邏輯分析儀之負(fù)載效應(yīng)
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analyzer)。工程師在使用邏輯分析儀來量測系統(tǒng)訊號時(shí)，時(shí)常會遇到所量測到的數(shù)據(jù)不
對，這就要注意有可能是選用的邏輯分析儀的負(fù)載效應(yīng)造成的。以下本文將深入來探討
這個(gè)問題。
了解訊號
在利用邏輯分析儀量測之前，應(yīng)先了解所要測量的訊號特性，舉例而言，如圖一所
示，假設(shè)當(dāng)訊號的工作參考頻率為100MHz(10ns)時(shí)，訊號的上升沿、下降沿時(shí)間為1ns
左右，相當(dāng)于模擬訊號的1GHz頻率點(diǎn)；在工作參考頻率為200MHz時(shí)，訊號的上升沿、
下降沿時(shí)間為0.5ns左右，相當(dāng)于模擬訊號的2GHz頻率點(diǎn)。按照這種對應(yīng)關(guān)系，訊號應(yīng)該
屬于傳輸線的范圍之內(nèi)，而不能用低頻訊號的分析方法來處理。
依據(jù)傳輸線的理論[1]，高頻訊號部份的走線可以建構(gòu)如圖二所示的模型。
在此,若再將電路板上的其它組件也考慮進(jìn)去，如連接器、緩沖器、印制板
走線的特性…等等，即會產(chǎn)生所謂的阻抗匹配的問題。一般情況下，連接器的
寄生電感值較大，而寄生的電容器值較小，所以特性阻抗大于印制板走線的特
性阻抗，呈現(xiàn)圖三中所示的阻抗分布。
而且如果訊號的源端、末端阻抗不匹配導(dǎo)致阻抗特性不連續(xù)，必然會產(chǎn)生過沖、振
鈴訊號劣化現(xiàn)象,如圖四，易造成訊號的誤判，芯片的動作將很容易出錯(cuò)，也必然會導(dǎo)致
相關(guān)的硬件系統(tǒng)出錯(cuò)，最終影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
一般簡單的減低過沖及振鈴訊號劣化現(xiàn)象的作法就是做阻抗匹配來讓訊號的源端、
末端阻抗特性連續(xù)，由公式(3)可容易看改變L及C值，可輕易達(dá)到增加或降低阻抗Zo。就
另外的濾通電路觀點(diǎn)而言，任何R、L、C的改變均會有濾通的效果，而過沖及振鈴相對
頻率相較于訊號的頻率高，故適當(dāng)?shù)腞、L、C可將過沖及振鈴訊號劣化現(xiàn)象做相當(dāng)程度
的濾除或衰減。圖五即為阻抗匹配后的訊號狀況。
邏輯分析儀量測信道的輸入阻抗
使用邏輯分析儀來量測訊號不外乎有兩種狀況。
（一）電路板動作正常，但需要量測芯片所傳送的訊號來加以分析譯碼；
（二）電路板誤動作，須監(jiān)看芯片所傳送的訊號是否有誤。
不論是哪一種狀況，工程師當(dāng)然是需要量測出準(zhǔn)確的訊號，最好就是電路
板上的訊號能忠實(shí)的呈現(xiàn)，也因如此，邏輯分析儀的量測精準(zhǔn)性就格外來得重
要。
影響邏輯分析儀的準(zhǔn)確性約略可由以下幾個(gè)參數(shù)指標(biāo)來看：
（一）量測通道的輸入阻抗；
（二）內(nèi)部采樣率；
（三）ＶＴＨ精度。
以下就單就量測通道的輸入阻抗來探討。
就如同示波器的一般，負(fù)載效應(yīng)（Loading effect）也是邏輯分析儀要考慮
的重要量測因素。當(dāng)我們進(jìn)行量測時(shí)，常常會誤以為所測得的訊號和未連入儀
