第8章 數(shù)據(jù)域測量技術(shù)

第8章數(shù)據(jù)域測量技術(shù)

8.1數(shù)據(jù)域測試的基本概念8.2數(shù)據(jù)域測量技術(shù)8.3邏輯分析儀8.1數(shù)據(jù)域測試的基本概念在測量儀表中，數(shù)字化的測量方法不僅比傳統(tǒng)的模擬的測量方法精度高、測試功能更強(qiáng)，而且還易于實現(xiàn)測試的智能化和自動化。為了解決數(shù)字設(shè)備在研制和生產(chǎn)、檢修中的測試問題，一種新的測試技術(shù)便應(yīng)運而生了.由于這些設(shè)備的信息載體主要是二進(jìn)制數(shù)，為了區(qū)別時域和頻域的測量，常把這一類測試技術(shù)稱為數(shù)據(jù)域測試技術(shù)。8.1.1數(shù)據(jù)域測試的特點

數(shù)據(jù)域測試的對象主要是數(shù)字系統(tǒng)，包括芯片、印刷電路板（PCB）、設(shè)備乃至系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的測試相比較，數(shù)據(jù)域測試有許多優(yōu)點。（1）被測信號持續(xù)時間短。（2）被測信號故障定位難。（3）被測信號的非周期性。（4）信息傳遞方式的多樣化。（5）數(shù)字電路的可測性設(shè)計和內(nèi)在自測性設(shè)計技術(shù)。數(shù)據(jù)域測試技術(shù)的最新發(fā)展之一是無接觸測試，即在測試儀器與被測板之間沒有接觸，省去了各種測試夾具及連接器。目前已被采用的有自動視覺測試儀（AVT）和熱圖像處理等技術(shù)。8.1.2數(shù)字信號的特點

（1）數(shù)字信號一般為多路。（2）數(shù)字信號按時序傳遞。（3）數(shù)字信號的傳遞方式。（4）數(shù)字信號的非周期性。（5）數(shù)字信號頻率范圍寬。8.2數(shù)據(jù)域測量技術(shù)8.2.1簡單邏輯電路的簡易測試

數(shù)字電路是以“0”、“1”組成的數(shù)字信號為目的的電路，他們由與門、或門、非門和各類觸發(fā)器組成。因此，確認(rèn)電路電平的高低是否符合邏輯的規(guī)定，邏輯關(guān)系是否正確，當(dāng)輸入變化時，電路翻轉(zhuǎn)是否正確，都是研究數(shù)字電路的基本任務(wù)。對于較簡單的數(shù)字電路，可以利用示波器、邏輯筆、邏輯比較器和邏輯脈沖發(fā)生器等簡單而廉價的數(shù)據(jù)域測量儀器來進(jìn)行測試。被測電平的高低可以用小燈泡或發(fā)光二極管（LED）的亮暗以及小喇叭發(fā)聲的強(qiáng)弱來檢測。

1.基本邏輯部件的測試(a)與門

(b)或門

(c)非門圖8.1基本邏輯元件的測試對基本部件的測試可以用8.1的電路來進(jìn)行，其中（a）、（b）、（c）分別為測試與門、或門和非門的電路。輸入信號與發(fā)光二極管亮暗的真值表如表8-1所示。如果發(fā)光二極管的亮滅與表中不同，則認(rèn)為電路功能可能有錯。器件輸入組合K2置1K2置2與門0011011亮亮亮滅滅滅滅亮或門

0011011亮滅滅滅滅亮滅亮非門01滅亮表8-1基本邏輯元件測試真值表8.2.2窮舉法和隨機(jī)測試

1.窮舉測試法在基本邏輯元件測試中，我們看到，數(shù)字電路測試的實質(zhì)。就是對n個輸入端加入2n個可能的組合信號，然后觀察輸出是否正確。如果對所有的輸入信號，輸出信號的邏輯關(guān)系都正確，則這個數(shù)字電路是正確的。如果輸出的邏輯關(guān)系不正確，這個數(shù)字電路作為參考電路。兩電路加上相同的測試數(shù)據(jù)流，對它們的輸出進(jìn)行比較。如果兩電路輸出數(shù)據(jù)流始終相同，則證明被測電路是正確的，否則被測電路是錯誤的。根據(jù)這個比較結(jié)果，給出“合格/失效”的指示。窮舉測試法如圖8.2所示。

