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《機械設計與制造工程雜志》2014年第六期

1邏輯分析設備原理概述

邏輯分析儀是利用時鐘從測試設備上采集并顯示數字信號的儀器，主要用于時序判定。邏輯分析儀不同于示波器可以顯示模擬信號，它針對每一路信號輸入僅設置一個唯一的門限值，用于與被測信號進行強度大小比較，故輸出的是高于門限信號強度和低于門限信號強度的數字波形。采集效果如圖1所示。

2高精度狀態采集實現方案

根據上述邏輯分析設備工作原理，邏輯分析設備可以獲得復雜的模擬輸入信號與門限信號的強度比較關系，進而得到可以交給計算機處理的具有時間序列的數字信號，這種信號處理方法針對多路狀態量并行(如多路電信號的通斷檢測)采集和處理比較方便，如果希望通過該狀態采集的輸出結果還原初始模擬信號，就需要考慮輸出信號失真度過高的問題。根據狀態采集的技術原理和特點，下文將詳細介紹本文所研究設備的設計方案，核心技術是本文中提到的組合多路多門限狀態采集，一方面提高輸入采樣信號的時序精度，另一方面降低輸出信號的誤差。

2．1多路組合狀態采集方案多路組合狀態采集的具體技術方案，是在高精度時隙控制模塊的時隙控制下，形成一個時隙序列，并控制每個單路狀態采集模塊工作在確定的時隙內。這種控制方式下，如果單位時間按照時隙控制模塊分為N個時隙，則單位時間的組合狀態采集的時間精度就相當于單路狀態采集時間精度的N倍，如圖2(a)中時間軸所示。然后，再按照實際需要對每個狀態采集模塊門限信號的大小進行設置，如圖2(a)門限軸所示，形成輸入信號比較強度線性增長的門限序列，并對每個門限信號按照大小進行二進制標記。當被測模擬信號按照同樣的時隙劃分依次輸入到各個狀態采集模塊時，在每一個時隙里，只要判斷輸入信號處于哪兩個相鄰門限信號之間，把較小的門限信號的二進制標記作為輸出信號。在設備的輸出端按時隙順序關系將每路輸出結果進行組合，即可得到一個近似的按時隙的數字信號輸出，如圖2(b)所示。

2．2組合狀態采集核心模塊構成在具體硬件設計中，上述多路狀態采集采用的是模塊化設計方案，整個核心功能部分由信號輸入模塊、時隙控制模塊、多路狀態采集模塊和輸出模塊構成。為了便于用戶使用，在核心功能部分之外再加入上位機模塊，為用戶提供時隙精度控制、多個狀態采集門限信號控制和狀態采集結果輸出的人機界面接口，功能模塊的整體拓撲結構如圖3所示。由上述設計方案和模塊構成可知，該設計方案中硬件模塊的功能劃分清楚，可以滿足通過提高時隙控制模塊的時間精度進而提高組合采集精度并實現設備狀態采集時間精度的需要，還可以在狀態輸出端得到一定近似程度的數字輸出結果，便于后期的狀態采集結果處理。

3狀態采集精度影響因素分析

基于邏輯狀態采集的誤差，在其構成的各個主要模塊中都不可避免地存在，其狀態采集結果的精度同樣受到很多因素的影響，具體如下。

3．1硬件電路因素a．本文所研究的設備設計方案多處用到了微處理器、微控制器以及門限信號大小的設置，所以設備電源輸入的波動將引起整個狀態采集結果的波動，使得采集結果與真實結果之間產生差異。b．該設備采用了多路并行狀態采集方案，各個采集卡之間的共地干擾也將是一個影響采集結果準確性的因素。

3．2軟件設計因素組合多點狀態采集實現單路輸出，這種方案的數學模型就是一種通過分段投影擬合目標曲線的方法。該方法在本文所研究的設備中是通過直接比較輸入信號和門限信號強度大小，并將輸入信號曲線直接投影到距離最近的門限強度信號軸上，這是一種近似曲線擬合，在算法上存在固有的誤差。

4仿真實驗

基于上述多路組合狀態采集實現單路高精度采集的設計方案，本文利用Labview軟件進行虛擬儀器的程序開發，進而完成相關仿真實驗。實驗中，使用Labview編程，分別實現一個最大值為1的標準正弦波形模塊(代表模擬待測輸入信號)、一個2級和一個5級大小遞增的比較門限多路狀態采集模塊(代表多路組合狀態采集)，并且將上述狀態采集門限強度平均分布在0～1之間(代表時隙控制)，分兩次進行仿真實驗，得到比較結果輸出和數字輸出(代表單路狀態采集的波形輸出和數字輸出)，2級門限狀態采集結果見表1，5級門限狀態采集結果見表2。對比表1和表2可以看出:兩次實驗都獲得了近似的數字輸出，相對輸出結果曲線圖，可以得出5級門限序列組合狀態采集得到的輸出結果精度更高，模數轉換結果也更符合目標信號強度曲線，證明文中所提的邏輯分析設備的設計方案是可行的。表2得出的輸出結果與真實值之間的誤差很明顯，這是因為采集點數量有限，并且采集點分布平均，在這樣的條件下擬合一個未知信號的強度曲線是會產生較大誤差的。因此，可以通過增加采集點的方法，提高時隙控制模塊的控制精度來提高狀態采集的精度。

5結束語

本文提出了一種高精度邏輯分析設備的設計方案，并通過仿真實驗證明了該方案的有效性和可行性，同時在實驗分析過程中提出進一步提高采集精度的方法。該方案在工業生產和過程控制中有一定實際意義，對于升級現有邏輯分析儀的采集能力有一定參考價值。

作者：石瑞單位：中國電子科技集團公司第二十研究所