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1、逻辑分析分析仪的原理与的原理与设计探探讨电子与信息工程系罗杰2008年年7月月逻辑分析分析仪的原理与的原理与设计探探讨参考文献：1.谢自美主编谢自美主编.电子线路综合设计电子线路综合设计.武汉：华中科技大学出版社，武汉：华中科技大学出版社，2006年年.2.林占江编著林占江编著.电子测量技术（第电子测量技术（第2版）版）.北京：电子工业出版社，北京：电子工业出版社，2007年年.一、逻辑分析仪简介一、逻辑分析仪简介二、逻辑分析仪的基本组成及工作过程二、逻辑分析仪的基本组成及工作过程四、示波器显示波形的原理四、示波器显示波形的原理五、五、2003年赛题年赛题 简易逻辑分析仪（简易逻辑分析仪（D题
2、）题目题）题目六、系统总体设计方案六、系统总体设计方案七、主要单元电路的分析与设计七、主要单元电路的分析与设计三、逻辑分析仪的主要工作方式三、逻辑分析仪的主要工作方式逻辑分析分析仪的原理与的原理与设计探探讨一、一、逻辑分析分析仪（Logic Analyzer）简介介 逻辑分析分析仪是数域是数域测试最最为典型的先典型的先进仪器，能很好地器，能很好地满足数域足数域测试的各种要求的各种要求,自自1973年美国年美国HP公司及公司及BIOMATION分分别研制研制问世以来，在短短世以来，在短短时间内得到了内得到了飞速速的的发展。正因展。正因为它的它的问世，才出世，才出现了所了所谓“数字域数字域”（简称
3、数域）称数域）测量量。由于它以。由于它以荧光屏光屏显示示为主要方式，故又有主要方式，故又有逻辑示波器示波器之称。之称。逻辑分析分析仪不但能分析数字系不但能分析数字系统、计算机算机软件和硬件，而且能与件和硬件，而且能与计算机算机结合构成合构成多种智能多种智能逻辑分析分析仪和个人和个人仪器型的器型的逻辑分析分析仪插件，某些插件，某些逻辑分析分析仪还能与能与计算算机开机开发系系统、仿真器、数字化、仿真器、数字化电压表、示波器等表、示波器等结合构成完善的合构成完善的仪器系器系统。表表1 时域、频域和数域的比较时域、频域和数域的比较一、一、逻辑分析分析仪（Logic Analyzer）简介介 逻辑分析分
4、析仪根据根据显示方式和定示方式和定时方式的方式的类别基本可分基本可分为两大两大类：逻辑状状态分析分析仪（Logic State Analyzer，即，即LSA），），逻辑定定时分析分析仪（Logic Timing Analyzer,即即LTA），但两），但两类分析分析仪的基本的基本结构是相似的，目前多数构是相似的，目前多数逻辑分析分析仪兼有状兼有状态分析和定分析和定时分析两种功能。分析两种功能。逻辑分析分析仪不但能分析数字系不但能分析数字系统、计算机算机软件和硬件，而且能与件和硬件，而且能与计算机算机结合构成合构成多种智能多种智能逻辑分析分析仪和个人和个人仪器型的器型的逻辑分析分析仪插件，某些
5、插件，某些逻辑分析分析仪还能与能与计算算机开机开发系系统、仿真器、数字化、仿真器、数字化电压表、示波器等表、示波器等结合构成完善的合构成完善的仪器系器系统。二、二、逻辑分析分析仪的基本的基本组成及工作成及工作过程程 图1 逻辑分析仪基本组成框图 u 待待测信号信号经多通道送入数据采多通道送入数据采集探集探头，与，与设定的定的门限限电平平进行行比比较，大于，大于门限限电平平为高高电平平记“1”状状态，小于，小于门限限电平平为低低电平平记“0”状状态，而，而门限限电平平根据被根据被测系系统特性来特性来设定。定。二、二、逻辑分析分析仪的基本的基本组成及工作成及工作过程程 图1 逻辑分析仪基本组成框图
