基于数字电路和系统诊断测试的逻辑分析仪研究

为什么要使用逻辑分析仪

当一个数字电路或系统所实现的逻辑功能与无故障电路或系统所实现的逻辑功能不同，表明这个电路或系统已出现故障。 数字电路或系统故障分为物理故障和逻辑故障。内部连线断开或短接、电路元件不良等造成物理故障。数字电路及数字系统内部控制逻辑不正确为逻辑故障。在这些故障中不随时间改变的故障称为永久故障；时隐时现的故障称为间歇故障。数字电路及数字系统故障诊断大部分局限于固定性逻辑故障。为了做好故障检测和故障定位，确保数字电路及系统正常，就必须对数字电路及系统进行测试，以检验电路及系统的工作状况。要诊断数字电路故障必须借助专用的仪器才能解决，这些仪器能确定数字电路及系统中是否存在故障，进而判定故障的位置。

图1 逻辑分析仪和示波器一起工作

我们把排除数字电路和系统的硬件与软件故障，提高系统性能提供所需信息，确保电路及系统可靠性的测试称为数据域测试，它有别于传统的频域测试和时域测试，更区别于射频调制域测试和随机信号的统计域测试。数据域测试仪器按其功能分为节点测试器、逻辑分析仪和开发系统。在数据域测试中，逻辑分析仪是一种最有力工具，它以总线概念为基础，能同时对多个节点进行测试，一般具有足够的输入通道、超前观测能力、多种触发方式、存储能力、多功能显示和比较能力等。使用逻辑分析仪主要场合如下：①需要同时查看多个信号； ②需要用与硬件同样的方法查看数字信号； ③需要对多条线高低电平模式触发，并查看结果； ④即时跟踪软件在系统中的执行情况。

通常我们将数字系统分成硬件和软件，在测试这些系统时，我们有很多事情要做，譬如硬件电路初步设计、软件方案制定和初步编制、硬件电路调试、软件调试、以及最终系统定型等，在这些工作中几乎每一步工作都需要逻辑分析仪帮助。由于使用情况不同，在很多系统中并不需要把以上的每个部分测试一遍。逻辑分析仪在测试和故障诊断中分为以下五个层次：第一个层次：只查看硬件系统的一些常见故障，例如时钟信号和其他信号的波形、信号中是否存在严重影响系统的毛刺信号等；第二个层次：对硬件系统各个信号的时序进行分析，以便最好地利用系统资源，消除由定时分析分析出的一些故障；第三个层次：硬件对软件的执行情况进行分析，以确保写入的程序被硬件系统完整执行；第四个层次：实时监测软件执行情况，对软件进行实时调试；第五个层次：对现有电子系统软硬件进行系统分析，达到对现有电子系统软硬件全面透彻了解和掌握其功能。

逻辑分析仪发展和有关概念

数据域测试追溯到上世纪五十年代初或更早，而其真正使用是在六十年代初对电子计算机的诊断工作。七十年代随着微处理器研制，市面上出现四位和八位总线，传统示波器双通道无法满足8bit观察，微处理器和存储器测试需要有不同于时域和频域测试的仪器，真正的数据域测试仪器应运而生。当时HP公司推出状态分析仪和Biomation 公司推出定时分析仪不久，用户开始接受这种数据域测试仪器作为解决数字电路的测试手段；经过一段时间发展，状态分析仪与定时分析仪合并成现在的逻辑分析仪。20 世纪80年代后期，逻辑分析仪功能和性能大大提高，而且变得更加复杂，使用起来有一定难度。例如，引入多电平树形触发，以应付条件语句如IF 、THEN、ELSE 等复杂事件，使触发变得更加灵活。今后，逻辑分析仪基本发展趋势是将计算机技术与仪器不断融合，在PC平台上使用，使逻辑分析仪功能大大增强，同时成本下降，操作变得更加容易。

根据硬件设备设计上差异，目前逻辑分析仪分为独立式逻辑分析仪和需结合电脑的PC-based卡式虚拟逻辑分析仪。独立式逻辑分析仪将所有的测试软件、运算管理元件整合在一台仪器中，仪器显示、采集、触发、测量结果等都在一个机箱内，速度快，操作简便，直观方便，它们配有仪器接口与计算机进行通讯。卡式虚拟逻辑分析仪需要搭配电脑一起使用，显示屏与主机分开，价格相对低廉，但显示和测量结果都需要借着计算机才能实现，操作麻烦，有很多局限。就整体规格而言，独立式逻辑分析仪已发展到相当高的标准，例如采样率达8GHz、通道数可扩充到300个以上，存储深度相对较高。基于计算机接口的卡式虚拟逻辑分析仪，以较小的成本提供了相应性能，但是卡式虚拟逻辑分析仪有很大缺点，它需要配备电脑才能使用，尤其数字测试中，工程师往往会陷入一堆PCB板中，采用旋钮的仪器要比在屏幕上移动鼠标更加方便。