器時(shí)是完全一樣的。實(shí)際上每個(gè)輸入探頭及通道都有其輸入阻抗，輸入阻抗包
含了電阻、電容和電感的分量。由于在量測時(shí)，引入了額外的負(fù)載，所以就會
影響到被測電路，所以當(dāng)我們分析量測時(shí)，必須考慮到探頭及信道的特性及測
試電路的阻抗。
因?yàn)檫壿嫹治鰞x所要量測的訊號數(shù)量太多，故通道數(shù)量也比示波器多上好
幾倍。在探頭的設(shè)計(jì)上也以一段電纜排線搭配鉤夾的方式處理，如此才能適用
于電路板上高密度的訊號走線量測。就探頭排線搭配鉤夾的阻抗特性而言，這
些探頭里沒有任何串聯(lián)的電阻及電子組件，因此，在其工作頻率范圍或有用帶
寬之內(nèi)，探頭對信號沒有衰減作用，就阻抗特性而言只有電纜線與鉤夾的阻
抗、容抗和感抗的分量，因此如何減低負(fù)載效應(yīng)的影響？這就得完全靠邏輯分
析儀本身的阻抗特性來達(dá)成。
在示波器探頭其中一類稱為有源探頭（Active Probe），探頭內(nèi)包含有源電子組
件可以提供放大能力；不含有源組件的探頭稱為無源探頭（Passive Probe），其中只
包含無源組件如電阻和電容，這種探頭通常對輸入訊號進(jìn)行衰減。而類似的，
邏輯分析儀的每個(gè)量測通道前端也有類似的做法，稱之為有源接口跟無源接
口。如圖六所示：下圖中，無源界面不外乎亦是由電阻、電容所組成，電容將
訊號耦合到輸出端，電阻是取出訊號的電壓。由電組和電容的值，將可推算出
其最佳的頻率響應(yīng)點(diǎn)，不是接近此頻率響應(yīng)點(diǎn)的輸入訊號將會大幅的衰減而失
真。
使用邏輯分析儀量測訊號
由上述的兩個(gè)章節(jié)中，從認(rèn)識訊號到量測信道的輸入阻抗探討中，更進(jìn)一步的就可
以來探討使用邏輯分析儀量測訊號。
假設(shè)現(xiàn)有一系統(tǒng)，在未連入邏輯分析儀之前的動作都正常，為了要分析訊號數(shù)據(jù)，
將邏輯分析儀連上之后，系統(tǒng)開始出問題并當(dāng)機(jī)；或者是在未連入邏輯分析儀之前的動
作不正常，為了要除錯(cuò)，將邏輯分析儀連上之后，系統(tǒng)卻正常了。此時(shí)身為工程人員就
必須想到是否是邏輯分析儀的負(fù)載效應(yīng)所造成結(jié)果。
圖十所示是訊號受到連上邏輯分析儀之后，因?yàn)樨?fù)載效應(yīng)造成訊號電流額外的消耗
而振幅變小，導(dǎo)致接收訊號端的芯片收到錯(cuò)誤的訊號。
圖十一所示為訊號原本的過沖及振鈴訊號劣化現(xiàn)象嚴(yán)重，接收訊號端的芯片收到的數(shù)據(jù)
都是錯(cuò)的，導(dǎo)致系統(tǒng)動作不正常，但連上邏輯分析儀之后，因?yàn)樨?fù)載效應(yīng)反而讓過沖及
振鈴訊號劣化現(xiàn)象減輕了，因而反倒讓系統(tǒng)動作正常。
接下來，要探討邏輯分析儀所量測到的資料是否正確的議題。假設(shè)所使用的邏輯分
析儀沒有（或是只有極小的）如上文中所探討的負(fù)載效應(yīng)，不會改變系統(tǒng)的訊號，但是
我們卻無從得知訊號透過探棒再到邏輯分析儀內(nèi)部的取樣芯片時(shí)，訊號是否已經(jīng)有了改
變？如有改變，那是否意味著量測出來的訊號數(shù)據(jù)也有可能有誤？如此這樣的資料可能
便不具有分析的意義，這樣的邏輯分析儀是否還是可以使用？圖十二說明了可能的情況：