6、 u 待待测信号信号经多通道送入数据采集探多通道送入数据采集探头，与，与设定的定的门限限电平平进行比行比较，大于，大于门限限电平平为高高电平平记“1”状状态，小于，小于门限限电平平为低低电平平记“0”状状态，而，而门限限电平根据平根据被被测系系统特性来特性来设定。定。u在在时钟作用下按作用下按节拍将采集的数据拍将采集的数据存入存入输入寄存器，而入寄存器，而时钟可以由外部可以由外部输入，也可以由入，也可以由逻辑分析分析仪内部内部时钟发生器生器产生。生。二、二、逻辑分析分析仪的基本的基本组成及工作成及工作过程程 图1 逻辑分析仪基本组成框图 u逻辑分析分析仪用于用于观测触触发数据或事件前后特定数据
7、序列，因此触数据或事件前后特定数据序列，因此触发识别电路在路在长长的数据的数据流中去流中去寻找特定的（置入的）找特定的（置入的）触发字或触发事触发字或触发事件，一旦找到就件，一旦找到就产生触生触发信号并送去控信号并送去控制数据的存制数据的存贮和和显示。示。u触触发信号也可以由外部信号也可以由外部输入，在触入，在触发信号作用下存信号作用下存贮器存器存贮数据，因存数据，因存贮器器容量有限，按先容量有限，按先进先出（先出（First-In.First-Out，即，即FIFO）原）原则存存贮，当存，当存满后就后就不断以新数据依次代替旧数据。不断以新数据依次代替旧数据。二、二、逻辑分析分析仪的基本的基本
8、组成及工作成及工作过程程 图1 逻辑分析仪基本组成框图 u逻辑分析仪的显示与存贮是逻辑分析仪的显示与存贮是交替交替进行的。存贮结束后，已存入存贮器的内容被逐字进行的。存贮结束后，已存入存贮器的内容被逐字取出，在显示发生器的控制和配合下，取出，在显示发生器的控制和配合下，可以多种便于观察的形式把数据显示可以多种便于观察的形式把数据显示在在CRT上。显示完毕后产生存取指令，上。显示完毕后产生存取指令，再次采集、存贮数据，如此循环。再次采集、存贮数据，如此循环。三、逻辑分析仪的主要工作方式.数据的采集方式在时钟跳变沿处获取数据u分为：分为：状态分析（同步时钟或外时钟：状态分析（同步时钟或外时钟：采样
9、时钟与被测电路时钟同步采样时钟与被测电路时钟同步采样时钟与被测电路时钟同步采样时钟与被测电路时钟同步）定时分析（异步时钟或内时钟：定时分析（异步时钟或内时钟：采用与被测系统没有同步关系采用与被测系统没有同步关系采用与被测系统没有同步关系采用与被测系统没有同步关系 的内部时钟作为采样时钟的内部时钟作为采样时钟的内部时钟作为采样时钟的内部时钟作为采样时钟）u采样过程是把采样时钟跳变时的信采样过程是把采样时钟跳变时的信号状态（逻辑电平）记录下来，并号状态（逻辑电平）记录下来，并将该状态保持到下一个采样时钟沿。将该状态保持到下一个采样时钟沿。“触发”源于示波器，但逻辑状态分析仪是采用数据字触发。一旦触
10、发，则对数据流中对分析有意义的一组数据（即数据块）进行采集并在CRT上显示，即在数据流中开一个观察窗口（Window）。这个窗口中的全部数据叫一个跟踪（Trace）。因此，触发用来决定跟踪在数据中的位置。逻辑状态分析仪采用“字识别”触发，即将输入的数据字与操作者预置的特定字相比较，若吻合便产生一次触发。特征字（触发字）由仪器面板上的“触发字选择”来设定预置。（事件触发类似）。逻辑状态分析仪的触发方式很多，但最基本的触发方式有三种：始端触发（开始触发）、终端触发（终止触发）、延迟触发。.触发与跟踪方式触发与跟踪方式.触发与跟踪方式触发与跟踪方式触触发：用用逻辑分析分析仪观察大量数据的方法是：察大
