡單介紹了用邏輯分析儀進(jìn)行I2C分析的過程，可以看到操作起來非常簡單。

下面再介紹利用邏輯分析儀采樣三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的6路PWM波形。

硬件連接

1.先將邏輯分析儀的GND與目標(biāo)板的GND連接，讓二者共地，見圖5。

2.選擇需要采樣的信號(hào)，這里就是單片機(jī)6路PWM波形的輸出引腳，將其接入邏輯分析儀的通道1(Input 1)至通道6(Input 6)，并且把通道的名字改為Utop、Ubottom、Vtop、Vbottom、Wtop、WBottom，分別代表三路輸出的上下橋臂。

3.將邏輯分析儀和電腦USB口連接，windows會(huì)識(shí)別該設(shè)備，并在屏幕右下角顯示USB設(shè)備標(biāo)識(shí)。

軟件使用

1.運(yùn)行Saleae軟件，此時(shí)邏輯分析儀的硬件已經(jīng)與電腦相連，軟件會(huì)顯示[Connected]。

2.設(shè)置采樣數(shù)量和速度，PWM的頻率為15kHz，這里設(shè)置為2M Samples @ 4MHz的速度。

3.設(shè)置觸發(fā)條件，默認(rèn)“----”就可以了。

4.按“start”按鈕，開始采樣。

數(shù)據(jù)分析

采樣結(jié)束后，可以看到波形，見圖6。典型的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM是互補(bǔ)型的，即一組信號(hào)的上下兩個(gè)波形的狀態(tài)是相反的，分別控制這組橋臂上下兩個(gè)開關(guān)管的狀態(tài)，避免同時(shí)導(dǎo)通造成短路，見圖7。

將鼠標(biāo)放在波形上，連續(xù)點(diǎn)擊左鍵，實(shí)現(xiàn)zoom in功能。見圖8。在UBottom的下降沿和UTop的上升沿放置標(biāo)記線，在右下角的顯示框中，可以看到T2-T1=2.25μs，這就是先關(guān)斷后打開的時(shí)間差，專業(yè)上稱為“死區(qū)時(shí)間”(DeadTIme)。另外，還可以看到PWM的寬度45.5μs，周期66.6μs，占空比31.6%，頻率 15.0376kHz等信息。這就是一個(gè)典型的三相電機(jī)變頻器的SVPWM波形。

以上兩個(gè)例子，簡單介紹了邏輯分析儀的使用，希望能對(duì)廣大愛好者有所幫助和啟發(fā)。

邏輯分析儀主要應(yīng)用在哪些場合：

邏輯分析儀一般用于較專業(yè)的數(shù)字邏輯分析，一般在如下四種場合較多

(1)調(diào)試并檢驗(yàn)數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行;

(2)同時(shí)跟蹤并使多個(gè)數(shù)字信號(hào)相關(guān)聯(lián);

(3)檢驗(yàn)并分析總線中違反時(shí)限的操作以及瞬變狀態(tài);

(4)跟蹤嵌入軟件的執(zhí)行情況。

邏輯分析儀中重視的參數(shù)主要采樣頻率、通道數(shù)、存儲(chǔ)深度、支持協(xié)議分析種類等。

邏輯分析儀和示波器的區(qū)別：

從電壓等級(jí)顯示來看，邏輯分析儀只能觀察信號(hào)的高低電平(邏輯電平)，而示波器能觀察到信號(hào)的具體電壓大小;

從輸入通道數(shù)來看，邏輯分析儀可輕易實(shí)現(xiàn)多通道(16或個(gè)呢更多)同時(shí)測量，方便對(duì)并行信號(hào)進(jìn)行分析。而示波器最多也就實(shí)現(xiàn)4通道同時(shí)測量;

相對(duì)來說，邏輯分析儀的應(yīng)用更偏向于數(shù)字電路的時(shí)序邏輯分析，并不關(guān)注信號(hào)本身的波形結(jié)構(gòu);而示波器雖能測量整個(gè)信號(hào)的波形，從中分析出信號(hào)的異常和干擾，但無法長時(shí)間、多通道記錄信號(hào)的時(shí)序邏輯，在分析時(shí)序邏輯方面能力較弱。

雖然目前邏輯分析儀和示波器在測試原理上還是差別較大的，但隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，這兩者的功能將會(huì)漸漸重合，直至兩者合二為一變成一種儀器。