第四讲,,逻辑分析仪基础知识、使用指导和实测剖析
中心议题：
- 逻辑分析仪的工作原理
- 逻辑分析仪的分类和作用
- 逻辑分析仪主要技术指标
- 逻辑分析仪的使用
- 配合使用逻辑分析仪与示波器
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逻辑分析仪是数字设计验证与调试过程中公认最出色的工具，它利用时钟脉冲从测试设备上采集和显示数位信号，能够检验数字电路是否正常工作，帮助查找并排除故障，加快产品面市周期。本讲介绍逻辑分析仪的原理、适用范围和分类，深入解析逻辑分析仪的技术指标与使用步骤，并综合讨论如何将逻辑分析仪与示波器一起使用，以更快和更有效地找出系统中的故障。
一台逻辑分析仪就好像一台数位示波器，不过逻辑分析仪只显示两个电压等级(逻辑状态1和逻辑状态0)而不像示波器的许多电压等级。设定了参考电压后，逻辑分析仪将被测信号通过比较器进行判定，高于参考电压者为High,低于参考电压者为Low，在High与Low之间形成数字波形。一般的示波器只有2个通道或4个通道，而逻辑分析仪可以拥有从16个通道、32个通道、64个通道和上百个通道数不等，因此逻辑分析仪具备同时进行多通道测试的优势。
逻辑分析仪的工作原理
逻辑分析仪首先保存使用者设置的触发条件，然后就利用设置的触发条件在测试的设备上进行取样信号值，并且把撷取到的信号值保存到它内部的内存中，最后逻辑分析仪的软件在从内存中把撷取到的值读出来，处理成波形或者状态量进行显示。简单说，逻辑分析仪的工作过程就是数据采集、存储、触发、显示的过程。下面以分类的方式介绍逻辑分析仪的组成。
逻辑分析仪的分类
逻辑分析仪分为两大类：逻辑状态分析仪和逻辑定时分析仪，大多数逻辑分析仪是两种分析仪组合在一起的仪器。这两类分析仪的基本结构是相似的，主要区别表现在显示方式和定时方式上。
逻辑状态分析仪用字符0、1或助记符显示被检测的逻辑状态，显示直观，可以从大量数码中迅速发现错码，便于进行功能分析。逻辑状态分析仪用来对系统进行实时状态分析，检查在系统时钟作用下总线上的信息状态。它的内部没有时钟发生器，用被测系统时钟来控制记录，与被测系统同步工作，主要用来分析数字系统的软件，是跟踪、调试程序、分析软件故障的有力工具。
逻辑定时分析仪用来考察两个系统时钟之间的数字信号的传输情况和时间关系，它的内部装有时钟发生器。在内时钟控制下记录数据，与被测系统异步工作，主要用于数字设备硬件的分析、调试和维修。
总结一条经验法则：用状态分析仪检查总线上发生了“什么”，而用定时分析仪查看“什么时候”发生。因此，状态分析仪通常用列表方式显示数据，而定时分析仪用波形图显示数据。在逻辑分析仪用波形图显示状态数据，或以列表显示定时数据时，应非常小心，以避免错误地解释数据。
而根据硬件设备设计上的差异，目前市面上逻辑分析仪大致上可分为独立式（或单机型）逻辑分析仪和需结合电脑的PC-based卡式虚拟逻辑分析仪。
关于逻辑分析仪的详细分类以及深入原理介绍，请查看
什么是逻辑分析仪——定时分析仪基础和状态分析仪基础
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什么时候应使用逻辑分析仪
逻辑分析仪能同时捕获和显示数百个信号，分析这些信号的时间关系和逻辑关系；对于调试难以捕获的、间断性故障，某些逻辑分析仪可以检测低频瞬态干扰，以及是否违反建立、保持时间。在软硬件系统集成中，逻辑分析仪可以跟踪嵌入软件的执行情况，并分析程序执行的效率，便于系统最后的优化。另外，某些逻辑分析仪可将源代码与设计中的特定硬件活动相互关联。逻辑分析仪可将源代码与设计中的特定硬件活动相互关联。
一般来说，当需要观察多于示波器通道数的信号线，并且不需要精密的时间间隔信息时，就应使用逻辑分析仪。逻辑分析仪特别适合考察总线上的时间关系或数据，如微处理器地址总线、数据总线或控制总线。它们可以解码微处理器总线上的信息，以有意义的方式表示这些信息。当完成了参数设计阶段，开始关注许多信号间的定时关系和需要在逻辑高和低电平码型上触发时，逻辑分析仪就是正确的工具。
下述情况应使用逻辑分析仪：
①调试并检验数字系统的运行；
②同时跟踪多个数字信号并使之相关联；
③检验并分析总线中违反时限的操作以及瞬变状态；
④跟踪嵌入软件的执行情况；
⑤需要以与硬件相同的方式查看系统中的信号时；
⑥需要触发多条线路上的逻辑高和低码型、查看结果。
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逻辑分析仪的主要技术指标
逻辑分析仪主要的技术指标有：
- 最高采样频率：最高采样频率越高，捕获带宽越高。