11、量数据的方法是：设置特定的置特定的观察起点、察起点、终点或与被分析点或与被分析数据有一定关系的某一个参考点，数据有一定关系的某一个参考点，这个特定的点在数据流中一旦出个特定的点在数据流中一旦出现，便形成一次触，便形成一次触发事件，相事件，相应地把数据存入存地把数据存入存储器。器。这个个过程称程称为触触发。触触发字字：参考点是一个数据字，也可能是字或事件的序列，称：参考点是一个数据字，也可能是字或事件的序列，称为触触发字。字。跟踪跟踪：由：由逻辑分析分析仪收集并在收集并在显示屏上示屏上显示出来的一示出来的一组数据称数据称为一次跟踪。由一次跟踪。由触触发决决定定跟踪跟踪在数据流中的位置。在数据流中
12、的位置。3种触发方式：种触发方式：始端触发、终端触发、延迟触发始端触发、终端触发、延迟触发始端触发：始端触发：又叫触发开始跟踪。一旦识别到触发字便触发，以被触又叫触发开始跟踪。一旦识别到触发字便触发，以被触发时的数据（即触发字）为存贮的第一个有效数据，直到存贮器存发时的数据（即触发字）为存贮的第一个有效数据，直到存贮器存满为止，因而触发字是存贮和显示的第一个有效数据。如图（满为止，因而触发字是存贮和显示的第一个有效数据。如图（a）所）所示。示。终端触发：终端触发：又叫触发终止跟踪。在触发以前，存贮器就以先进先出又叫触发终止跟踪。在触发以前，存贮器就以先进先出方式存贮数据，当存满后开始在数据流中
13、搜索触发字，与此同时存方式存贮数据，当存满后开始在数据流中搜索触发字，与此同时存贮器继续以新数据更新旧数据。一旦发现触发字，就立即停止存贮贮器继续以新数据更新旧数据。一旦发现触发字，就立即停止存贮有效数据，因而有效数据，因而 触发字就是存贮和显示的最后一个有效数据。触发字就是存贮和显示的最后一个有效数据。延迟触发：延迟触发：就是在数据流中搜索到触发字时并不是立即进行跟踪，而是经过一定的延就是在数据流中搜索到触发字时并不是立即进行跟踪，而是经过一定的延迟才跟踪。因此延迟触发是改变数据窗口与触发字间相对关系的一种触发，它与始、迟才跟踪。因此延迟触发是改变数据窗口与触发字间相对关系的一种触发，它与始
14、、终端触发配合工作，如下图所示。其中（终端触发配合工作，如下图所示。其中（a）图为始端触发加延迟，（）图为始端触发加延迟，（b）图为终端触）图为终端触发加延迟。发加延迟。3种触发方式：种触发方式：始端触发、终端触发、延迟触发始端触发、终端触发、延迟触发.数据的存储数据的存储根据所采用的存根据所采用的存储器的不同，存器的不同，存储方式可分方式可分为两两类。（）移位寄存器存（）移位寄存器存储移位寄存器式存移位寄存器式存贮器每存入一个新数据，以前存器每存入一个新数据，以前存储的数据就移位一的数据就移位一次，待存次，待存满后最早存入的数据就被移出。以先入先出方式存后最早存入的数据就被移出。以先入先出方
15、式存储数据。数据。（）随机存（）随机存储器存器存储使用随机存使用随机存储器（器（RAM）作）作为逻辑分析分析仪的存的存储器，每个存器，每个存储单元元由地址由地址计数器数器进行行选址。目前的址。目前的逻辑分析分析仪大都采取大都采取这种方法存种方法存储数据。数据。.数据显示的区别数据显示的区别为了便于对数字系统进行分析，逻辑分析仪有多种显示方式，其中状态表和定为了便于对数字系统进行分析，逻辑分析仪有多种显示方式，其中状态表和定时图显示分别是状态分析仪和定时分析仪的基本显示方式。时图显示分别是状态分析仪和定时分析仪的基本显示方式。映射图显式映射图显式可以观察系统运行全貌的动态情况。它用一系列光点表示
16、一个数据流，可以观察系统运行全貌的动态情况。它用一系列光点表示一个数据流，其主要原理是把逻辑分析仪内存中获取的每一个数据字分成低位和高位两部分，再其主要原理是把逻辑分析仪内存中获取的每一个数据字分成低位和高位两部分，再分别经分别经D/A转换成模拟信号，驱动转换成模拟信号，驱动CRT的的x、y偏转板，从而合成显示一个光点。偏转板，从而合成显示一个光点。四、示波器四、示波器显示波形的原理示波形的原理u要用示波器作为逻辑分析仪的显示设备，示波器采用要用示波器作为逻辑分析仪的显示设备，示波器采用X-Y工作方式，工作方式，X通道加锯齿通道加锯齿波信号，波信号，Y通道分时加入通道分时加入8路被测信号。为此
