什么是邏輯分析儀？邏輯分析儀的參數(shù)、使用步驟和優(yōu)勢
由于電路的發(fā)展是從模擬發(fā)展到數(shù)字這樣的過程，因此測量工具的發(fā)展也遵循了這個順序。現(xiàn)在提到測量，首先我們想到的是示波器，尤其是一些老工程師，他們對示波器的認知度非常高。而邏輯分析儀是一種新型測量工具，是隨著單片機技術發(fā)展而發(fā)展起來的，非常適合單片機這類數(shù)字系統(tǒng)的測量分析，而通信方面的分析中，比示波器要更加方便和強大。
一個待測信號使用10MHZ采樣率的邏輯分析儀去采集的話，假如閾值電壓是1.5V，那么在測量的時候，邏輯分析儀就會每100ns采集一個樣點，并且超過1.5V認為是高電平(邏輯1)，低于1.5V認為是低電平(邏輯0)。而后呢，邏輯分析儀會用描點法將波形連起來，工程師就可以在這個連續(xù)的波形中查看到邏輯分析儀還原的待測信號，從而查找異常之處。
邏輯分析儀和示波器都是還原信號的，示波器前端有ADC，再加上還原算法，可以實現(xiàn)模擬信號的還原。而邏輯分析儀只針對數(shù)字信號，不需要ADC，不需要特殊算法，就用Z簡單的連點就可以了。此外，示波器往往是臺式的，波形顯示在示波器本身的顯示屏上，而邏輯分析儀當前大多數(shù)是和PC端的上位機軟件結合的，在電腦上直接顯示波形。如圖1所示，是一款邏輯分析儀的實物圖，采樣率為500M，16個通道，采樣深度硬件深度為32M，經(jīng)過壓縮算法，Z多可以實現(xiàn)每通道5G的存儲深度，圖2是邏輯分析儀的上位機軟件。
圖1 邏輯分析儀實物圖
圖2 邏輯分析儀上位機軟件
1、邏輯分析儀的參數(shù)
邏輯分析儀有三個重要參數(shù)：閾值電壓、采樣率和采樣深度。
閾值電壓：區(qū)分高低電平的間隔。邏輯分析儀和單片機都是數(shù)字電路，它在讀取外部信號的時候，多高電壓識別成高電平，多高電壓識別成低電平是有一D限制的。比如一款邏輯分析儀，閾值電壓是：0.7~1.4V，那么當它采集外部的數(shù)字電路信號的時候，高于1.4V識別為高電平，低于0.7V識別為低電平。
采樣率：每秒鐘采集信號的次數(shù)。比如一個邏輯分析儀的Z大采樣率是100M，那么也就是說他一秒鐘可以采集100M個樣點，即每10ns采集一個樣點，并且高于閾值電壓的認定為高電平，低于閾值電壓的認定為低電平。我們前邊學UART通信的時候?qū)W過每一位都會讀取16次，而邏輯分析儀的原理也是類似的，就是在超頻讀取。你信號是1M的頻率，我用100M的采樣率去采集，那么一個信號周期我就可以采集100次，Z后用我們小學學過的描點法把采集到的樣點連起來，就會還原出信號，當然100倍采樣率的脈寬誤差大概是百分之一。根據(jù)奈奎斯特定律來說，采樣率必須是信號頻率的2倍以上才能還原出信號，因為邏輯分析儀是數(shù)字系統(tǒng)，算法簡單，所以Z低也是4倍于信號的采樣率才可以，一般選擇10倍左右效果就比較好了。比如你的信號頻率是10M，那么你的邏輯分析儀采樣率Z低也得是40M的采樣率，Z好能達到100M，提高精確度。
存儲深度：我們剛才講了采樣率，那采集到的高電平或者低電平信號，我們要有一個存儲器存儲起來。比如我們用100M采樣率，那么1秒就會產(chǎn)生100M個狀態(tài)樣點。一款邏輯分析儀能夠存儲多少個樣點數(shù)，這是邏輯分析儀很重要的一個指標。如果我們的采樣率很高，但是存儲的數(shù)據(jù)量很少，那也沒有多大意義，邏輯分析儀可以保存的Z大樣點數(shù)就是一款邏輯分析儀的存儲深度。通常情況下，數(shù)據(jù)采集時間=存儲深度/采樣率。
此外，邏輯分析儀還有輸入阻抗和耐壓值等幾個簡單參數(shù)。所有的邏輯分析儀的通道上，都是有等效電阻和電容的，由于測量信號的時候分析儀通道是并聯(lián)在通道上的，所以分析儀的輸入阻抗如果太小，電容過大，就會干擾到我們線上的信號。理論上來講，阻抗越大越好，電容越小越好。通常情況下，邏輯分析儀的阻抗都在100K以上，電容都在10pf左右。所謂的耐壓值，就是說如果你測量超過這個電壓值的信號那么分析儀就可能被燒壞，所以測量的時候必須要注意這個問題。
