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(gè)順序,F(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(duì)示波器的認(rèn)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(jī)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來的,非常適合單片機(jī)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(qiáng)大。
一個(gè)待測信號(hào)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(shí)候,邏輯分析儀就會(huì)每100ns采集一個(gè)樣點(diǎn),并且超過1.5V認(rèn)為是高電平(邏輯1),低于1.5V認(rèn)為是低電平(邏輯0)。而后呢,邏輯分析儀會(huì)用描點(diǎn)法將波形連起來,工程師就可以在這個(gè)連續(xù)的波形中查看到邏輯分析儀還原的待測信號(hào),從而查找異常之處。
邏輯分析儀和示波器都是還原信號(hào)的,示波器前端有ADC,再加上還原算法,可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的還原。而邏輯分析儀只針對(duì)數(shù)字信號(hào),不需要ADC,不需要特殊算法,就用Z簡單的連點(diǎn)就可以了。此外,示波器往往是臺(tái)式的,波形顯示在示波器本身的顯示屏上,而邏輯分析儀當(dāng)前大多數(shù)是和PC端的上位機(jī)軟件結(jié)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(shí)物圖,采樣率為500M,16個(gè)通道,采樣深度硬件深度為32M,經(jīng)過壓縮算法,Z多可以實(shí)現(xiàn)每通道5G的存儲(chǔ)深度,圖2是邏輯分析儀的上位機(jī)軟件。
圖1 邏輯分析儀實(shí)物圖
圖2 邏輯分析儀上位機(jī)軟件
1、邏輯分析儀的參數(shù)
邏輯分析儀有三個(gè)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(jī)都是數(shù)字電路,它在讀取外部信號(hào)的時(shí)候,多高電壓識(shí)別成高電平,多高電壓識(shí)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(dāng)它采集外部的數(shù)字電路信號(hào)的時(shí)候,高于1.4V識(shí)別為高電平,低于0.7V識(shí)別為低電平。
采樣率:每秒鐘采集信號(hào)的次數(shù)。比如一個(gè)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(gè)樣點(diǎn),即每10ns采集一個(gè)樣點(diǎn),并且高于閾值電壓的認(rèn)定為高電平,低于閾值電壓的認(rèn)定為低電平。我們前邊學(xué)UART通信的時(shí)候?qū)W過每一位都會(huì)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(hào)是1M的頻率,我用100M的采樣率去采集,那么一個(gè)信號(hào)周期我就可以采集100次,Z后用我們小學(xué)學(xué)過的描點(diǎn)法把采集到的樣點(diǎn)連起來,就會(huì)還原出信號(hào),當(dāng)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(hào)頻率的2倍以上才能還原出信號(hào),因?yàn)檫壿嫹治鰞x是數(shù)字系統(tǒng),算法簡單,所以Z低也是4倍于信號(hào)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(hào)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(dá)到100M,提高精確度。
存儲(chǔ)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(hào),我們要有一個(gè)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)起來。比如我們用100M采樣率,那么1秒就會(huì)產(chǎn)生100M個(gè)狀態(tài)樣點(diǎn)。一款邏輯分析儀能夠存儲(chǔ)多少個(gè)樣點(diǎn)數(shù),這是邏輯分析儀很重要的一個(gè)指標(biāo)。如果我們的采樣率很高,但是存儲(chǔ)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(diǎn)數(shù)就是一款邏輯分析儀的存儲(chǔ)深度。通常情況下,數(shù)據(jù)采集時(shí)間=存儲(chǔ)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(gè)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(hào)的時(shí)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(huì)干擾到我們線上的信號(hào)。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(gè)電壓值的信號(hào)那么分析儀就可能被燒壞,所以測量的時(shí)候必須要注意這個(gè)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(hào)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(shè)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(hào)的時(shí)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(shè)置。首先要對(duì)待測信號(hào)Z高頻率有個(gè)大概的評(píng)估,把采樣率設(shè)置到它的10倍以上,還要大概判斷一下我們要采集的信號(hào)的時(shí)間長短,在設(shè)置采樣深度的時(shí)候,盡量設(shè)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(hào)的時(shí)間。
4、觸發(fā)設(shè)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(dāng)我們使用邏輯分析儀的時(shí)候,如果沒有采用任何觸發(fā)設(shè)置的話,從開始抓取就開始計(jì)算時(shí)間,一直到存滿我們?cè)O(shè)置的存儲(chǔ)深度后,抓取就停止。在實(shí)際操作過程中,開始抓取的一段信號(hào)可能是無用信號(hào),有用信號(hào)可能就是其中一段,但是無用信號(hào)還占據(jù)了我們的存儲(chǔ)空間。在這種情況下,我們就可以通過設(shè)置觸發(fā)來提高存儲(chǔ)深度的利用率。比如我們?nèi)绻胱トART串口信號(hào),而串口信號(hào)平時(shí)沒有數(shù)據(jù)的時(shí)候是高電平,因此我們可以設(shè)置一個(gè)下降沿觸發(fā)。從點(diǎn)擊開始抓取,邏輯分析儀不會(huì)把抓到的信號(hào)保存到我們的存儲(chǔ)器中,而是會(huì)等待一個(gè)下降沿的產(chǎn)生,一旦產(chǎn)生了下降沿,才開始進(jìn)行真正的信號(hào)采集,并且把采集到的信號(hào)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。也就是說,從點(diǎn)擊開始抓取到下降沿這段時(shí)間內(nèi)的無用信號(hào),被我們所設(shè)置的觸發(fā)給屏蔽掉了,這是一個(gè)非常實(shí)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(shí)時(shí)顯示的,而邏輯分析儀需要點(diǎn)擊開始,開始抓取波形,一直到存儲(chǔ)滿了我們所設(shè)置的存儲(chǔ)深度結(jié)束,然后我們可以慢慢的去分析我們抓到的信號(hào),因此點(diǎn)擊“開始抓取”這個(gè)是必須要有的。