窮舉測試法的優(yōu)點是能夠100%的測試出故障，但是測試時間隨著輸入端n的增加呈指數(shù)增加。例如，n=4時，2n=16，即輸入端數(shù)為4時，輸入信號有16種可能的組合情況；n=8時，2n=256；n=16時，2n=65536。

以此類推，當(dāng)n很大時，窮舉測試所需的時間太長導(dǎo)致無法使用，因此，近年來又提出了偽窮舉測試技術(shù)。有興趣的讀者可以找一下這方面的資料。窮舉測試矢量產(chǎn)生被測電路參考電路比較圖8.2窮舉測試示意圖2.隨機(jī)測試法將圖8.2種的“窮舉測試矢量產(chǎn)生”電路換成“隨機(jī)測試矢量產(chǎn)生”電路，該圖即成為隨機(jī)測試法的原理框圖。圖中的“測試矢量產(chǎn)生”產(chǎn)生的就是測試的矢量數(shù)據(jù)流。它能夠隨機(jī)的產(chǎn)生輸入2n種組合的數(shù)據(jù)流，由它產(chǎn)生的隨機(jī)或偽隨機(jī)測試矢量序列同時加到被測電路和已知功能完好的參考電路中，對他們的輸出響應(yīng)進(jìn)行比較，根據(jù)比較，給出評定。隨機(jī)矢量產(chǎn)生器可以由軟件也可以由硬件構(gòu)成。8.3邏輯分析儀邏輯分析儀是屬于總線分析儀一類的數(shù)據(jù)域測試儀器。它主要用于查找總線（或多線）相關(guān)故障，是數(shù)據(jù)域測試中使用最廣泛的一種儀器。8.3.1邏輯分析儀的基本組成

邏輯分析儀的基本結(jié)構(gòu)組成如圖8.3所示。圖8.3邏輯分析儀的基本組成由圖8.3可見，邏輯分析儀主要由數(shù)據(jù)捕獲和數(shù)據(jù)顯示兩部分組成。數(shù)據(jù)捕獲部分用來捕獲并存儲要觀察的數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)輸入部分將各通道的輸入變換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)流：而觸發(fā)產(chǎn)生部分則根據(jù)數(shù)據(jù)捕獲方式，在數(shù)據(jù)流中搜索特定的數(shù)據(jù)字。當(dāng)搜索到特定的數(shù)據(jù)字時，就產(chǎn)生觸發(fā)信號以控制數(shù)據(jù)存儲器開始存儲有效數(shù)據(jù)或停止存儲數(shù)據(jù)，以便將數(shù)據(jù)流進(jìn)行分塊。數(shù)據(jù)顯示部分則將存儲器里的有效數(shù)據(jù)以多種顯示方式顯示出來，以便對捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。整個系統(tǒng)的工作受外時鐘或內(nèi)時鐘的控制。8.3.2邏輯分析儀的觸發(fā)方式

