电子测量与仪器课件第八章数据域测量与仪器1

第8章数据域测量与仪器8.1数据域测量的基本概念8.2数据域测试技术8.3逻辑分析仪本章小结1第8章波形测试与仪器学习参考：逻辑分析仪是数据域测量的主要工具，常用于数字系统的故障检测、故障定位、故障诊断以及数据流的检测与显示。本章主要介绍数据域测量技术及逻辑分析仪的组成原理与应用。要求通过学习掌握数据域测试方法，了解逻辑笔、逻辑分析仪的组成及应用，理解逻辑分析仪的工作原理。

本章要点：数据域测试方法、逻辑笔与逻辑分析仪的组成原理及应用。28.1数据域测量的基本概念传统时域测量仪器对模拟电路与系统的测试是行之有效的。但对于复杂数字电路与系统的测试却未必奏效，甚至完全无能为力。这是由数据域测量的特点所决定的。8.1.1数据域测量的特点数据域测量就是对数据流的测量，它面向的测量对象是数字逻辑电路。数字逻辑电路以二进制数字“0”和“1”的方式来表示信息。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数据流。因此，数字系统是以数据或数据字作为时间或时序的函数，而不是将电压作为时间或频率的函数。3数据域测量的内容包括数字系统或设备的故障检测、故障定位、故障诊断以及数据流的检测和显示。运行正常的数字系统或设备的数据流是正确的；如果数据流发生错误，则说明系统或设备存在故障。因此，只要检测出输入与输出的对应数据流关系，即可明确系统功能是否正常、判断出是否存在故障，并确定出故障的范围。

8.1.2数字系统的特点 数字系统以数据或数据字作为时间或时序的函数，具有以下特点： （1）数字信号是非周期性的 数字系统或设备按一定的时序工作。在执行一个程序时，许多信号只出现一次，或者仅在关键时刻出现一次（例4如中断事件）；某些信号虽然可能会重复出现，但并非是时域上的周期信号，例如子程序的调用。因此，数据域测试应能捕获单次信号和非周期信号，这对于示波器等传统仪器来说是很难做到的，更难以发现故障。 （2）数字信号是按时序传输的 数字系统或设备具有一定的逻辑功能，系统中的信号是有序的数据流，各信号之间具有严格的时序关系。因此，数据域测试应能分析各种信号的时序和逻辑关系，并能捕获单次信号和非周期信号。例如，程序的执行必须在规定的控制信号作用下，取出指令代码，进行译码，并发出完成该指令的控制信号，这些逻辑关系是在控制器的作用下完成的。5（3）数字信号是多通道传输的一个字符、一个数据、一条指令或地址是由多位数据（bit）组成的。因此，数据域测量仪器应具有多个输入通道，每个器件都与总线相接，如同“悬挂”在总线上（即“挂”在总线上），每个器件依靠一定的时序节拍脉冲工作。所谓总线是指能同时传输数字信息所需的可以复用的多根导线。（4）数字信息的传输方式多种多样数字信号是脉冲信号，数字信息则用高低电平及二者的组合来表示。数字信息可以以串行方式（bit）或并行方式（byte）传输，也可以同步传输或异步传输。并行传输比串行传输的信息传输速度快，但所需的硬件多。串行传输一般应用于远距离数据传输中。由于总线是复用的，因此，数据域测试6应能进行电平判别，确定信号在电路中的建立时间和保持时间，并注意设备的结构、数据格式和数据的选择，应能够从大量的数据流中捕获有分析意义的数据。 （5）数字信号的频率范围很宽 数字系统中，中央处理机具有ps(10-12s)量级的时间分辨力，而低速的外部设备如电传机输入键的选通脉冲却以ms(10-3s)计量，可见数字信号的频率范围很宽。因此，数据域测试仪器应能采集不同速度的数据。 （6）数字系统的故障判别与模拟系统不同模拟系统的故障主要根据电路中某些节点的电压或波形来判别，而数字系统中的故障判别往往依据信号间的时序和逻辑关系是否正常来判别。造成数字系统出错的数据常混在正确的数据流7中，有时发现故障时产生故障的原因早已过去。因此，在检测与判别故障时，既要分析出错后的信息状态，又要捕获出错前的信息状态。

