数字设计使用的逻辑分析仪基础知识

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工程师需要同时查看16位计数器的输入和输出，以确定定时误差，但如果只有一台2通道示波器，怎样查看这些信号呢?工程师刚刚为装满数字电路的电路板开发出定时图，该怎样检验它们呢?使用什么仪器捕获和分析这些信号呢?

如果使用的工具不当，那么解决这类问题可能要耗费大量的时间。对上面的问题，逻辑分析仪是最好的解决方案。本文快速考察了逻辑分析仪基础知识，介绍了逻辑分析仪的功能。

选择示波器还是逻辑分析仪

在选择使用示波器还是使用逻辑分析仪时，许多工程师会选择示波器。但是，示波器在某些应用中的用途有限。根据用户要完成的工作，逻辑分析仪可能会得到更实用的信息。

什么时候使用示波器

・在需要查看信号上小的电压偏移时；

・在需要较高的时间间隔精度时。

什么时候使用逻辑分析仪

・在需要一次查看多个信号时；

・在需要以与硬件相同的方式查看系统中的信号时，

・在需要触发多条线路上的逻辑高和低码型、查看结果。

在系统中的信号越过单个门限时，逻辑分析仪的反应方式与逻辑电路相同，它识别信号是高还是低，它还可以触发这些信号中的逻辑高和低码型。一般来说，在需要查看的线路数量高于示波器能够显示的数量时，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。在工程师过了设计的参数阶段、希望了解多个信号之间的定时关系及需要触发由逻辑高和低组成的码型时，应使用逻辑分析仪。

什么是逻辑分析仪

大多数逻辑分析仪是两种分析仪组合在一起的仪器：第一部分是定时分析仪，第二部分是状态分析仪。

定时分析仪基础知识

定时分析仪显示信息的方式在整体上与示波器相同，横轴表示时间，竖轴表示电压幅度。由于这两种仪器上的波形都与时间相关，因此可以说其显示画面都位于时域中。

选择正确的采样方式

定时分析仪与数字示波器类似，都是1位的垂直分辨率。1位的分辨率只允许显示两种状态，即高或低。它只关注用户自定义的电压门限。如果在采样时信号高于门限，那么分析仪将显示为高或1。如果在采样时信号低于门限，那么分析仪将显示为低或0。从这些样点中，将生成由1和0组成的列表，这表示输入波形的1位图片。这个列表存储在存储器中，还用来重建输入波形的1位图片，如图1所示。

一般来说，定时分析仪会使一切变方，这似乎限制了其用途。如果需要同时检验多条线路或数百条线路中的定时关系，那么应使用定时分析仪。

跳变采样

在具有数据突发的输入线路上捕获数据时，如图2所示，必须把采样率调节到高分辨率(如4ns)，以便在开始时捕获快速脉冲。这意味着4K(4096个样点)存储器的定时分析仪会在16.4μs后停止采集数据，工程师将不能捕获第二个数据突发。

在典型的调试工作中，将在长时间内对数据采样，并存储数据，在这段时间内可能会没有信号活动。这会用尽逻辑分析仪的存储器，但不能提供进一步信息。如果已经知道什么时候发生跳变及跳变是正还是负，那么可以解决这个问题。这些信息构成了跳变定时的依据，可以有效利用存储器。

为实现跳变定时，可以在定时分析仪输入上与计数器一起使用“跳变检测器”。定时分析仪现在只存储跳变前的样点，即从最后一个跳变起经过的时间。这种方法每个跳变只允许使用两个存储位置，如果输入上没有活动，那么不占用存储器。

在我们的实例中，根据每个突发存在的脉冲数量，可以捕获第二个、第三个、第四个和第五个脉冲。同时，我们可以把定时分辨率保持在高达4ns(图3)。

毛刺捕获

毛刺有一个坏毛病，就是它会在最不适合的时间显示最具灾难性的结果。定时分析仪对进入数据采样、追踪样点之间发生的任何跳变，可以随时识别毛刺。在分析仪中，毛刺定义为样点之间越过逻辑门限一次以上的任何跳变。为识别毛刺，系统会“告诉”分析仪追踪所有多个跳变，把它们显示为毛刺。

