电子测量与仪器教学课件-第8章 数据域测量

1、第8章 数据域测量8.1 数据域测量的根本概念8.2 数据域测量技术8.3 逻辑分析仪8.1 数据域测量的根本概念 一、数据域测量的特点 数据域测量面向的对象是数字逻辑电路，这类电路的特点是以二进制数字的方式来表示信息。由于晶体管“导通和“截止可以分别输出高电平或低电平，分别规定它们表示不同的“1和“0数字，由多位0、1数字的不同组合表示具有一定意义的信息。在每一特定时刻，多位0、1数字的组合称为一个数据字，数据字随时间的变化按一定的时序关系形成了数字系统的数据流。图81 输入输出数据流 二、数字信号的特点 2数字信号按时序传递1数字信号一般为多路 3数字信号的传递方式 4数字信号的非周期性5

2、. 数字信号频率范围宽6数字信号为脉冲信号8.2 数据域测量技术 一、简单逻辑电路的简易测试 数字逻辑电路是以处理“0、“1组成的数字信号为目的的电路，它们由与门、或门、非门和各类触发器组成，因此，确认电路电平的上下是否符合逻辑值的规定，逻辑关系是否正确，当输入变化时，电路翻转是否正确，都是研究数字电路的根本任务。通常正逻辑规定，“1相当于高电平，“0相当于低电平，负逻辑时那么相反。 图82 根本逻辑元件的测试 1. 根本逻辑部件的测试 根本逻辑元件测试真值表 2逻辑笔的应用 记忆功能选通脉冲图85 选通脉冲的作用图86 逻辑笔内部电路框图图87 逻辑夹的1路电路结构 3逻辑夹的应用 逻辑笔在

3、同一时刻只能显示一个被 测点的状态，而逻辑夹可以同时显示多个端点的逻辑状态。 二、穷举测试和随机测试 1穷举测试法 由根本逻辑元件测试中，我们看到，数字电路测试的实质，就是对几个输入端参加2n个可能的组合信号，然后观察输出是否正确。如果对所有的输入信号，输出信号的逻辑关系都正确，那么这个数字电路就是正确的；如果输出的逻辑关系不正确，这个数字电路就是错误的。这种测试方法就是穷举测试法。 对于复杂的被测电路，以一个正确的电路作为参考电路，两电路加上同样的测试数据流，对它们的输出进行比较，如果两电路输出数据流 始终相同，那么被测电路是正确的，否那么被测电路是错误的，根据这个比较结果，给出“合格失效的

4、指示。穷举测试法如图88所示。 2伪穷举测试法 伪穷举测试的根本思想是，把一个大电路划分成数个子电路，对每个子电路进行穷举测试，总起来说，对数个子电路测试的输入组合数，远远低于对一个大电路进行穷举测试所需的输入组合数，因此，可大大节省测试时间。 3随机测试法 将图88中的“穷举测试矢量产生电路换成“随机测试矢量产生电路，该图即为随机测试法的原理框图。图中“测试矢量产生即“测试数据流产生的意思，该电路随机地产生输入可能的2n种组合数据的数据流，由它产生的随机或伪随机测试矢量序列(数据流序列)同时加到被测电路和功能完好的参考电路中，对它们的输出响应进行比 较，根据比较结果，给出“合格失效的指示。

5、1. 故障类型 数字电路的故障类型一般可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，都可以造成物理故障。数字电路内部控制逻辑不正确，称为逻辑故障。 另外，不随时间改变的故障称为固定性故障或永久故障，时隐时现的故障称为间发故障或间歇故障。 三、数据域测量技术 2故障测试和故障定位 当一个数字逻辑电路实现的逻辑功能和无故障电路所实现的逻辑功能不同时，表示这个电路就是有故障的电路，依据这个道理，就可实现对逻辑电路的故障测试和检测。假设知道了电路中各种可能的故障和其输出模式之间的关系，就有可能识别出故障，并把它们划分到尽可能小的元件集中，实现对逻辑电路的故障定位测试。 故障测试大体可