17、需要了解示波器显示波形的原理：路被测信号。为此需要了解示波器显示波形的原理：1.电子束在电子束在vY与与 vX作用下的运动，有作用下的运动，有4种情况：种情况：(1)当当X、Y两对偏转板上不加任何信号两对偏转板上不加任何信号 ，则光点出现在荧光屏的中心位置，不产生任何偏，则光点出现在荧光屏的中心位置，不产生任何偏转。转。(2)垂直偏转板上加电压垂直偏转板上加电压 ，而水平偏转上加的电压，而水平偏转上加的电压vX=0，则光点仅在垂直方向随，则光点仅在垂直方向随 vY变化而偏变化而偏转。光点的轨迹为一垂直线，其长度正比于转。光点的轨迹为一垂直线，其长度正比于vY 的峰峰值的峰峰值(2Vm)，如图，
18、如图2所示。反之，所示。反之，vY=0,则光屏上显示一条水平线。则光屏上显示一条水平线。(3)如 ，则电子束同时受两对偏转板电场力的作用，光点沿X轴、Y轴合成方向运动，其轨迹为一斜线，如图4所示。(3)如 ，则电子束同时受两对偏转板电场力的作用，光点沿X轴、Y轴合成方向运动，其轨迹为一斜线，如图4所示。(4)若若 ，而在，而在X转板上加上一个与转板上加上一个与 vY 周期相同的周期相同的 锯齿波电压锯齿波电压，则在荧光屏上可真实地，则在荧光屏上可真实地显示显示vY 的波形，如图的波形，如图5所示。所示。四、示波器四、示波器显示波形的原理示波形的原理2.同步概念同步概念 前面讨论的是前面讨论的是
19、TX=TY的情况。如果丁的情况。如果丁TX=2TY，则可以在荧光屏上观察到两个周期的信号电压波形，则可以在荧光屏上观察到两个周期的信号电压波形，如图如图6所示。如果波形重复出现，而且完全重叠，就可以看到一个稳定的图象。图所示。如果波形重复出现，而且完全重叠，就可以看到一个稳定的图象。图7是不稳定的情况。是不稳定的情况。四、示波器四、示波器显示波形的原理示波形的原理2.同步概念同步概念 因此，为了在荧光屏上获得稳定的图象，因此，为了在荧光屏上获得稳定的图象，TX(包括正程与回程包括正程与回程)与与TY必须成整数倍关系，即必须成整数倍关系，即 (n为正整为正整数数)，以保证每次扫描的起始点都对应信
20、号电压，以保证每次扫描的起始点都对应信号电压 的相同相位点上，这种过程称为的相同相位点上，这种过程称为“同步同步”。五、五、2003年大年大赛题 简易易逻辑分析分析仪（D题）一、任务一、任务 设计并制作一个设计并制作一个8路数字信号发生器与简易逻辑分析仪，其结构框图如图路数字信号发生器与简易逻辑分析仪，其结构框图如图1所所示：示：二、要求二、要求 1、基本要求、基本要求（1）制作数字信号发生器）制作数字信号发生器 能产生能产生8路可预置的循环移位逻辑信号序列，输出信号为路可预置的循环移位逻辑信号序列，输出信号为TTL电平，序列时钟频电平，序列时钟频率为率为100Hz，并能够重复输出。逻辑信号序
21、列示例如图，并能够重复输出。逻辑信号序列示例如图2所示。所示。（2）制作简易逻辑分析仪）制作简易逻辑分析仪 a具有采集具有采集8路逻辑信号的功能，并可设置单级触发字。信号采集的触发条件路逻辑信号的功能，并可设置单级触发字。信号采集的触发条件为各路被测信号电平与触发字所设定的逻辑状态相同。在满足触发条件时，能对被测为各路被测信号电平与触发字所设定的逻辑状态相同。在满足触发条件时，能对被测信号进行一次采集、存储。信号进行一次采集、存储。b能利用模拟示波器清晰稳定地显示所采集到的能利用模拟示波器清晰稳定地显示所采集到的8路信号波形，并显示触发点路信号波形，并显示触发点位置。位置。c8位输入电路的输入
