什么是邏輯分析儀？邏輯分析儀的參數、使用步驟和優勢
由于電路的發展是從模擬發展到數字這樣的過程，因此測量工具的發展也遵循了這個順序。現在提到測量，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展而發展起來的，非常適合單片機這類數字系統的測量分析，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，可以實現模擬信號的還原。而邏輯分析儀只針對數字信號，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，經過壓縮算法，Z多可以實現每通道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
邏輯分析儀有三個重要參數：閾值電壓、采樣率和采樣深度。
閾值電壓：區分高低電平的間隔。邏輯分析儀和單片機都是數字電路，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。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通信的時候學過每一位都會讀取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字系統，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秒就會產生100M個狀態樣點。一款邏輯分析儀能夠存儲多少個樣點數，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，但是存儲的數據量很少，那也沒有多大意義，邏輯分析儀可以保存的Z大樣點數就是一款邏輯分析儀的存儲深度。通常情況下，數據采集時間=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。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、通道數設置。一般情況下，大多數邏輯分析儀有8通道、16通道、32通道等數目。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、觸發設置。由于邏輯分析儀有深度限制，不可能無限期的保存數據。當我們使用邏輯分析儀的時候，如果沒有采用任何觸發設置的話，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來提高存儲深度的利用率。比如我們如果想抓取UART串口信號，而串口信號平時沒有數據的時候是高電平，因此我們可以設置一個下降沿觸發。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生，一旦產生了下降沿，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的無用信號，被我們所設置的觸發給屏蔽掉了，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、設置協議解析(標準協議)。如果你抓取的波形是標準協議，比如UART、I2C、SPI這種協議，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，還可以直接把數據解析出來，以十六進制、二進制、ASCII碼等各種形式顯示出來。
7、數據分析。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，通過數據分析，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據、I2C和SPI的數據界面。
首先，我把邏輯分析儀的GND和我們的KST-51開發板的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、無校驗的方式發送幾個字節的數據。由于UART通信平時默認是高電平，當數據來的時候，會先出現一位起始位，因此我們把觸發方式設置成下降沿觸發。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，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生才開始采集信號。我們讓單片機發送串口通信數據，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，就可以直接把數據解析出來，如圖4所示。
圖4 UART數據解析
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，如果我們的數據量很大，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，就可以把數據導出為txt格式，如圖5所示。
圖5 數據導出
圖5中的Time就是這個信號發生時間，Value就是解碼值，Parity是校驗，如果數據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的信號數據。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，也可以將數據抓出來并且解析出來，其中SDA懸浮的就是解析的數字，如圖6所示。
圖6 I2C數據解析
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據，或者是解析的數據是錯誤的數據。解析出來的波形數據分別懸浮在MOSI和MISO的通道上面，如圖7所示。
圖7 SPI數據解析
4、邏輯分析儀測量數字電路比示波器的優勢
示波器是專業測量模擬信號的，而測量分析數字信號，邏輯分析儀比示波器強大許多，主要有以下幾個方面。
1、測量數字信號時，示波器通常可以用來觀察有沒有信號或者是信號的質量如何，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據。
2、邏輯分析儀通道數通常比示波器多。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，尤其是并行數據，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據。示波器是實時顯示的，實際上他只能顯示其中一小段數據，可以實現快速刷新，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，可以保存大量的數據，而后一點點進行分析。
4、具有多種靈活的觸發功能，可以實現對欲獲取的數據進行挑選，對系統運行中的程序段進行調試。示波器通常只有上升沿、下降沿和電壓設置的觸發，而邏輯分析儀不僅僅有上升沿和下降沿觸發，還可以設置并行數據等更復雜的觸發。
5、具備強大的數據解析能力。對于一些復雜的協議，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據解析出來。除了我們前邊講過的三種協議外，現在很多邏輯分析儀都具備幾十種協議解析器，可以方便的顯示出解析的數據，并且解析出來的數據可以顯示成為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勢，但是步入數字世界，邏輯分析儀擁有更強大的功能，可以稱之為分析數字通信的利器。
上一篇：使用兆歐表測量電阻的步驟