數(shù)字電路故障診斷

本科畢業(yè)設計(論文)數(shù)字電路故障診斷摘要數(shù)字電路是當前形式使用最普遍的一種電路結構，相比于模擬電路，精度高、可靠性好、可大規(guī)模集成的特點，它的出現(xiàn)極大的推動了社會的發(fā)展，同時也提高了器件的使用質量。數(shù)字電路由于制作精細，集成度高，一旦某個部分出現(xiàn)問題，將會影響整個電路的質量，甚至出現(xiàn)不可挽回的損失。本論文主要是闡述數(shù)字電路在使用中的常見故障，以及對數(shù)字電路測試中的故障診斷，介紹對數(shù)字電路的測試方法，通過例子說明方法的運用，主要說明用于數(shù)字電路的通路敏化法，D-算法，數(shù)字電路的VHDL描述以及仿真運用。關鍵字:數(shù)字電路故障診斷通路敏化法D-算法

AbstractDigitalcircuitiscurrentlythemostwidelyusedofacircuitstructure.It’shighprecision,goodreliabilityandcanbelarge-scaleintegration.Notonlydoesthedevelopmentofdigitalcircuitwhichhavesastrongimpetustosociety,butalsoimprovesthequalityoftheusingdevice.Duetodigitalcircuit’sfinelyproducing,apartofproblem,itwillaffectthequalityofthewholecircuit,orevenirreparabledamage.Thispaperistodescribeandtestthecommonfaultsofdigitalcircuitinuse,wherethefaultwillbefoundthroughtestingmethods.Itintroducesdigitalcircuittestingmethodsbyexample.Includingthepathsensitizationmethod,D-algorithm,theVHDLdescriptionandsimulationofdigitalcircuits.KeyWord:digitalcircuitfaultdiagnosispathsensitizationmethodD-algorithm目錄HYPERLINK摘要 1HYPERLINK關鍵字 1HYPERLINKAbstract 2HYPERLINKKeyWord 2HYPERLINK第1章前言 4HYPERLINK1.1數(shù)字電路的發(fā)展史 4HYPERLINK1.2數(shù)字電路的分類與特點 5HYPERLINK1.3數(shù)字電路的運用 6HYPERLINK第2章數(shù)字電路的故障 8HYPERLINK2.1數(shù)字電路故障的由來 8HYPERLINK2.2數(shù)字電路故障的特點 9HYPERLINK2.3集成數(shù)字電路故障的分類 9HYPERLINK第3章數(shù)字電路測試 12HYPERLINK3.1競爭與冒險 12HYPERLINK3.2集成數(shù)字電路故障測試 13HYPERLINK3.2.1通路敏化法 15HYPERLINK3.2.2D-算法 17HYPERLINK3.2.3故障檢測試驗 23HYPERLINK3.2.4基于Max-plus2的數(shù)字電路測試 25HYPERLINK3.2.5數(shù)字電路的可測試設計 32HYPERLINK總結 34HYPERLINK謝辭 34HYPERLINK參考文獻 35第1章前言1.1數(shù)字電路的發(fā)展史數(shù)字化已成為現(xiàn)今世界的潮流，不管在哪個領域，只要可以用數(shù)字化實現(xiàn)的，都將是它的發(fā)展方向。數(shù)字化的主體是數(shù)字電路，而數(shù)字電路是數(shù)字電子技術的核心，是計算機硬件電路、通信電路、信息與自動化的基礎。所謂數(shù)字電路就是用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進行算術運算和邏輯運算的電路，數(shù)字電路的發(fā)展與模擬電路一樣經歷了由電子管、半導體分立器件到集成電路等幾個時代。由于數(shù)字電路的穩(wěn)定性好，抗干擾能力強等特點，發(fā)展比模擬電路更快。從60年代開始，數(shù)字集成器件以雙極型工藝制成了小規(guī)模邏輯器件。