- 通道数：通道数越多，能同时捕获的信号数也就越多。
- 存储深度：存储深度越大，能够记录的数据就越多。
- 输入阻抗：输入阻抗越高，对被测信号的影响越小。
- 触发方式：触发方式越多，使用起来越灵活。
其它技术指标还有：触发门限电平范围、是否有协议分析工具等等，这些都决定了逻辑分析仪的性能。逻辑分析仪的技术指标与其使用是紧紧相关的。
逻辑分析仪的使用
使用逻辑分析仪与数字信号相连、捕获数字信号并进行分析，一般有以下4个步骤：
①用逻辑探头与被测系统（DUT）相连；
②设置时钟模式和触发条件；
③捕获被测信号；
④分析与显示捕获的数据。
逻辑分析仪中可以对各种逻辑条件进行触发。触发的目的在于为逻辑分析仪设定什么时候开始捕获数据、捕获哪些数据，使逻辑分析仪跟踪被测电路的逻辑状态，并在被测系统中用户定义的事件处触发。
存储于实时捕获存储器中的数据可用于各种显示和分析模式。一旦数据在系统中存储，它就能够以各种不同的格式查看，如时间波形，与二进制代码等。对于大多数的测试需要，用户都比较习惯于使用总线形式显示捕获的数据，而且，一般的逻辑分析仪可以同时观察几组并行总线，并观察他们之间的数据关系，了解逻辑代码的真正用意。在使用逻辑分析仪观察并行总线时，一般都会先观察同步状态数据，如果状态数据存在问题，在观察异步时钟数据，寻找问题所在。
关于逻辑分析仪的使用的详细步骤指导，请查看：
逻辑分析仪的使用
http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80011334
关于逻辑分析仪的应用指导，请查看：
使用逻辑分析仪调试时序问题
http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80011335
逻辑分析仪在嵌入式系统调试中的应用
http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80011336
实现逻辑分析仪成功探测的6项提示
http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80011337
从事数字硬件电路的设计和维修，不仅会接触到逻辑分析仪，也会接触到示波器。以下讨论如何将这些工具一起使用，以更快和更有效地找出系统中的故障。
有效使用数字工具
现象和成因
在查找数字电路故障时，常常会产生疑问：“产生这些现象的原因是什么? ”也许能很容易确定故障现象，但排除故障还需找到产生这些问题的原因。在许多情况下，现象和成因处在不同的域。例如，存储器控制线上的毛刺造成存储器的不正确读写。这一现象(错误数据)可以在数据域用状态分析仪和在可疑存储器地址上进行触发找到。但其成因却不能在数据域确定。也可能现象是出现在时域(例如I/O 线上的不良握手信号)，而成因却是在数据域(例如错误的软件I/O 例程)
图1. 不同测量域的现象和成因例子
模块间测量
使用多种仪器进行的测量称为“模块间测量”。模块间测量要求把所有的工具集成到一台仪器中，使其能同时捕获数据。图2 示出带有集成示波器显示的逻辑分析仪系统配置菜单。这一设置提供从状态分析中的错误数据到示波器域毛刺的跟踪能力。
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交叉域触发
我们的例子中已谈到针对问题现象的模块触发(状态分析仪，定时分析仪或示波器)。在现象产生时分析仪适当的触发方式立即触发，监视问题产生原因的模块开始捕获数据。这可通过在其它模块触发时授权一个模块实现。作为对完全功能性的要求，每一个模块都应能接收和发送触发信号。传输这些触发信号的总线被称为“模块间总线”，或IMB(图2)。
图2. 系统配置菜单和模块间总线
图3. 设置模块间测量
交叉域时相关
当成功触发所有测量模块并结束了数据捕获后，就需要查看捕获的数据。为建立不同测量域间的相关关系，在同一屏幕上显示两个测量域的数据将是很方便的。但如何建立不同于跟踪点的状态和定时间的相关呢? 应记住定时分析仪使用与系统异步的内部采样时钟，而状态分析仪则对目标系统作同步采样。如果我们对外部状态样本间的时间计数，就能得到从定时分析仪波形任意点关联到状态分析仪列表相应位置的足够时间信息。
应用例子
可在图4中看到用状态分析仪在特定存储器入口上的触发。定时分析仪和示波器都由状态分析仪触发，以提供多个通道的定时信息及少数几个通道的参数信息。应注意可使用光标建立时域(示波器和定时分析仪)和数据域(状态分析仪)间的相关关系。
图4. 交叉域测量
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