正常運行的數(shù)字系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流是很長的，各數(shù)據(jù)流的邏輯狀態(tài)也各不相同，而存儲數(shù)據(jù)的存儲容量和顯示數(shù)據(jù)的屏幕尺寸是有限的。因此要全部一個不漏地存儲或顯示這些數(shù)據(jù)是不可能的。邏輯分析儀設(shè)置觸發(fā)的目的就在于選擇數(shù)據(jù)流，以便對關(guān)鍵數(shù)據(jù)流進(jìn)行存儲和分析。一旦選定的數(shù)據(jù)字在某一時刻出現(xiàn)，就立即產(chǎn)生一個脈沖作為觸發(fā)標(biāo)志，用來啟動或結(jié)束跟蹤。用于觸發(fā)的數(shù)據(jù)字也稱觸發(fā)字，一般有以下七種觸發(fā)方式。1.組合觸發(fā)組合觸發(fā)也稱基本觸發(fā)，即將邏輯分析儀各通道的信號與各通道預(yù)置的觸發(fā)字進(jìn)行比較，當(dāng)一一對應(yīng)的各位相同時，則產(chǎn)生觸發(fā)信號。2.手動觸發(fā)在測量時，利用手動觸發(fā)方式可以在任何時候加以觸發(fā)或強(qiáng)制顯示測量數(shù)據(jù)。3.延遲觸發(fā)延遲觸發(fā)即在觸發(fā)產(chǎn)生時不立即跟蹤，而是經(jīng)過一段時間的延遲才跟蹤。在故障診斷中，常希望既能觀察觸發(fā)點前的信息，又能觀察觸發(fā)點后的信息。在延遲觸發(fā)方式中專門設(shè)置了一個數(shù)字延遲電路。當(dāng)捕獲到觸發(fā)字后，延遲一段時間再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，則存儲器中存儲的數(shù)據(jù)包括了觸發(fā)點前后的數(shù)據(jù)。延遲觸發(fā)應(yīng)與起始觸發(fā)和終止觸發(fā)方式配合使用。4.序列觸發(fā)序列觸發(fā)是為了檢測復(fù)雜分支程序而設(shè)計的一種重要觸發(fā)方式。它由多個觸發(fā)字按預(yù)先確定的關(guān)系排列，只有當(dāng)被測試的程序按觸發(fā)字的先后次序出現(xiàn)時，才能產(chǎn)生一次觸發(fā)。圖8.4為四級序列觸發(fā)過程示意圖。5.限定觸發(fā)限定觸發(fā)是對設(shè)置的觸發(fā)字加限定條件的觸發(fā)方式。如有時選定的觸發(fā)字在數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)較為頻繁，為了有選擇地捕捉、存儲和顯示特定的數(shù)據(jù)流，可以附加一些約束條件。這樣，只要數(shù)據(jù)流中未出現(xiàn)這些條件，即使觸發(fā)字頻繁出現(xiàn)，也不能進(jìn)行有效地觸發(fā)。圖8.5為限定觸發(fā)信號產(chǎn)生原理圖。圖8.4四級觸發(fā)序列示意圖圖8.5限定觸發(fā)信號產(chǎn)生原理圖6.計數(shù)觸發(fā)采用計數(shù)的方法，當(dāng)計數(shù)值達(dá)到預(yù)置值時才產(chǎn)生觸發(fā)。在較復(fù)雜的軟件系統(tǒng)中有嵌套循環(huán)時，常用計數(shù)觸發(fā)對循環(huán)進(jìn)行跟蹤。7.毛刺觸發(fā)毛刺觸發(fā)是利用濾波器從信號中取出一定寬度的干擾脈沖作為觸發(fā)信號。然后存儲毛刺出現(xiàn)前后的數(shù)據(jù)流，以利于觀察和尋找由于外界干擾而引起的數(shù)字電路誤動作的現(xiàn)象和原因。8.3.3邏輯分析儀的顯示方式

邏輯分析儀可根據(jù)用途不同，把已存入存儲器中的數(shù)據(jù)處理成便于觀察分析的格式顯示在CRT上。邏輯狀態(tài)分析儀常采用各種狀態(tài)表及圖形顯示；而邏輯定時分析儀則常采用定時圖顯示。1.狀態(tài)表顯示狀態(tài)表顯示是采用各種數(shù)制以表格形式顯示狀態(tài)信息。通常用十六進(jìn)制數(shù)顯示地址和數(shù)據(jù)總線上的信息，用二進(jìn)制數(shù)顯示控制總線和其他電路接點上的信息，如表8-2所示，適用于軟件調(diào)試。2.反匯編顯示多數(shù)邏輯分析儀都具有反匯編功能，把總線上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)翻譯成各種微處理器的匯編語言源程序，如表8-3所示。地址(HEX)數(shù)據(jù)(HEX)狀態(tài)(BIN)2850341101028517F0101128529D110002853AC00111………表8-2狀態(tài)表顯示地址(HEX)數(shù)據(jù)(HEX)操作碼操作數(shù)(HEX)2000214200LDHL，2042H20030604LDB，04H200597SUBA200623INCHL………表8-3反匯編顯示定時顯示好像多通道的示波器顯示多個波形一樣，把已存入存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)按時間變化的偽波形顯示出來。它以邏輯電平表示波形圖，顯示的是一串經(jīng)過整形后類似方波的波形。在某一時刻的高、低電平分別看做“1”、“0”，各通道的信號波形反映該通道在等間隔離散時間點上信號的邏輯電平值。由于它們已被重新構(gòu)造，顯示的波形不是實際波形，所以也稱“偽波形”或“偽時域波形”。定時圖顯示多用于硬件分析，例如分析集成電路各輸入／輸出端的邏輯關(guān)系，計算機(jī)外部設(shè)備的中斷請求與CPU的應(yīng)答信號的定時關(guān)系等。3.圖解顯示圖解顯示是利用D/A轉(zhuǎn)換器將要顯示的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量。它類似于示波器的X-Y模式顯示，x軸表示數(shù)據(jù)出現(xiàn)的實際順序，Y軸表示數(shù)據(jù)通道的模擬數(shù)值，刻度可由用戶設(shè)定，但是它形成的是圖像點陣。圖8.6顯示的是一個簡單的BCD十進(jìn)制計數(shù)器的工作波形。圖8.6數(shù)據(jù)序列顯示圖