隨后發(fā)展到中規(guī)模邏輯器件；70年代末，微處理器的出現(xiàn)，使數(shù)字集成電路的性能產生質的飛躍，發(fā)展成大規(guī)模乃至超大規(guī)模邏輯器件。由簡單的二進制、四進制、八進制等發(fā)展成多進制，運用非常廣泛。所謂的數(shù)字化就是用0和1表示電路的流通信息，控制信息，它相比于模擬電路的波形傳輸要簡單的多，而且抗干擾能力也很強，對于不同的輸入電勢，我們可以根據(jù)不同的方法劃分，劃分電勢點，從而得出高低電平之分，這樣可以大大的提高抗干擾能力。在電路的傳播過程中終將會出現(xiàn)電流，電壓的衰弱與增強，如果是模擬電路，影響是很大的，甚至會導致波形失真，但是數(shù)字電路不同，假定的劃分電勢，在一定范圍內，都被規(guī)定了，傳輸?shù)?，1信息有較大的波動范圍，即使與原本有出入，那也會影響很小，這就是數(shù)字電路的優(yōu)勢，所以數(shù)字電路的發(fā)展是主流。數(shù)字電路的出現(xiàn)與發(fā)展是伴隨著計算機的，我們知道，計算機的代碼就是由很多的0，1組成，這就讓數(shù)字電路與計算機更加貼近，計算機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就是這些數(shù)字電平，我們可以毫無質疑的說，有計算機的地方就存在數(shù)字電路的使用，而且數(shù)字電路的可集成性也使其體積大大降低，在功耗等多方面都具有很大的優(yōu)勢，為此我們應該多了解數(shù)字電路，對于數(shù)字電路的檢測我們應該給予重視。1.2數(shù)字電路的分類與特點數(shù)字電路按功能可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩種。組合邏輯電路（簡稱組合電路）是由最基本的邏輯門電路構成，任意時刻的輸出信號僅僅取決于該時刻的輸入信號，與電路的原來狀態(tài)或初始態(tài)無關，換句話說電路中不包含存儲單元，常見的組合電路有編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器、數(shù)值比較器等。由于組合電路的輸出只由輸入決定，而買一個門電路或多或少都會有一些延時，故組合電路不可避免會出現(xiàn)輸出錯誤的情況，這就是組合電路的競爭-冒險，產生的原因在于輸入端信號的不同時，導致輸出的結果出現(xiàn)錯誤，解決的方法有接入濾波電容，這個簡單但是增加了輸出電壓波形的上升時間和下降時間，導致波形變形，或者引入選通脈沖，這個時候的輸出就有選通信號的控制，輸出結果需選通信號為導通狀態(tài)時刻才有，或者修改邏輯電平，用增加冗余項的方法消除競爭-冒險，但適用范圍有限。時序邏輯電路（簡稱時序電路）是由最基本的邏輯門電路加上反饋邏輯回路（輸出到輸入）或器件組合而成的電路，任意時刻的輸出信號不僅取決于當時的輸入信號，而且還取決于電路的原來狀態(tài)（即與以前的輸入有關），電路具備記憶功能，常見的時序電路有觸發(fā)器、鎖存器、計數(shù)器、移位計數(shù)器、儲存器等。時序電路的競爭-冒險現(xiàn)象除了組合中的原因外，還有就是發(fā)生在存儲電路的工作過程，例如由觸發(fā)器的動態(tài)特性可以知道，為保證觸發(fā)器的可靠翻轉，輸入信號和時鐘信號在時間配合上應滿足要求，若輸入信號與時鐘信號因不同途徑改變而達到觸發(fā)條件，這便產生了競爭，結果導致觸發(fā)器錯誤動作。數(shù)字電路按有無集成元件可分為分立元件數(shù)字電路和集成數(shù)字電路，按集成度不同可分為小規(guī)模集成數(shù)字電路（SSI）、中規(guī)模集成數(shù)字電路（MSI）、大規(guī)模集成數(shù)字電路（LSI）、超大規(guī)模集成數(shù)字電路（VLSI）和特大規(guī)模集成數(shù)字電路（ULSI）。按半導體類型可分為TTL型和CMOS型，其中又可細分為單極型和雙極型數(shù)字電路。雖然數(shù)字電路的規(guī)模很大，但是數(shù)字電路的基礎就是由簡單的組合電路、時序電路匯集而成，數(shù)字電路的故障也是由這些簡單的電路而來，但是不管是組合電路還是時序電路，其最基本就是門電路，故而對于數(shù)字電路的分析，我們可以由簡入深，由簡單而導出復雜。數(shù)字電路的特點一般有這么幾個： 1、同時具有算術運算和邏輯運算功能，一般有與、或、非、與非、或非、異或、同或等，數(shù)字電路是以二進制邏輯代數(shù)為數(shù)學基礎，使用二進制數(shù)字信號，既能進行算術運算又能方便地進行邏輯運算，因此極其適合于運算、比較、存儲、傳輸、控制、決策等應用。