6、分为两种，一种是部件测试，即对单元电路进行测试；另一种是整机测试，即对整个逻辑系统的测试。 测试的根本方法分为两种： 一种是“静态测试，它是指不加输入信号或加固定电位时的测试，以判断电路各点电位是否正确，这种方法主要用于检测物理故障，根据有问题的 电位点，可将故障定位于某个器件。 另一种是数字电路的“动态测试，在输入端接入各种 可能的组合数据流，测试输出数据流的情况，以判断输出逻辑功能是否正确，这种方法主要用于检测复杂数字逻辑系统的逻辑故障。另外，物理故障也可以引起逻辑功能的不正确，为此，“动态测试既可以检测系统的逻辑故障，亦可以检测系统的物理故障，并且缩小范围，将检测出的故障定位于一定的范围

7、内，实现故障定位。 3测试产生问题 测试产生问题指的是如何得到能够检测电路全部“恒0、“恒1故障的测试信号流的问题，这个数据流称为“最小完全故障检测测试集，也就是 “最小完全测试集。一般可由通路敏化法、D算法、九值算法、布尔差分法等方法，确定出数字电路的 “完全故障测试集，然后，再将故障类型合并而得到“最小完全故障测试集。穷举测试法和随机测试法中，没有考虑复杂的测试产生问题，使测试产生问题简化，但同时带来的问题是测试时间的加长。随机测试法中，测试矢量长度确实定本质上也是一个测试产生的问题。 4可测试性技术 一个大规模集成电路设计得再好，如果在设计时，没有考虑测试问题，那么这个电路由于无法检查验

8、证其正确性，故不能投入实际使用。为此，在设计数字逻辑电路时，一定要同时考虑系统的测试问题，比方：多留一些与外电路连接的开关或引线脚，有意识地将数字电路划分成假设干个子电路等，使得数字电路的测试变得可能和容易。 数字电路的可测性有多种定义，其中之一是：假设对一数字电路产生和施加一组输入信号，并在预定的测试时间和测试费用范围内到达预定的故障检测和故障定位的要求，那么说 明该电路是可测的。 数字电路的可测性包括两种特性：可控性和可观察性。可控性是指通过外部输入端信号设置电路内部的逻辑结点为逻辑“1 和逻辑“0的控制能力。可观察性是指通过输出端信号观察电路内部逻辑结点的响应的能力。8.3 逻辑分析仪

9、逻辑分析仪可分为两大类：逻辑状态分析仪和逻辑定时分析仪。这两类分析仪的根本结构是相似的，主要区别表现在显示方式和定时方式上。逻辑状态分析仪用状态表方式显示被检测的逻辑状态，且由被测系统提供采集数据的时钟，而逻辑定时分析仪用定时图形方式显示被测信号，且由逻辑分析仪自己提供采集数据的时钟。图89 逻辑分析仪的根本组成框图一、逻辑分析仪的组成 二、逻辑分析仪的触发方式 逻辑分析仪可以同时采集多路信号，便于对被测系统正常运行的数据流的逻辑状态和各信号间的相互关系进行观测和分析。 为了能在较小的存贮容量范围内，采集和存贮所需观测点前后变化的波形，逻辑分析仪设有多种触发方式。在进行数字信号观测时，必须正确

10、选择触发方式。 1组合触发 逻辑分析仪具有“字识别触发功能，操作者可以通过仪器面板上的“触发字选择开关，预置特定的触发字，被测系统的数据字与此预置的触发字相比较，当二者符合 时产生一次触发。图810 四通道组合触发例 2延迟触发 在故障诊断中，常常希望既能看到触发点前的情况，又能看到触发点后的情况，这时那么可设置一个延迟门，当捕获到触发字后，延迟一段时间后再停止数据的采集，那么存贮器 中存贮的数据就包括了触发点前后的数据。 延迟触发常用于分析循环、嵌套循环一类程序(配合序列触发方式)，也常用于观察跳动性的偶然故障，因为它能够观察到跳动前后的有关信息。 延迟触发的一个极端情况是：当延迟门关闭数据