8.1.3数据域测试仪器设备 数据域测试的目的是：判别数字电路或系统中是否存在故障，即故障的诊断；或者确定故障在电路或系统中的位置，即故障的定位。用于数据域测试仪器和设备包括以下几种： （1）万用表和数字电压表 万用表和数字电压表常用来测量数字电路或系统中各种模拟量的大小，例如，D/A变换器的输出、A/D变换器的输入等。8（2）逻辑笔和逻辑夹逻辑笔和逻辑夹常用于测试简单数字电路的状态，即测出电路某一点的状态是高电平、低电平，还是脉冲。逻辑夹可测得多路信号电平。（3）逻辑脉冲发生器（LG，LogicGenerator）逻辑脉冲发生器的外形与逻辑笔相似，能够产生数字电路所需的不同宽度、幅度及频率的逻辑脉冲信号。（4）逻辑分析仪逻辑分析仪是多线示波器与数字存储技术发展的产物，故又称为逻辑示波器。它能够对逻辑电路、甚至包括软件的逻辑状态进行记录和显示，实现对逻辑系统的分析。9（5）示波器示波器也是数字电路或系统调试及维修的常用测试仪器，用于测试脉冲的各种参数与信号幅度，比较输入信号的波形、相位、幅度及其相互关系。多通道的示波器与特征分析仪、逻辑分析仪一起常被用来测试数字系统的动态特性。8.1.4逻辑笔和逻辑夹1.逻辑笔逻辑笔具有结构简单、使用方便的特点，特别适合测试一般门电路和触发器的逻辑关系。图8.1为逻辑笔的外形结构图，顶端的两个红绿灯用于指示数字电路某一端点的逻辑状态，红灯亮表示是逻辑“1”（高电平），绿灯亮表示是逻辑“0”（低电平）。逻辑笔对被测点逻辑状态的响应如表8-1所示。10电源存储开关绿灯红灯探针图8.1逻辑笔外形结构图表8-1逻辑笔测试响应被测点逻辑状态逻辑笔响应稳定的逻辑“1”状态（+2.4V～+5V）红灯稳定亮稳定的逻辑“0”状态（0V～+0.7V）绿灯稳定亮在逻辑“1”与“0”中间状态（+0.8V～+2.3V）两灯均不亮单次正脉冲绿→红→绿单次负脉冲红→绿→红低频序列脉冲红绿灯交替闪烁为了便于记录下被测点的状态，逻辑笔具有记忆功能。当测试某点为高电平时，红灯点亮，如果此时将逻辑笔移开测试点，红灯仍继续亮。当不需要记录此状态时，可扳动逻辑笔上的存储开关使其复位。逻辑笔腰部的两个插孔可以各自提供一个正、负选通脉冲，将其中一个插孔与被测电路的某一选通点相接，逻辑笔将随着选11通脉冲的加入而做出响应，图8.2表示在to时刻提供负的选通脉冲时，逻辑笔响应为高电平、红灯亮的情况。 图8.3为逻辑笔的组成框图。被测点的逻辑状态由探针接入，电平检测器对信号电平与基准电压进行比较，选择与该信号对应的“0”电平通道或“1”电平通道进行脉冲扩展，进入判“0”判“1”网络（门电路），指示灯驱动器使对应颜色的指示灯点亮。若输入为中间电平，则不进入任何一路，指示灯不亮。输入保护“0”电平检测器“1”电平检测器“0”电平脉冲展宽“1”电平脉冲展宽探针判“0”判“1”网络指示灯驱动器指示灯图8.3逻辑笔电路框图122.逻辑夹逻辑笔在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。图8.4为逻辑夹的电路结构图，图中只画了16路输入信号中的一路，各路结构均相同。每个端点信号均通过一个门判电路，门判电路的输出通过一个非门驱动一个发光二极管，当输入信号为高电平时，发光二极管点亮。逻辑夹与逻辑脉冲发生器配合使用，可以迅速地查找出数字电路的逻辑故障。当逻辑脉冲发生器的信号频率较低时，逻辑夹可以很清楚地反映出门电路、触发器、计数器或加法器等全部输入端、输出端之间的逻辑关系。138.2数据域测试技术8.2.1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，由与门、或门、非门和各类触发器组成。逻辑电路的测试任务就是确认电路电平的高低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。通常规定正逻辑时的“1”为高电平，“0”为低电平，负逻辑时相反。门判电路+5V1～16路路图8.4逻辑夹的1路电路结构图14示波器、逻辑笔、逻辑比较器和逻辑脉冲发生器等仪器一般用于测试简单数字电路，例如，分立元件、中小规模集成电路、简单数字设备或复杂数字设备的部件。对于很简单的数字电路，可以利用小灯泡或发光二极管LED的亮暗以及小喇叭发声强弱来检测被测电平的高低、逻辑“1”、逻辑“0”以及脉冲的有无等。8.2.2数据域测试方法数据域测试的方法包括穷举测试法、伪穷举测试法和随机测试法。（1）穷举测试法图8.5为穷举测试示意图，图中穷举测试矢量产生电路，用来产生被测电路所需的所有可能的组合信号。穷举测试法15的实质是对被测电路输入所有可能的组合信号，然后测试与每一种输入组合信号相对应的全部输出是否正确。如果所有输入信号、输出信号的逻辑关系是正确的，则被测电路就是正确的；反之，被测电路就是错误的。最后根据比较结果给出“合格/失效”的指示。 穷举测试法的优点是能测试出存在的全部故障，即故障覆盖率为100%。缺点是测试时间较长，并随输入端数量的增加呈指数规律增加。 （2）伪穷举测试法 伪穷举测试法是把一个大电路划分成多个子电路，对每个穷举测试矢量产生电路被测电路参考电路比较合格/失效指示图8.5穷举测试示意图16子电路进行穷举测试。该方法可以节省大量的测试时间。 （3）随机测试法 用随机测试矢量产生电路代替图8.5中的穷举测试矢量产生电路，以产生随机的组合数据流序列，同时输入给被测电路和已知功能完好的参考电路；然后对被测电路和参考电路的输出进行比较；最后根据比较结果给出“合格/失效”的指示。 随机测试法一般很难达到100%的故障覆盖率，常用于测试要求不高的场合。