2、邏輯分析儀的使用步驟
1、硬件通道連接。首先我們要把邏輯分析儀的GND和待測板子的GND連到一起，以保證信號的完整性。然后把邏輯分析儀的通道接到待測引腳上，待測引腳可以用多種方式引出來。
2、通道數(shù)設置。一般情況下，大多數(shù)邏輯分析儀有8通道、16通道、32通道等數(shù)目。而我們采集信號的時候，往往用不到那么多通道，為了我們更清晰的觀察波形，可以把用不到的通道隱藏起來。
3、采樣率和采樣深度設置。首先要對待測信號Z高頻率有個大概的評估，把采樣率設置到它的10倍以上，還要大概判斷一下我們要采集的信號的時間長短，在設置采樣深度的時候，盡量設置的有一D的余量。采樣深度除以采樣率，得到的就是我們可以保存信號的時間。
4、觸發(fā)設置。由于邏輯分析儀有深度限制，不可能無限期的保存數(shù)據(jù)。當我們使用邏輯分析儀的時候，如果沒有采用任何觸發(fā)設置的話，從開始抓取就開始計算時間，一直到存滿我們設置的存儲深度后，抓取就停止。在實際操作過程中，開始抓取的一段信號可能是無用信號，有用信號可能就是其中一段，但是無用信號還占據(jù)了我們的存儲空間。在這種情況下，我們就可以通過設置觸發(fā)來提高存儲深度的利用率。比如我們?nèi)绻胱トART串口信號，而串口信號平時沒有數(shù)據(jù)的時候是高電平，因此我們可以設置一個下降沿觸發(fā)。從點擊開始抓取，邏輯分析儀不會把抓到的信號保存到我們的存儲器中，而是會等待一個下降沿的產(chǎn)生，一旦產(chǎn)生了下降沿，才開始進行真正的信號采集，并且把采集到的信號存儲到存儲器中。也就是說，從點擊開始抓取到下降沿這段時間內(nèi)的無用信號，被我們所設置的觸發(fā)給屏蔽掉了，這是一個非常實用的功能。
5、抓取波形。邏輯分析儀和示波器不同，示波器是實時顯示的，而邏輯分析儀需要點擊開始，開始抓取波形，一直到存儲滿了我們所設置的存儲深度結束，然后我們可以慢慢的去分析我們抓到的信號，因此點擊“開始抓取”這個是必須要有的。
6、設置協(xié)議解析(標準協(xié)議)。如果你抓取的波形是標準協(xié)議，比如UART、I2C、SPI這種協(xié)議，邏輯分析儀一般都會配有專門的解碼器，可以通過設置解碼器，不僅僅像示波器那樣把波形顯示出來，還可以直接把數(shù)據(jù)解析出來，以十六進制、二進制、ASCII碼等各種形式顯示出來。
7、數(shù)據(jù)分析。和示波器類似，邏輯分析儀也有各種測量標線，可以測量脈沖寬度，測量波形的頻率，占空比等信息，通過數(shù)據(jù)分析，查找我們的波形是否符合我們的要求，從而幫助我們解決問題。
3、UART、I2C、SPI舉例介紹
我們使用LA5016邏輯分析儀抓取串口通信數(shù)據(jù)、I2C和SPI的數(shù)據(jù)界面。
首先，我把邏輯分析儀的GND和我們的KST-51開發(fā)板的GND接起來，隨便找一個通道，比如用通道3和板子的P3.1引腳接起來。然后讓單片機以2400的波特率、無校驗的方式發(fā)送幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)。由于UART通信平時默認是高電平，當數(shù)據(jù)來的時候，會先出現(xiàn)一位起始位，因此我們把觸發(fā)方式設置成下降沿觸發(fā)。而后我們要設置一下采樣率和采樣深度，因為我們的信號是2400波特率的，采樣率超過1M就很準了，抓幾個字節(jié)，采樣深度也要求不高，我們干脆都設置成1M，那么總的采集時間計算下來就是1秒。點擊Start按鈕，這個時候，邏輯分析儀還沒有開始采集，因為它要等待一個下降沿產(chǎn)生才開始采集信號。我們讓單片機發(fā)送串口通信數(shù)據(jù)，邏輯分析儀就會開始抓取信號，抓到的信號會直接顯示在對應軟件的界面上，如圖3所示。
圖3 抓取UART信號