逻辑分析仪技术复杂，市场已被美国人垄断，其主要供应商为Agilent和Tektronix，但是它们的价格比较昂贵。中国虽然有一些逻辑分析仪厂商，但大都是虚拟逻辑分析仪，技术含量普遍较低，尤其不能满足像示波器那样排除系统故障的现场需要，因此逻辑分析仪在我国没有普遍应用，国内很需要一些独立便携、使用简单、售价不能太高的逻辑分析仪。不管我们使用怎样的逻辑分析仪，都应注意以下逻辑分析仪指标和概念。

1、通道数量：

通道数量是逻辑分析仪最易理解和直观指标。如果需要对一个数字电路系统进行全面分析，就需要把所有应观测的信号全部引入逻辑分析仪。逻辑分析仪通道数至少为被测系统字长（数据总线数）＋被测系统控制总线数＋时钟线数。对于一个8位系统，至少需要具有34个通道的逻辑分析仪，因此市面上主流逻辑分析仪为34通道，现在逻辑分析仪通道数量已高达340通道。34个通道的逻辑分析仪，因此市面上主流逻辑分析仪为34通道，现在逻辑分析仪通道数量已高达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，即应当有足够高的定时分析采样速率。现在主流逻辑分析仪采样速率高达2GS/s ，在这个速率下，我们可以看到0.5ps 时间上细节。

3、状态分析速率：

在状态分析时，逻辑分析仪的采样基准时钟就用被测试对象的工作时钟（逻辑分析仪外部时钟），这个时钟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工作频率。现在主流逻辑分析仪状态分析速率为100MHz～500MHz之间。

4、每通道记录长度

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

5、测试夹具和探头：

逻辑分析仪通过探头与被测器件连接。探头在保持信号完整性中占有重要位置。随着芯片封装密度越来越高，IC管脚间距已达0.3mm以下，要很好将信号引出，特别是BGA封装，确实困难；同时分立器件尺寸越来越小，典型已达到0.5mm*0.8mm。此时测试夹具或芯片管脚适配器作用很重要，它们既可以让人脱手操作，更可以引出芯片管脚，防止短路烧坏芯片。

逻辑分析仪与示波器比较

逻辑分析仪确实起步晚，在示波器不能满足多路需求基础上发展而来，因此我们必要了解逻辑分析仪和示波器差别。在电子测试领域，示波器是最早的测试设备，起源于雷达扫描原理，对信号波形的采集和再现，源于传统的模拟信号和模拟电路测试基础。随着数字技术发展，对数字信号测试越来越重要，最早数字信号测试往往借着示波器，后来出现了定时分析仪和状态分析仪，从定时和状态的角度分析和测试多路数字信号。由于当时的定时分析仪和状态分析仪价格昂贵，两者在市场上的概念很好，但影响不大，测试范围很窄。

由于逻辑分析仪不像示波器那样有许多电压等级，通常只显示两个高低电平（逻辑1和0），设定了参考电压后，逻辑分析仪将被测信号通过比较器进行判定，高于参考电压者为1,低于参考电压者为0，在1与0之间形成数字波形。整体而言，逻辑分析仪测量被测信号时，并不显示出电压值，只是1跟0差别；如果要测量电压就一定需要示波器。除了电压值显示不同外，逻辑分析仪与示波器另一个差别在于通道数量。一般示波器只有2个通道或4个通道，而逻辑分析仪拥有16个、32个、64个或上百个通道数。逻辑分析仪与示波器比较见表1。

表1  逻辑分析仪与示波器比较 

   资料来源：根据翟春林主编《业余逻辑分析仪》整理，2003年11月第1版，无线电技术出版社，香港

从诞生开始，逻辑分析仪给人三种印象：①价格昂贵，操作麻烦；②对使用者要求较高；③与示波器功能大同小异，只是多增加了通道和部分时序功能。随着IT技术发展，基于计算机接口和处理技术的采集式虚拟逻辑分析仪出现，逻辑分析仪已逐渐降低成本，走入普通研究室，逻辑分析仪和示波器一样已逐步成为基本的测试工具。逻辑分析仪和示波器虽然在测试原理上有较大差异，随着技术的进步，示波器和逻辑分析仪应用和概念融合，已出现混合信号测试仪器。