11、采集时，存贮器中数据的第一个字刚好是原设定的触发字，那么存贮器中存贮的数据全部是捕获触发字后的数据，这种触发称为始端触发。一般可控制延迟数刚好等于存贮容量的一半，可使触发字位于中间，这种特殊情况称为中心触发。 3限定触发 限定触发是对设置的触发字加限定条件的触发方式。有时设定的触发字在数据流中出现较为频繁，为了有选择地存贮和显示特定的数据流，逻辑分析仪中增加一些附加通道作为约束或选择所设置的触发条件。例如，对前述四通道触发字的选择再参加第五个通道Q，设定当Q0时，触发字有效，Q1时，触发字无效，第5个通道Q只作为触发字的约束条件，并不对它进行数据采集、存贮、显示，仅仅用它筛选去掉一局部触发字，

12、这就是限定触发方式。 4序列触发 序列触发是为检测复杂分支程序而设计的一种重要触发方式。当采样数据与某一预先设定的字序列(而不是一个字)相符后才触发跟踪数据流。序列触发例如图811所示，假设规定执行通路2的程序后，分析仪才触发跟踪，那么分析仪必须在捕获2849，284A，284C和284E状态序列后，才从286F状态开始跟踪数据流。这个例子是多级序列触发的例子。图811 序列触发实例 5计数触发 较复杂的软件系统中常常有嵌套循环的情况存在，在逻辑分析仪的触发逻辑中设立一个“遍数计数器，那么就能针对某次需观察的循环进行跟踪，而对其它各次循环不进行跟 踪。例如在图812的嵌套循环中，假设要求检查第

13、9次I循环和第8次J循环后的第7次K循环时，在状态2841后的情况，那么分析仪应先获得如下序列时： 2830 1次 然后 28AE 9次 然后 28A5 8次 然后 2841 7次 开始跟踪数据流，即在2840状态出现1398次(911l3+813+7)后跟踪数据流。 6“毛刺触发 利用滤波器从输入信号中取出一定宽度的脉冲作为触发信号，可以在存贮器中存贮毛刺出现前后的数据流，有利于观察和寻找由于外界干扰而引起的数字电路误动作的现象和原因。 当事件l或事件2出现n次后产生触发； 事件1出现n次后出现事件2产生触发信号； 事件l出现n次后出现非事件2产生触发信号。除了上述介绍的6种触发方式外，有的

14、逻辑分析仪还有一些其它触发方式，如： 三、逻辑分析仪的显示方式 4映像显示方式1 定时式显示方式 2状态表显示方式3图解显示方式 1 定时式显示方式 定时显示方式，是以逻辑电平表示的波形图的形式将存贮器中的内容显示在CRT屏幕上，这种方式显示的是一连串经过整形后的类似方波的波形，高电平代表1，低电平代表0，显示逻辑电平与时间的关系。由于显示的不是被测点信号的实际波形，所以也称为“伪波形或“伪时域波形。这种方式可以将存贮器的全部内容按通道顺序显示出来，也可以改变通道顺序显示，以便于进行分析和比较。显示波形的实例如图813所示。图813 定时式显示 2状态表显示方式 状态表显示方式可以以各种数制进

15、行，如：二进制、八进制、十进制或十六进制形式。它是将存贮器内容显示在CRT屏幕上，显示情况如图814所示。图(a)中表示的是几种数制混合显示的情况。有的逻辑状态分析仪还能进行反汇编，把总线上出现的数据翻译成助记符，在显示器上显示程序表，如图814(b)所示。 图814 状态表显示 3图解显示方式 图解显示是将CRT屏幕的x方向作为时间轴，将y方向作为数据轴进行显示的一种方式。将欲显示的数字量通过DA变换器转变成模拟量，将此模拟量按照存贮器中取出数字量的先后顺序显示在CRT屏幕上，形成一个图像的点阵。 图815 BCD计数器图解显示图816 程序运行图解显示 4映像显示方式 映像显示是把逻辑分析

16、仪存贮器的全部内容以点图形式一次显示出来。与图解显示不同，这种显示方式是将每个存贮器字分为高位和低位两局部，分别经由X，Y方向DA变换器变换为模拟量，送入CRT的X与Y通道，那么每个存贮器字点亮屏幕上的一个点。 假设计数器有故障，那么点图形将发生变化，即使是无经验的操作员，也能对照正确的映像图， 发现CRT显示的图形是否正确，假设图形与正确的映像图不同，那么表示被测系统出现故障，这种方法比逐行检查状态表要方便得多。图817 映像显示图818 程序运行的映像图 用映像显示方式也可观察程序的运行情况。与图解显示方式相同，用分析仪观察微机的 地址总线，CRT上的每个亮点是程序运行中一个地址的映像，图