显示毛刺是一个非常实用的功能，同时它也有助于触发毛刺，显示毛刺前发生的数据。这可以帮助确定是什么因素导致了毛刺。通过这一功能，分析仪还可以只在希望时，也就是毛刺发生时捕获数据。

例如，由于其中一条线路上出现毛刺，而导致某个系统周期性瘫痪。由于发生频次不高，存储所有时间的数据(假设有足够的存储能力)会产生数量惊人的、需要分类的信息。另一种方案是使用没有毛刺触发功能的分析仪，把分析仪放在系统前面，按运行按钮，一直等到毛刺出现。

触发定时分析仪

逻辑分析仪连续捕获数据，在找到追踪点之后停止采集。因此，逻辑分析仪可以显示追踪点之前的信息(这称为负时间)以及追踪点后面的信息。

码型触发

在定时分析仪上设置追踪指标与在示波器上设置触发电平和跳变沿有很大区别。许多分析仪触发输入线中由高和低组成的码型。为使某些用户操作起来更加容易，大多数分析仪上的触发点可以使用二进制(1和0)、十六进制、十进制、ASCII或小数设置。在考察宽4位、8位、16位、24位或32位的总线时，特别适合使用十六进制设置触发点。可以想象，使用二进制设置24位总线的指标会非常麻烦。

边沿触发

在调节示波器上的触发电平旋钮时，可以视之为设置电压比较器的电平，告诉示波器在输入电压越过该电平时触发采集。定时分析仪的工作方式与边沿触发基本相同，但触发电平预置成逻辑门限。尽管许多逻辑设备与电平相关，但这些设备的时钟信号和控制信号通常对边沿敏感。通过边沿触发，用户可以在设备输入时钟时开始捕获数据。在时钟边沿(上升或下降)发生时，分析仪可以捕获数据，捕捉位移寄存器的所有输出。在这种情况下，必须延迟追踪点，考虑通过位移寄存器传播时的时延。

状态分析仪基础知识

如果工程师从未使用过状态分析仪，他可能会认为这是一种异常复杂的仪器，需要大量的时间才能掌握其使用方法。事实上，许多硬件设计人员都认为状态分析仪是一种非常重要的工具。

什么时候使用状态分析仪

逻辑电路的“状态”是指数据有效时总线或线路的某个样点。以简单的“D”触发电路为例。只有在正向时钟边沿出现时，“D”输入上的数据才会有效。因此，触发器的状态是正时钟边沿发生的时候。假设同时有八个这样的触发器，所有触发器都连接到同一个时钟信

号上。在时钟线路上发生正跳变时，所有八个触发器将捕获“D”输入上的数据。每次时钟线路上有正跳变时，状态会再次发生。这八条线路类似于一条微处理器总线。如果把一台状态分析仪连接到这八条线路上，告诉状态分析仪在时钟线路上出现正跳变叫采集数据，那么分析仪将采集数据。状态分析仪将不会捕获输入上的任何活动，除非时钟变高。定时分析仪有一个内部时钟控制采样，因此它以异步方式对被测系统采样。状态分析仪以同步方式对系统采样，因为它从系统中获得采样时钟。状态分析仪一般以列表格式显示数据，定时分析仪则作为波形圈显示数据。

了解时钟

在定时分析仪中，采样由单个内部时钟控制，因此操作非常简单。但在微处理器领域中，一个系统可能会有多个时钟。假设工程师希望触发RAM中的某个地址，查看这个地址中存储的数据。假设系统使用Zilog Z80。为使用状态分析仪从Z80中捕获地址，必须在MREQ线路变低时捕获。而为捕获数据，分析仪应在写入周期(WR)线路变低或在读取周期(RD)变低时采样。某些处理器复用同一条线路上的数据和地址。分析仪必须能够从同一线路、但从不同时钟中输入时钟信息。