逻辑分析仪的使用

逻辑分析仪从诞生开始，往往给人一种电子仪器“奢侈品”感觉，既贵又难用，这是人们对以往 逻辑分析仪一种成见，也是对现有逻辑分析仪一种误解。现行逻辑分析仪已超越传统，有的逻辑分析仪既实惠又可以像示波器那样方便使用（例如OLA2032B售价不超过2万元人民币），操作界面完全和流行的数字示波器一样，使用逻辑分析仪已变得容易。逻辑分析仪使用上主要与数字信号相连，快速捕获数字信号并进行分析，我们一般注意以下四个操作就可以发挥逻辑分析仪价值，逻辑分析仪使用就不再那么麻烦：

第一、逻辑分析仪逻辑探头与被测系统（DUT）相连。使用逻辑分析仪前，首先应选择合适的逻辑探头与被测系统相连，探头利用内部比较器将输入电压与门限电压相比较，确定信号逻辑状态（1或0）。逻辑探头有很多种，根据自己需要我们选择相应的探头夹具。常用探头有用于点对点故障查找的“夹子状”，有用在电路板上专用的高密度型。逻辑探头应能捕获高质量信号，并且对被测系统影响最小。而且逻辑探头应能提供高质量信号并传递给逻辑分析仪，并且与电路板及设备以多种方式连接。

第二、设置时钟模式和触发条件。逻辑分析仪与被测系统连接好后，需要设置时钟模式与触发条件。逻辑分析仪数据捕获方式不同于示波器，有两种捕获方式：异步捕获和同步捕获。异步捕获类似于示波器的数据捕获方式。

异步捕获模式：此时逻辑分析仪用内部时钟进行数据采样，采样速度越快，测试分辨率越高。采样速率对于异步定时分析非常重要，异步捕获模式常用在目标设备与逻辑分析仪捕获数据之间没有固定的时间关系，而且主要考虑被测系统信号间时间关系。同步捕获模式：同步捕获模式用一个源自被测系统信号做采样时钟信号，用于捕获确定时间的信号。逻辑分析仪在外部时钟信号边缘采样，采集的数据代表逻辑信号稳定时被测电路所处状态。逻辑分析仪引入的时钟信号有所限制，一般要小于某一固定频率，该频率称为逻辑分析仪最大状态速率，也称为逻辑分析仪带宽。设置触发方式：逻辑分析仪可以对各种逻辑条件进行触发。触发目的为逻辑分析仪设定什么时候开始捕获数据、捕获哪些数据，使逻辑分析仪跟踪被测电路的逻辑状态，并在被测系统中用户定义的事件处进行触发。逻辑分析仪触发条件大致有两类：单一通道触发条件设定和通道间触发条件设定。单一通道的触发类似于示波器的触发，例上升/下降沿触发、脉冲宽度触等。通道间逻辑触发对于逻辑分析仪比较重要，发挥逻辑分析仪观察通道间逻辑关系以及逻辑状态的核心作用，其分为两类：一类单纯为每一通道设置触发条件；另一类码型触发或事件触发。有些逻辑分析仪具有更高级的按阶层触发，这些触发对于数字电路中包头和包尾识别非常有用。   

第三、捕获被测信号。使用逻辑分析仪需要确定对多少信号进行捕获和分析，即逻辑分析仪通道数。数字系统总线具有各自不同的宽度，通道数一般为总线宽度3~4倍（数据线+地址线+控制线+时钟）。确定捕获多少信号后，接着考虑逻辑分析仪捕获操作过程持续时间， 即逻辑分析仪存储深度。逻辑分析仪探头、触发器和时钟系统实时捕获数据后马上传递到存储器。存储器是逻辑分析仪中心，它不仅是来自被测系统所有采样数据最终目的地，也是逻辑分析仪进行分析和显示的数据源。

第四、分析与显示捕获数据。逻辑分析仪实时捕获的被测信号存储到存储器，已系统中存储的信号数据，能够以各种不同格式查看，例如时间波形与二进制代码等。大多数情况下，工程师习惯使用总线形式显示捕获数据，一般的逻辑分析仪可以同时观察几组并行总线和相互的数据关系，了解逻辑代码真正用意。使用逻辑分析仪观察并行总线时，一般先观察同步状态数据，如果状态数据存在问题，接着观察异步时钟数据，寻找问题所在。有些逻辑分析仪（例如OLA2032B）具有类似数字示波器波形搜索功能，更加方便对已捕获数据进行分析。

图2  逻辑分析仪Auto-Scale功能

结束语

逻辑分析仪每次捕获并显示多个信号，同时分析这些信号的时间关系和逻辑关系，它是数字设计验证与调试过程中公认最出色的工具，能够检验数字电路是否正常工作，帮助查找并快速排除数字电路系统故障。它有别于示波器，技术的发展使逻辑分析仪不再那么遥遥不可及，每个工程师未来都会容易使用它有别于示波器，技术的发展使逻辑分析仪不再那么遥遥不可及，每个工程师未来都会容易使用。

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