逻辑分析仪的工作原理解析

1.基本原理

逻辑分析仪的组成结构如图5-17所示，它主要包括数据捕获和数据显示两大部分。逻辑分析仪一般采用先进数据采集并存储，然后进行数据分析显示方式。

图5-17 逻辑分析仪原理结构

数据捕获部分包括信号输入、比较采样、触发控制、数据存储和时钟电路等。外部被测信号通过探头送到信号输入电路，在比较器中与设定的门限电压进行比较，大于几门限电压值的信号为高电平，反之为低电平。采样电路在采样时钟（外时钟或内时钟）控制下对信号进行采样，并将数据流送到触发模块中，产生触发信号。数据存储电路在触发信号的作用下进行相应的数据存储控制。数据捕获完成后，由分析显示电路将存储的数据处理之后，以适当方式显示出来。

2.触发方式

逻辑分析仪主要是用于定位系统运行出错时的特定波形数据，通过观察该波形数据来推断该系统出错的原因，从而有针对性地找出解决该错误的方案。

运用逻辑分析仪定位出错波形数据的方法主要有两种方式：一种是通过抓取运行过程中大量的数据，然后在这些数据中通过其他方法来查找出错误点的位置，该方法费时费力，而且受制于逻辑分析仪存储容量，并不一定每次都可以捕捉到目标波形数据；另一种是通过触发的方式在特定波形数据到来时开始捕捉数据，从而精准地定位目标波形数据。

用于触发的数据字也称触发字，一般有以下七种触发方式。

（1）组合触发

组合触发也称基本触发，即将逻辑分析仪各通道的信号与各通道预置的触发字进行比较，当一一对应的各位相同时，则产生触发信号。

这一功能的设置，可以在复杂的数据流中观察、分析某些特定的数据块。如选择“JMP（转移）”指令在数据线上出现的时刻作为触发条件，就可以使逻辑分析仪跟踪JMP指令，监视程序的转移，方便了数字系统的故障诊断。

（2）手动触发

在测量时，利用手动触发方式可以在任何时候加以触发或强制显示测量数据。

（3）延迟触发

延迟触发即在触发产生时不立即跟踪，而是经过一段时间的延迟才跟踪。在故障诊断中，常希望既能观察触发点前的信息，又能观察触发点后的信息，所以在延迟触发方式中专门设置了一个数字延迟电路。当捕获到触发字后，延迟一段时间再进行数据采集，则存储器中存储的数据包括了触发点前后的数据。延迟触发应与起始触发方式和终止触发方式配合使用。

（4）序列触发

序列触发是为了检测复杂分支程序而设计的一种重要触发方式。它由多个触发字按预先确定的关系排列，只有当被测试的程序按触发字的先后次序出现时，才能产生一次触发。图5-18为四级序列触发过程示意图。

（5）限定触发

限定触发是对设置的触发字加限定条件的触发方式。如有时选定的触发字在数据流中出现较为频繁，为了有选择地捕捉、存储和显示特定的数据流，可以附加一些约束条件。这样，只要数据流中未出现这些条件，即使触发字频繁出现，也不能进行有效地触发。图5-19为限定触发信号产生原理图。

图5-18 四级序列触发过程示意图

图5-19 限定触发信号产生原理图

（6）计数触发

采用计数的方法，当计数值达到预置值时才产生触发。在较复杂的软件系统中有嵌套循环时，常用计数触发对循环进行跟踪。

（7）毛刺触发(https://www.xing528.com)

毛刺触发是利用滤波器从信号中取出一定宽度的干扰脉冲作为触发信号，然后存储毛刺出现前后的数据流，以利于观察和寻找由于外界干扰而引起的数字电路误动作的现象和原因。

现代逻辑分析仪还有其他一些触发方式。随着数字系统及微机系统的发展，对逻辑分析仪的触发方式提出了越来越高的要求，新的触发方式也会出现。在使用时，应注意正确选择触发方式。

3.逻辑分析仪的功能

大多数逻辑分析仪实际上是由定时分析仪和状态分析仪组成的。

（1）定时分析

定式分析也称为异步时序分析，一般用于硬件系统的测试。在逻辑分析仪内部高速采样时钟的驱动下，对输入信号进行异步数据采样，采样的数据用方波的形式进行显示。逻辑分析仪在内部高速时钟的驱动下对信号输入进行异步采样，其测量结果用于分辨相关信号间的时序关系，例如建立时间、保持时间、协议应答等。根据采样定理，内部采样时钟要高于被测信号最高频率的3倍以上才能正确的采样数据。内部采样时钟频率越高，定时分辨率就越高，精确度也越高，时序关系就越精准。

（2）状态分析

状态分析也称为同步时序分析，一般用于对系统软件进行测试。在外部同步时钟的驱动下，逻辑分析仪对输入信号进行同步数据采样显示的时候，用二进制码或配合软件用映射图或反汇编成助记符。由于采集到的状态数据与被测信号数据流状态完全一致，因此可以用于直接观测程序的源代码。

（3）跳变定时

如果要对一个长时间没有变化的采样并保存数据，跳变定时能有效地利用存储器。使用跳变定时，定时分析只保存信号跳变后采集的样本，以及上次跳变的时间。

（4）毛刺捕获

数字系统中，毛刺是令人头疼的问题，某些定时分析仪具有毛刺捕获和触发能力，可以很容易地跟踪难以预料的毛刺。定时分析可以对输入数据进行有效地采样，跟踪采样时产生的任何跳变，从而容易识别毛刺。在定时分析中，毛刺的定义是：采样间穿越逻辑阈值多次的任何跳变。显示毛刺是一种很有用的功能，有助于对毛刺触发和显示毛刺产生前的数据，从而帮助确定毛刺产生的原因。

4.逻辑分析仪的主要技术指标

（1）逻辑分析仪的通道数

在需要逻辑分析仪的地方，要对一个系统进行全面的分析，就应当把所有应当观测的信号全部引入逻辑分析仪当中。这样，逻辑分析仪的通道数应当至少是：

被测系统的字长（数据总线数）+被测系统的控制总线数+时钟线数

这样对于一个8位机系统，就至少需要34个通道。目前，市场上主流产品的通道数已高达340通道。

（2）定时采样速率

在定时采样分析时，要有足够的定时分辨率，就应当有足够高的定时分析采样速率，但是并不是只有高速系统才需要高的采样速率。现在的主流产品的采样速率高达2GS/s，在这个速率下，可以看到0.5ns时间上的细节。

（3）状态分析速率

在状态分析时，逻辑分析仪采样基准时钟就用被测试对象的工作时钟（逻辑分析仪的外部时钟），这个时钟的最高速率就是逻辑分析仪的高状态分析速率，即该逻辑分析仪可以分析的系统最快的工作频率。现在的主流产品的定时分析速率在300MHz，最高可达500MHz以上。

（4）逻辑分析仪的每通道的记录长度

逻辑分析仪的内存是用于存储它所采样的数据，以用于对比、分析、转换（例如将其所捕捉到的信号转换成非二进制信号）。

（5）逻辑分析仪的测试夹具

逻辑分析仪通过探头与被测器件连接，测试夹具起着很重要的作用。测试夹具有很多种，如飞行头和苍蝇头等。