6、設(shè)置協(xié)議解析(標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議)。如果你抓取的波形是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,比如UART、I2C、SPI這種協(xié)議,邏輯分析儀一般都會(huì)配有專門的解碼器,可以通過設(shè)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(jìn)制、二進(jìn)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(biāo)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(gè)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(jī)以2400的波特率、無校驗(yàn)的方式發(fā)送幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。由于UART通信平時(shí)默認(rèn)是高電平,當(dāng)數(shù)據(jù)來的時(shí)候,會(huì)先出現(xiàn)一位起始位,因此我們把觸發(fā)方式設(shè)置成下降沿觸發(fā)。而后我們要設(shè)置一下采樣率和采樣深度,因?yàn)槲覀兊男盘?hào)是2400波特率的,采樣率超過1M就很準(zhǔn)了,抓幾個(gè)字節(jié),采樣深度也要求不高,我們干脆都設(shè)置成1M,那么總的采集時(shí)間計(jì)算下來就是1秒。點(diǎn)擊Start按鈕,這個(gè)時(shí)候,邏輯分析儀還沒有開始采集,因?yàn)樗却粋(gè)下降沿產(chǎn)生才開始采集信號(hào)。我們讓單片機(jī)發(fā)送串口通信數(shù)據(jù),邏輯分析儀就會(huì)開始抓取信號(hào),抓到的信號(hào)會(huì)直接顯示在對(duì)應(yīng)軟件的界面上,如圖3所示。
圖3 抓取UART信號(hào)
點(diǎn)擊右側(cè)Analyzers右側(cè)的加號(hào),選UART通信協(xié)議,進(jìn)入配置界面,將波特率改成2400,無校驗(yàn)位,選擇通道2,點(diǎn)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(dāng)我們?cè)O(shè)置好串口通信選項(xiàng)后,點(diǎn)擊OK,直接就會(huì)在我們的通道上把十六進(jìn)制顯示在波形上邊的懸浮圖上,如果要顯示其他進(jìn)制的數(shù)字,還可以點(diǎn)擊UART右側(cè)的那個(gè)小圓圈,點(diǎn)擊顯示為其他格式,包括二進(jìn)制、ASCII、十進(jìn)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(diǎn)擊那個(gè)小圓圈,點(diǎn)擊輸出選項(xiàng),就可以把數(shù)據(jù)導(dǎo)出為txt格式,如圖5所示。
圖5 數(shù)據(jù)導(dǎo)出
圖5中的Time就是這個(gè)信號(hào)發(fā)生時(shí)間,Value就是解碼值,Parity是校驗(yàn),如果數(shù)據(jù)錯(cuò)誤也會(huì)在后邊提示錯(cuò)誤,這個(gè)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(hào)數(shù)據(jù)。I2C和SPI都不是一條線,比如I2C一個(gè)引腳是SCL,一個(gè)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(shí)候,尤其要注意配置CPOL和CPHA的值,如果這兩個(gè)值配置的不對(duì),或者是解析不出來數(shù)據(jù),或者是解析的數(shù)據(jù)是錯(cuò)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(hào)的,而測量分析數(shù)字信號(hào),邏輯分析儀比示波器強(qiáng)大許多,主要有以下幾個(gè)方面。
1、測量數(shù)字信號(hào)時(shí),示波器通?梢杂脕碛^察有沒有信號(hào)或者是信號(hào)的質(zhì)量如何,邏輯分析儀主要用來分析信號(hào)高低電平時(shí)序時(shí)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(gè)信號(hào)運(yùn)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(shí)間的數(shù)據(jù)。示波器是實(shí)時(shí)顯示的,實(shí)際上他只能顯示其中一小段數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)快速刷新,帶來的缺點(diǎn)就是存儲(chǔ)深度很低。而邏輯分析儀有較大的存儲(chǔ)深度,可以保存大量的數(shù)據(jù),而后一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行分析。
4、具有多種靈活的觸發(fā)功能,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)欲獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行挑選,對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的程序段進(jìn)行調(diào)試。示波器通常只有上升沿、下降沿和電壓設(shè)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(shè)置并行數(shù)據(jù)等更復(fù)雜的觸發(fā)。
5、具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)解析能力。對(duì)于一些復(fù)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(jìn)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(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制等等,方便直觀。
6、可以將抓到的波形以CSV等格式導(dǎo)出提供給第三方工具,比如matlab進(jìn)行時(shí)域分析。
在模擬時(shí)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(qiáng)大的功能,可以稱之為分析數(shù)字通信的利器。
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