8.2.3故障类型、故障测试及故障定位 对于大规模集成电路、复杂的印制电路板、微型计算机系统等复杂数字逻辑系统的测试，除了涉及测试方法之外，还17要涉及到故障类型、故障测试、故障定位及测试数据流产生等的问题。以下主要讨论故障类型、故障测试及故障定位。 （1）故障类型 数字电路的故障类型一般分为物理故障和逻辑故障。由于数字电路内部连线断开或短接、元器件不良等原因产生的故障称为物理故障等。数字电路内部逻辑控制不正确产生的故障称为逻辑故障，例如由于程序流程不正确而产生的故障。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。目前，数字电路故障诊断的研究对象多限于固定性的逻辑故障。 （2）故障测试与故障定位 当一个数字电路实现的逻辑功能与无故障电路所实现的逻18辑功能不同时，就说明该电路存在故障。因此，根据这个原理来对数字电路进行故障测试与检测。故障测试包括部件测试和整机测试两种，前者是对单元电路进行的测试，而后者是对整个系统的测试。 故障测试的基本方法包括静态测试和动态测试两种。静态测试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，该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。动态测试是在输入端输入各种可能的组合数据流，通过测试输出数据流的情况来判断输出逻辑功能是否正确，该方法主要用于检测复杂数字系统的逻辑故障。另外，物理故障也可以引起逻辑功能的错误，因此，动态测试既可检测系统的逻辑故障，又可检测系统的物理故障，并最终将检测出的故障定位于一定的范围内。198.3逻辑分析仪逻辑分析仪（LA，LogicAnalyzer）是以单通道或多通道实时获取与触发事件相关的逻辑信号、并显示触发事件前后所获取的信号、供软件及硬件分析的一种仪器。它能够用表格、波形或图形等形式显示具有多个变量的数字系统的状态，也能用汇编形式显示数字系统软件，从而实现对数字系统硬件和软件的测试。随着微处理器技术在逻辑分析仪中的普遍应用，使逻辑分析仪能够更加方便地用于微处理器系统的调整与维护。8.3.1逻辑分析仪的分类逻辑分析仪包括逻辑状态分析仪和逻辑定时分析仪。逻辑状态分析仪（LSA，LogicStateAnalyzer）以二进制、十六进20制或ASCⅡ码等的状态显示被测逻辑状态，由被测系统提供采集数据的时钟脉冲，侧重于软件分析。逻辑定时分析仪（LTA，LogicTimerAnalyzer）以时域波形的形式显示被测信号，由逻辑分析仪自身提供采集数据的时钟脉冲，主要用于硬件分析。 目前，逻辑分析仪一般都具有逻辑状态分析仪和逻辑定时分析仪所具备的功能，已被广泛应用于数字集成电路、印制板系统、微处理器系统等数字系统的测试中。

8.3.2逻辑分析仪的特点 与示波器相比较，逻辑分析仪具有以下特点： （1）检测方法和范围 逻辑分析仪利用时钟脉冲进行采样，可以显示触发前后的21逻辑状态，显示范围等于时钟脉冲周期乘以存储容量。而示波器只能显示触发后扫描时间设定范围内的波形。 （2）输入通道 逻辑分析仪容易实现多通道（8、16个或更多）输入。 （3）触发方式 逻辑分析仪采用数字方式触发；能够根据多通道逻辑组合进行触发，故可以实现与系统动作同步触发；可以用随机窄脉冲进行触发；并能够进行多级按顺序触发。从而提高测试效率，扩展逻辑分析仪的应用。 （4）显示方式 逻辑分析仪能够低速读出存入存储器的数据，然后采用22多种方式显示，而且可以采用与被测系统同样的方法处理、显示数据，更加符合被测系统的实际工作情况，测量结果真实可靠。 （5）