17、818给出了某程序存贮与运行映像图的对照。图中以三个“+符号标示了地址单元的坐标位置。 逻辑分析仪首先对被测系统进行数据采样。使用被测系统时钟脉冲作为采样脉冲的采样方式称为同步采样；使用仪器内部产生的时钟对被测系统的输入数据进行采样的方式称为异步采样。由于分析仪内部时钟频率一般较被测系统高得多，这样使单位时间内得到的信息量增多，提高了分辨力，从而显示的数据更精确。图819给出了同步采样和异步采样工作波形的比较，同步采样无法检测两相邻时钟间的干扰波形，而异步采样可以检测出波形中的“毛刺干扰，并将它存贮到存贮器中记录下来。 四、逻辑分析仪的应用图819 同步采样和异步采样工作波形比较 逻辑分析仪的

18、存贮器通常采用RAM存贮数据，以便方便地观察瞬变过程，采用异步采样方式时，存贮器的容量相对要求大些。 数据存贮过程中，应注意选择适宜的触发方式，以便存入适当的所需的检测数据流。逻 辑分析仪也可不采用触发方式工作，使被测系统数据不断存入存贮器，待存贮器存满之后，自动进入显示过程。 显示过程中，应针对不同的测试对象，选择适宜的显示方式。 逻辑分析仪的工作过程就是数据采集、存贮、触发及显示的过程，由于它采用了数字存贮技术，可将数据采集工作和显示工作分开进行，也可同时进行，必要时，对存贮的数据可以反复进行显示，以利于对问题的分析和研究。逻辑分析仪可广泛地应用于数字系统的测试中，如：数字集成电路测试，印

19、制板系统测试，微处理器系统测试，下面逐一进行介绍。 1测试数字集成电路 将数字集成电路芯片接入逻辑分析仪中，利用适当的显示方式，得到具有一定规律的图像。如果显示不正常，可以通过显示中不正确的图形，找出逻辑错误的位置。图820 测量RAM2114连线图 2测试时序关系及干扰信号 利用逻辑定时分析仪，可以检测数字系统中各种信号间的时序关系、信号的延迟时间以及各种干扰脉冲等。 例如，测定计算机通道电路之间的延迟时间时，可将通道电路的输入信号接至逻辑分析仪的一组输入端，而将通道电路的输出信号接至逻辑分析仪的另一组输入端，然后利用脉冲间隔的变化，在荧光屏上显示出输出与输入波形间的延迟时间。 计算机的外部

20、设备，如磁带机或磁盘机，在使用中常常会出现“毛刺型干扰脉冲，对于这种偶发的窄脉冲信号，用示波器很难捕捉到，而逻辑分析仪却可以使用“毛刺触发工作方式，迅速而准确地捕捉并显示出来。3检测微处理机系统的运行情况 (1)监视微处理器的加电功能 各种微处理器系统加电后，复位电路将特定的地址送到地址总线上，如：FFFEH和FFFFH，这两个地址单元的内容进入程序计数器PC，总控程序就从这里开始。为了监视微处理器的加电功能，应设置地址总线上的信息FFFEH为触发字，由该触发字开始采集并显示地址信息，如果地址信息正确，说明微处理器加电功能正常。 (2)监视中断功能 中断事件在微处理器系统中是随机的偶发事件，微处理器唯一能知道的地址是中断矢量地址。在监视中断功能时，将某一中断源的中断矢量地址作为触发字，触发方式采用中心触发方式，以便存贮和显示中断前后堆栈的内容及中断效劳程序的执行情况。 (3)监视数据传送 微处理器可以通过异步通信接口与其它数字系统进行数据传送。为了监视数据传送功能，可将存贮器缓冲区的首地址作为触发字进行跟踪触发，检测发出或接收到的数据的正确性，以便监视异步通信功能的正确性。 4数字系统的自动测试系统 由微型计算机(带GPIB总线控制功能)、逻辑分析仪和