22、阻抗大于位输入电路的输入阻抗大于50k，其逻辑信号门限电压可在，其逻辑信号门限电压可在0.254V范围范围内按内按16级变化，以适应各种输入信号的逻辑电平。级变化，以适应各种输入信号的逻辑电平。d每通道的存储深度为每通道的存储深度为20bit。二、要求二、要求 2、发挥部分、发挥部分（1）能在示波器上显示可移动的时间标志线，并采用）能在示波器上显示可移动的时间标志线，并采用LED或其它方式显示时间标志或其它方式显示时间标志线所对应时刻的线所对应时刻的8路输入信号逻辑状态。路输入信号逻辑状态。（2）简易逻辑分析仪应具备）简易逻辑分析仪应具备3级逻辑状态分析触发功能，即当连续依次捕捉到设定级逻辑状
23、态分析触发功能，即当连续依次捕捉到设定的的3个触发字时，开始对被测信号进行一次采集、存储与显示，并显示触发点位置。个触发字时，开始对被测信号进行一次采集、存储与显示，并显示触发点位置。3级触发字可任意设定（例如：在级触发字可任意设定（例如：在8路信号中指定连续依次捕捉到两路信号路信号中指定连续依次捕捉到两路信号11、01、00作作为三级触发状态字）。为三级触发状态字）。（3）触发位置可调（即可选择显示触发前、后所保存的逻辑状态字数）。）触发位置可调（即可选择显示触发前、后所保存的逻辑状态字数）。（4）其它（如增加存储深度后分页显示等）。）其它（如增加存储深度后分页显示等）。六、系统总体设计方案
24、方案一：纯单片机方式。单片机虽然具备灵活的控制方式，但受工作速率的影响，方案一：纯单片机方式。单片机虽然具备灵活的控制方式，但受工作速率的影响，可能会使示波器显示屏幕抖动和出现明显的回扫线。可能会使示波器显示屏幕抖动和出现明显的回扫线。方案二：采用方案二：采用CPLD/FPGA（或带有（或带有IP核的核的CPLD/FPGA）方式。）方式。方案三：采用单片机方案三：采用单片机+FPGA方式。即用单片机作为主处理器，完成人机界面、系方式。即用单片机作为主处理器，完成人机界面、系统控制和触发控制。用统控制和触发控制。用FPGA作为协处理器，完成作为协处理器，完成8路路TTL数据的采集与普通模拟示数据
25、的采集与普通模拟示波器的显示控制。这种方案兼顾了上述两种方案的优点，可以在硬、软件的结合上，波器的显示控制。这种方案兼顾了上述两种方案的优点，可以在硬、软件的结合上，使设计达到整体优化的效果。使设计达到整体优化的效果。方案四：采用方案四：采用 FPGA+Nios II 方案，使用方案，使用DE2完成设计。完成设计。六、系统总体设计方案数字数字信号信号发生发生器器输输入入信信号号调调理理存储存储缓冲缓冲区区接接示示波波器器Z轴轴亮亮 度度控控 制制锯齿波产锯齿波产 生生数字信号数字信号输出输出接接示示波波器器X轴轴接接示示波波器器Y轴轴240128点点阵阵液液晶晶显示显示单片机单片机AT89S5
26、2键盘输入键盘输入FIFO RAM同步显同步显示模块示模块触发识别触发识别模块模块FPGA Cylone1C3控制控制六、系统总体设计方案FPGA+Nios II 方案，使用方案，使用DE2开发板。开发板。7.1“8位数字信号位数字信号发生器生器”设计 题目要求序列时钟频率为题目要求序列时钟频率为100Hz，TTL电平输出，因此设计方案有两种：电平输出，因此设计方案有两种：（1）用一片单片机实现了）用一片单片机实现了8位数位数字信号发生器的功能，用开关进行循字信号发生器的功能，用开关进行循环字的预置，以软件实现循环移位。环字的预置，以软件实现循环移位。（2）用）用CPLD或中规模集成的移位寄存