在读取或写入周期中，Z80先把个地址放在地址总线上，然后确认MREQ，表明这个地址对存储器读取或写入是有效的。最后，确认RD或WR线路，具体视操作是读取还是写入而定。只有任总线上的数据有效后，才确认WR线路。因此，定时分析仪作为解复用器操作，在适当的时间捕获地址，然后捕捉同一线路上发生的数据。

触发状态分析仪

与定时分析仪一样，状态分析仪能够判定希望存储的数据质量。如果在地址总线上查找某个由逻辑高和低绲成的码型，那么在找到码型时，分析仪可以开始存储数据，一直存储到分析仪存储器已满为止。

可以以十六进制或二进制格式显示信息。把十六进制解码成汇编代码可能会更有效。在处理器中，具体的十六进制字符包括一条指令。大多数分析仪制造商设计了称为反汇编程序或反向汇编程序的软件包。这些软件包的工作是转换十六进制代码，使它们阅读起来更容易。

了解序列等级

状态分析仪拥有“序列等级”，协助进行触发和存储。序列等级可以比单个触发点更准确地判定数据存储。这意味着可以准确地缩小数据范围，而不必存储不需要的信息。序列等级通常采用下面的形式：

I find xxxx

else on xxxx go to level x 2then find xxxx

else oil xxxx go to level x 3trigger on xxxx

选择性存储，节约存储容量和时间

选择性存储是指只存储较大的整个数据集合中的部分数据。例如，假设有一个汇编程序，计算某个数值的平方值。如果这个程序没有正确计算平方值，那么用户会告诉状态分析仪捕获该程序。首先，用户要告诉分析仪找到这个程序的起点。在找到开始地址时，它会寻找结束地址，同时存储开始地址和结束地址之间的全部数据。在发现这个程序结束时，分析仪将停止存储(不存储任何状态)。

怎样连接目标系统

前面我们讨论了示波器与定时分析仪和状态分析仪之间的部分区别。在使用这些新工具之前，我们有必要提一下探测系统。逻辑分析仪探头可以把大量的通道简便地连接到目标系统，但这要以降低被测信号的幅度精度为代价。传统上，逻辑分析仪使用有源探头适配夹，适配夹内置信号检测电路，可以检测8条通道的电容，每条通道总共16pF。

探测解决方案

在调试中，到数字系统的物理连接必须可靠、方便，为逻辑分析仪提供准确的数据，而且对被调试的目标系统的插入影响达到最小。常见的探测解决方案是每条电缆16条通道的无源探头。每条通道两端带有100kQ和8pF端子。可以从电气角度最有效地比较无源探头与示波器探头。除体积小、可靠性高以外，无源探测系统的优势在于，探头刚好端接在目标系统的连接点上，从而避免了从较大有源适配夹到被测电路的导线所产生的额外寄生电容。结果，被测电路只“看到”8pF的负荷电容，而不是以前探测系统的16pF负荷电容。

分析探头和其他配件

把状态分析仪连接到微处理器系统上要求一定的机械连接和时钟选择工作。记住，在总线上的数据或地址有效时，必须为状态分析仪输入时钟。对某些微处理器，可能必须使用外部电路解码多个信号，为状态分析仪导出时钟。分析探头不仅为目标系统提供了快速、可靠、正确的机械连接，还提供了必要的电气适配功能，如时钟输入和解复用，以正确捕获系统操作。

小结

本文介绍了逻辑分析仪及其功能；分别讨论了定时分析仪和状态分析仪，因为大多数分析仪由这两大部分组成。这两种分析仪结合在一起，为数字设计人员提供了强大的工具。定时分析仪比较适合处理多条线路的总线结构或应用，它还能够触发多条线路中的码型或毛刺。状态分析仪通常被视为一种软件工具。事实上，它在硬件领域中也有许多用户。由于状态分析仪从被测系统中获得时钟，因此它可以用来在系统时钟上捕捉系统看到的数据。在了解这些基础知识之后，工程师可以使用逻辑分析仪，满怀信心地调试数字设计。