圖十二中所示的探棒接口就是前文中所提過的有源／無源界面。這個(gè)接口如果是有
源接口，那經(jīng)過這個(gè)接口輸出后的訊號將比較能夠呈現(xiàn)出源頭訊號的樣貌；反之，若是
無源接口，那經(jīng)過這個(gè)接口輸出后的訊號將會有相當(dāng)程度的衰減，其衰減程度需視源頭
訊號的頻率與無源接口電路的頻率響應(yīng)關(guān)系。
圖十三所示：訊號經(jīng)過無源接口電路之后，偏高頻的過沖及振鈴訊號已被將當(dāng)程度
的衰減掉了。
邏輯分析儀實(shí)際使用狀況
綜觀完上述的的探討后，再來看看使用邏輯分析儀做實(shí)際的量測狀況。就正常的使
用狀況，工程人員不可能知道源頭訊號到了邏輯分析儀內(nèi)部之后會變成怎樣，是會有相
當(dāng)程度的失真還是會完全的呈現(xiàn)？除非拆了邏輯分析儀的機(jī)殼，且在清楚邏輯分析儀內(nèi)
部組件及電路特性之后，才有可能量測到源頭訊號到了邏輯分析儀內(nèi)部之后是變成怎
樣。所以在實(shí)際使用邏輯分析儀，如何辨識該邏輯分析儀是否所量測得的訊號數(shù)據(jù)是對
的還是錯(cuò)的？進(jìn)而辨識邏輯分析儀的好壞，以下將作實(shí)際的量測實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。
如圖十四，這是由示波器所量測的一個(gè)33MHz的訊號，可看出此訊號有過沖及振鈴
的現(xiàn)象。在圖中有兩個(gè)參數(shù)，好的邏輯分析儀在Threshold Voltage高于3.52V及低于
1.12V就可以測得第一次的上振鈴跟下振鈴。在此將使用不同的邏輯分析儀來量測此訊
號，再由邏輯分析儀所量測下來的數(shù)據(jù)來判定邏輯分析儀的優(yōu)劣。
圖十五與是邏輯分析儀Ａ所量測的結(jié)果。上圖是將Threshold Voltage設(shè)到1V時(shí)，就可
測到第一次的下振鈴；下圖是將Threshold Voltage設(shè)到3.8V時(shí)，就可測到第一次的上振
鈴。
圖十六是邏輯分析儀Ｂ所量測的結(jié)果。上圖是將Threshold Voltage設(shè)到0.5V了，還測不
到第一次的下振鈴；下圖是將Threshold Voltage設(shè)到4.5V了，還測不到第一次的上振
鈴。事實(shí)上，邏輯分析儀Ｂ經(jīng)過繁復(fù)測試，結(jié)果是完全測不出振鈴現(xiàn)象的。
由此可看出邏輯分析儀Ａ是優(yōu)于邏輯分析儀Ｂ的。
圖八所示的即為邏輯分析儀Ａ；
圖七所示的即為邏輯分析儀Ｂ。
結(jié)論
邏輯分析儀不是只光看表面上軟件的功能及體積的大小，如果連最基本的訊號
都無法測得或是測得的數(shù)據(jù)已經(jīng)不正確了，那即使軟件功能再怎樣強(qiáng)大，外觀做得
再怎樣好看，所有數(shù)據(jù)結(jié)果也只能丟棄不用。
毛刺、過沖、振鈴訊號是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的，若儀器無法量測出來，勢必會讓
工程人員的Debug時(shí)間更長，甚至陷入僵局，故慎選邏輯分析儀是十分重要的。
參考文獻(xiàn)：
[1]何寧,蔡鍵龍,高速電路設(shè)計(jì)中利用CTAB的阻抗補(bǔ)償方法, 2004.
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