點擊右側Analyzers右側的加號，選UART通信協(xié)議，進入配置界面，將波特率改成2400，無校驗位，選擇通道2，點擊OK，就可以直接把數(shù)據(jù)解析出來，如圖4所示。
圖4 UART數(shù)據(jù)解析
當我們設置好串口通信選項后，點擊OK，直接就會在我們的通道上把十六進制顯示在波形上邊的懸浮圖上，如果要顯示其他進制的數(shù)字，還可以點擊UART右側的那個小圓圈，點擊顯示為其他格式，包括二進制、ASCII、十進制都可以顯示出來。此外，如果我們的數(shù)據(jù)量很大，解析出來后想要用文本形式顯示，也可以點擊那個小圓圈，點擊輸出選項，就可以把數(shù)據(jù)導出為txt格式，如圖5所示。
圖5 數(shù)據(jù)導出
圖5中的Time就是這個信號發(fā)生時間，Value就是解碼值，Parity是校驗，如果數(shù)據(jù)錯誤也會在后邊提示錯誤，這個功能是不是很酷呢？
同樣的方法，我們也可以去抓取和解析I2C和SPI的信號數(shù)據(jù)。I2C和SPI都不是一條線，比如I2C一個引腳是SCL，一個引腳是SDA，我們用我們分析儀的通道3接到SCL上，通道4接到SDA上，也可以將數(shù)據(jù)抓出來并且解析出來，其中SDA懸浮的就是解析的數(shù)字，如圖6所示。
圖6 I2C數(shù)據(jù)解析
而SPI是4線的，大家在使用的時候，尤其要注意配置CPOL和CPHA的值，如果這兩個值配置的不對，或者是解析不出來數(shù)據(jù)，或者是解析的數(shù)據(jù)是錯誤的數(shù)據(jù)。解析出來的波形數(shù)據(jù)分別懸浮在MOSI和MISO的通道上面，如圖7所示。
圖7 SPI數(shù)據(jù)解析
4、邏輯分析儀測量數(shù)字電路比示波器的優(yōu)勢
示波器是專業(yè)測量模擬信號的，而測量分析數(shù)字信號，邏輯分析儀比示波器強大許多，主要有以下幾個方面。
1、測量數(shù)字信號時，示波器通�？梢杂脕碛^察有沒有信號或者是信號的質(zhì)量如何，邏輯分析儀主要用來分析信號高低電平時序時間，以及通信的是什么數(shù)據(jù)。
2、邏輯分析儀通道數(shù)通常比示波器多。示波器常見有單通道、雙通道和四通道。而邏輯分析儀常見有8通道、16通道、32通道或者更多，測量多個信號運行狀態(tài)，尤其是并行數(shù)據(jù)，通道Z夠多才能把所有的通道測量分析出來。
3、具有延遲能力，可以保存更長時間的數(shù)據(jù)。示波器是實時顯示的，實際上他只能顯示其中一小段數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)快速刷新，帶來的缺點就是存儲深度很低。而邏輯分析儀有較大的存儲深度，可以保存大量的數(shù)據(jù)，而后一點點進行分析。
4、具有多種靈活的觸發(fā)功能，可以實現(xiàn)對欲獲取的數(shù)據(jù)進行挑選，對系統(tǒng)運行中的程序段進行調(diào)試。示波器通常只有上升沿、下降沿和電壓設置的觸發(fā)，而邏輯分析儀不僅僅有上升沿和下降沿觸發(fā)，還可以設置并行數(shù)據(jù)等更復雜的觸發(fā)。
5、具備強大的數(shù)據(jù)解析能力。對于一些復雜的協(xié)議，示波器顯示的是波形，而邏輯分析儀可以直接把十六進制數(shù)據(jù)解析出來。除了我們前邊講過的三種協(xié)議外，現(xiàn)在很多邏輯分析儀都具備幾十種協(xié)議解析器，可以方便的顯示出解析的數(shù)據(jù)，并且解析出來的數(shù)據(jù)可以顯示成為ASCII碼、二進制、十進制、十六進制等等，方便直觀。
6、可以將抓到的波形以CSV等格式導出提供給第三方工具，比如matlab進行時域分析。
在模擬時代，示波器有著不可替代的優(yōu)勢，但是步入數(shù)字世界，邏輯分析儀擁有更強大的功能，可以稱之為分析數(shù)字通信的利器。
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