BCD計數(shù)器從零開始計數(shù)，來一個時鐘脈沖計數(shù)值增1，其狀態(tài)變化的數(shù)字序列為。

0000-0001-0010-0011-0100-0101-0110-0111-1000-1001，計滿10個脈沖后又開始新一輪的循環(huán)。數(shù)據(jù)在時間軸上按先后出現(xiàn)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后形成遞增的模擬量。由此在屏幕上形成由左節(jié)方開始向右上方移動的10個亮點。如此循環(huán)、這種顯示模式多用于檢查一個帶有大量子程序的執(zhí)行情況。4.影射圖顯示影射圖顯示把每個數(shù)據(jù)與屏幕上的每個光點聯(lián)系起來。如果數(shù)據(jù)是8位，則可把屏幕左上角的光點用“00”表示，右下角的光點用“FFH”表示，其他光點按從左到右、從上到下、由小到大的規(guī)律分布在屏幕上。

如果用邏輯分析儀觀察微機(jī)的地址總線，則每個光點是程序運行中一個地址的影射。圖8.7(a)、（b）表示的是某程序存儲與運行影射圖的對照。三個“＋”號表示地址單元的坐標(biāo)位置。圖8.7程序存儲與影射對照圖5.分解模塊顯示高層次的邏輯分析儀可設(shè)置多個顯示模式。如將一個屏幕分成兩個窗口顯示，上窗口顯示該處理器在同一時刻的定時圖；下窗口顯示經(jīng)反匯編后的微處理器的匯編語言源程序。由于上、下兩個窗口的圖形在時間上是相關(guān)的，因而對電路的定時和程序的執(zhí)行可同時進(jìn)行觀察，軟硬件可同時調(diào)試。8.3.4邏輯分析儀的基本應(yīng)用

1.數(shù)字系統(tǒng)軟件測試

用邏輯分析儀測試數(shù)字系統(tǒng)軟件，主要是在跟蹤數(shù)據(jù)流時。如何有選擇地捕獲有效數(shù)據(jù)，即如何設(shè)置正確的觸發(fā)字和觸發(fā)方式，建立合適的數(shù)據(jù)顯示窗口。(a)簡單分支程序(b)程序測試的設(shè)置圖8.8簡單分支程序的測試圖8.8為簡單的分支程序及觸發(fā)條件設(shè)置圖。程序流程有兩條通路到達(dá)034E,A通路經(jīng)03CF到達(dá)034E；B通路經(jīng)037B到達(dá)034E.如果希望分析A通道的數(shù)據(jù)流，可以通過邏輯分析儀進(jìn)行跟蹤顯示。2.微處理器測試在微機(jī)系統(tǒng)中，微處理器的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線之間的時序關(guān)系對系統(tǒng)的可靠性是十分重要的。由于邏輯分析儀具有多個輸入通道，因此可同時將三組總線的信息進(jìn)行采集、顯示，從而得出其定時關(guān)系。3.測試數(shù)字集成電路將數(shù)字集成電路接入邏輯分析儀中，通過選擇適當(dāng)?shù)娘@示方式得到具有一定規(guī)律的圖形。如果顯示不正常，可以通過顯示過程中不正確的圖形，找出邏輯錯誤的位置。如采用邏輯分析儀可對RAM6116的存儲性能進(jìn)行檢查，圖8.9為測試連線圖。

圖8.9集成電路測試連接圖從圖中、可以看出，RAM6116是2KB×8位靜態(tài)隨機(jī)存儲芯片，具有1