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，同時對多條數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)流進行觀察和測試的儀器，這種儀器對復雜的數(shù)字系統(tǒng)的測試和分析十分有效。邏輯分析儀是利用時鐘從測試設備上采集和顯示數(shù)字信號的儀器，最主要作用在于時序判定。由于邏輯分析儀不像示波器那樣有許多電壓等級，通常只顯示兩個電壓(邏輯1和0)，因此設定了參考電壓后，邏輯分析儀將被測信號通過比較器進行判定，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鐘從測試設備上采集和顯示數(shù)字信號的儀器，最主要的作用在于時序判定。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)。在設置了參考電壓后，邏輯分析儀將采集到的信號與電壓比較器比較，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以時間順序顯示為連續(xù)的高低電平波形，便于使用者進行分析和調(diào)試。使用邏輯分析儀，可以方便地設置信號觸發(fā)條件開始采樣，分析多路信號的時序，捕獲信號的干擾毛刺，也可以按照規(guī)則對電平序列進行解碼，完成通信協(xié)議分析。

邏輯分析儀根據(jù)其硬件設備的功能和復雜程度，主要分為獨立式(單機型)邏輯分析儀和基于電腦(PC-Base)的虛擬邏輯分析儀兩大類。獨立式邏輯分析儀是將所有的軟件，硬件整合在一臺儀器中，使用方便。虛擬邏輯分析儀則需要結(jié)合電腦使用，利用PC強大的計算和顯示功能，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深度，但昂貴的價格也不是個人所能承受的。作為工程師手頭常備的開發(fā)工具，目前有許多入門級的邏輯分析儀設計，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現(xiàn)特定的功能，也是非常成功的設計。本文以下討論的邏輯分析儀，主要是指這類入門級設計。

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，這類設計已經(jīng)成為明日黃花，僅僅還具有原理學習的價值。

另一類的邏輯分析儀，是以低速單片機為基礎的。很多愛好者用PIC、AVR等常見單片機設計了自己的作品。但這類單片機邏輯分析儀的共同弱點就是采樣速度太慢，通常不超過1MHz。

以USB IO芯片為基礎的入門級邏輯分析儀現(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USB IO芯片，例如CYPRESS公司的CY7C68013A-56PVXC，所有的信號觸發(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，因為所有的數(shù)據(jù)都是存儲在電腦里的。目前一般最多是8個通道，更多的通道數(shù)量會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，價格便宜，是調(diào)試單片機開發(fā)工作的好工具。它的缺點主要是采樣速度只有24MHz、8個通道，對于分析高速并行總線就不能勝任了。更進一步的設計，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，簡單介紹它的特點和使用方法。

先介紹用邏輯分析儀采樣單片機對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與目標板的GND連接，讓二者共地。

2.選擇需要采樣的信號，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會識別該設備，并在屏幕右下角顯示USB設備標識。

軟件使用

1.運行Saleae軟件，此時邏輯分析儀的硬件已經(jīng)與電腦相連，軟件會顯示[Connected]。

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

3.設置協(xié)議，點右上角的“OpTIons”按鈕，找到analyzer1，設置為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。由于我們設置了是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。單片機對 AT24C16進行寫入操作，在0x00地址處寫入10000等數(shù)字。波形起始是“start”信號，然后依次是AT24C16的標識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。

將鼠標放在波形上，點擊左鍵，實現(xiàn)zoom in功能。結(jié)果見圖3，在“start”條件后，在SCL的8個連續(xù)脈沖的高電平處，SDA對應的信號為10100010，即0xA2，第9個脈沖高電平處為0，是ACK標志。

以上簡單介紹了用邏輯分析儀進行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驅(qū)動器的6路PWM波形。

硬件連接

1.先將邏輯分析儀的GND與目標板的GND連接，讓二者共地，見圖5。

2.選擇需要采樣的信號，這里就是單片機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會識別該設備，并在屏幕右下角顯示USB設備標識。

軟件使用

1.運行Saleae軟件，此時邏輯分析儀的硬件已經(jīng)與電腦相連，軟件會顯示[Connected]。

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

3.設置觸發(fā)條件，默認“----”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。典型的三相電機驅(qū)動PWM是互補型的，即一組信號的上下兩個波形的狀態(tài)是相反的，分別控制這組橋臂上下兩個開關管的狀態(tài)，避免同時導通造成短路，見圖7。

將鼠標放在波形上，連續(xù)點擊左鍵，實現(xiàn)zoom in功能。見圖8。在UBottom的下降沿和UTop的上升沿放置標記線，在右下角的顯示框中，可以看到T2-T1=2.25μs，這就是先關斷后打開的時間差，專業(yè)上稱為“死區(qū)時間”(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。這就是一個典型的三相電機變頻器的SVPWM波形。

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

邏輯分析儀主要應用在哪些場合：

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)試并檢驗數(shù)字系統(tǒng)的運行;

(2)同時跟蹤并使多個數(shù)字信號相關聯(lián);

(3)檢驗并分析總線中違反時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：

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

從輸入通道數(shù)來看，邏輯分析儀可輕易實現(xiàn)多通道(16或個呢更多)同時測量，方便對并行信號進行分析。而示波器最多也就實現(xiàn)4通道同時測量;

相對來說，邏輯分析儀的應用更偏向于數(shù)字電路的時序邏輯分析，并不關注信號本身的波形結(jié)構(gòu);而示波器雖能測量整個信號的波形，從中分析出信號的異常和干擾，但無法長時間、多通道記錄信號的時序邏輯，在分析時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，但隨著電子技術的飛速發(fā)展，這兩者的功能將會漸漸重合，直至兩者合二為一變成一種儀器。