27、器实现，但效果均不如单片机方案灵活或中规模集成的移位寄存器实现，但效果均不如单片机方案灵活方便，性价比较低。方便，性价比较低。七、主要七、主要单元元电路的分析与路的分析与设计7.1 “8位数字信号位数字信号发生器生器”设计7.2 输入信号入信号调理理电路路设计 题目要求：输入阻抗大于题目要求：输入阻抗大于50k，其逻辑信号门限电压可在，其逻辑信号门限电压可在0.254V范围内按范围内按16级级变化。也即起始电压变化。也即起始电压 a1=0.25V，末尾电压，末尾电压 a16=4V，根据等差数列理论，其步长为，根据等差数列理论，其步长为 输入信号经过一个跟随器，然后送到一个可调门限电压的电压比较
28、器输入信号经过一个跟随器，然后送到一个可调门限电压的电压比较器（MAX912），并输出），并输出TTL电平信号。电平信号。因此，对应的因此，对应的16级逻辑门限电压依次为：级逻辑门限电压依次为：0.25V、0.5V、3.75V、4.00V。数字式可编程的放大电路 DAC 数字式可编程的放大电路 DAC 当当VREF=5V时，时，改变输入的数字量（改变输入的数字量（NB）即可改变衰减器的衰减倍数。）即可改变衰减器的衰减倍数。当步长为当步长为0.25V，其数字量的步长，其数字量的步长NB=12。7.3 数据存储模块题目要求示波器上显示8路波形（即行数Z=8），每行位数m1=20 bits，即每页存
29、储深度：可以利用FPGA（例如Cyclone 1C3）内部的双口RAM来实现，存储容量可以扩展为100字节或更多。控制电路设计（略）7.3 数据存储模块 将存储器的读、写分离，在将数据写入将存储器的读、写分离，在将数据写入SRAM时可采用较高频率的时钟（采样时时可采用较高频率的时钟（采样时钟），而读钟），而读SRAM数据时可采用不同于采样时钟频率的串行频率时钟读出数据。数据时可采用不同于采样时钟频率的串行频率时钟读出数据。7.4 显示驱动电路 包括：锯齿波扫描、输入信号扫描、包括：锯齿波扫描、输入信号扫描、Z轴的显示控制。轴的显示控制。屏幕上要显示屏幕上要显示8路波形，因此外部路波形，因此外部
30、D/A必须分时复用。但为了避免回扫线对显示效必须分时复用。但为了避免回扫线对显示效果的影响，果的影响，X轴输入与轴输入与Y轴输入必须保持严格同步，而且轴输入必须保持严格同步，而且DAC还必须具备足够快的转还必须具备足够快的转换速率。换速率。示波器的示波器的Z轴具有亮度调节功能，通过控制轴具有亮度调节功能，通过控制Z轴的输入电压来实现触发位置的标定轴的输入电压来实现触发位置的标定和回扫线的消隐。当和回扫线的消隐。当Z轴输入电压为轴输入电压为0V左右时，示波器显示正常波形；当左右时，示波器显示正常波形；当Z轴输入电轴输入电压为压为5V左右时，示波器显示灰暗波形；当左右时，示波器显示灰暗波形；当Z轴
31、输入电压为轴输入电压为10V左右时，示波器显示全左右时，示波器显示全灭。灭。利用利用FPGA直接控制直接控制Z轴，而轴，而FPGA的的I/O输出电压为输出电压为03.3V，必须在外面必须附，必须在外面必须附加驱动电路。驱动电路可以采用加驱动电路。驱动电路可以采用D/A的方式，但的方式，但Z轴对小范围的连续电压输入并不敏轴对小范围的连续电压输入并不敏感，因此我们直接利用比较器和模拟开关，实现对时间轴任意位置的亮、暗、灭三感，因此我们直接利用比较器和模拟开关，实现对时间轴任意位置的亮、暗、灭三级标定，电路如图级标定，电路如图4所示。所示。7.5 触发控制电路（待完善）（待完善）软件设计1.系统软件主程序设计系统软件主程序设计软件设计2.示波器显示控制流程示波器显示控制流程软件设计3.数据采集及触发控制流程数据采集及触发控制流程 谢 谢 ！2008.7