2、實現(xiàn)簡單，系統(tǒng)可靠，以二進制作為基礎的數(shù)字電路，可靠性較強。信號的小波動對結果沒有很大影響，在電路的傳輸所耗亦影響不是很大，溫度和工藝偏差對其工作的可靠性影響也比模擬電路小得多。3、集成度高，功能實現(xiàn)容易，集成度高，體積小，功耗低是數(shù)字電路突出的優(yōu)點之一。電路的設計、維修、維護靈活方便，電路的設計組成只需采用一些標準的集成電路塊單元連接而成。對于非標準的特殊電路還可以使用可編程序邏輯陣列電路，通過編程的方法實現(xiàn)任意的邏輯功能。1.3數(shù)字電路的運用數(shù)字電路在日常生活中的應用很多，尤其是數(shù)字電路和計算機技術的發(fā)展，使數(shù)字電路的應用越來越普遍，可以說數(shù)字電路已經融入我們的生活，它已經被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、通信、醫(yī)療、家用電子等各個領域，如工農業(yè)生產中用到的數(shù)控機床、溫度控制、氣體檢測、家用冰箱、空調的溫度控制、通信用的數(shù)字手機以及正在發(fā)展中的網絡通信、數(shù)字化電視等。隨著數(shù)字電路的發(fā)展，其應用將會越來越廣泛，它將會深入到生活的每一個角落。數(shù)字電路是伴隨計算機技術發(fā)展而發(fā)展的，計算機技術的迅猛發(fā)展，奠定了數(shù)字電路的應用地位，而數(shù)字電路是根據(jù)器件的開關狀態(tài)來促使電路完成其功能的，在電路中的功率消耗少，而且電路的檢查也很簡單，很符合當今社會的發(fā)展前景，所以對于數(shù)字電路的故障分析我們應該了解。第2章數(shù)字電路的故障2.1數(shù)字電路故障的由來要知道什么是數(shù)字電路的故障，就要知道門電路，門電路是數(shù)字電路的基本組成單元，定義：用以實現(xiàn)基本邏輯運算和復合邏輯運算的單元電路為門電路，簡單而言，門電路就是一個開關電路，常見的門電路有與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或和同或門等幾種，這些門電路主要都是由半導體二極管、半導體三極管、CMOS等具有開關特性的元件及電阻、二極管構成，這里說的開關特性是在不同條件下，元器件會跳轉于不同狀態(tài)，如二極管的正向導通反向截至，三極管、CMOS的導通、截止、飽和三狀態(tài)。圖2-1為TTL反相器電路圖。圖2-1TTL反相器其工作原理為，當Vi為低電平時，使得T3導通，將T3的基極電壓拉低，進而Q1截止，最后T1截止，T2導通，輸出Vo為高電平。當Vi為高電平時，使得T3亦導通，由于T3的導通強制拉高其基極電位，同時滿足Q1和T1導通所需的電位，故輸出Vo為低電平，T2截止。數(shù)字電路往往是由很多很多這些子電路組成的，雖然現(xiàn)在有很多超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術將電路的全部或者大部分集成在一個芯片上的可能，但是要確定這些芯片不出現(xiàn)物理缺陷是不可能的，如此多的門電路，即使出現(xiàn)一點點細微的變動，也是會對整體電路照成難以想象的危害，比如引線間不該有的短路、開路，接插件間的接觸不良，這些都會使電路不能正常工作，因此，對于正在使用的電路我們需要定期的檢查，這時候就要制定測試方案，對于剛生產出來的電路亦要對其進行測試，在設計時候也要對電路先進行測試，這些都可以稱為數(shù)字電路的故障診斷，也叫數(shù)字電路測試。2.2數(shù)字電路故障的特點數(shù)字電路的故障來源門電路，門電路的輸入可以唯一，也可以為兩個，甚至更多，這就會出現(xiàn)信號傳輸?shù)目炻龁栴}，雖然門電路的傳輸時延很小，但是，對于不同的器件材料，延時區(qū)別是很多的，比如三極管材料要遠大于CMOS材料的器件。當一個門電路的輸入有多個，且根據(jù)不同路徑到來時候，由于時間的先后順序，這就會產生競爭，導致冒險現(xiàn)象。數(shù)字電路是用0和1表示電平信號的高低，但是在數(shù)字電路的傳輸過程中依然是電流或者電壓的傳播，在每一個門電路中，或多或少都會有耗能器件，這時候，隨著信號的流通，耗能必不可少，這就可能影響電平的情況，甚至會影響門電路的驅動問題，即前一個門電路的輸出達不到驅動下一個門電路的能力，這會使電路無法正常工作。信號在傳輸?shù)倪^程中也會收到外界電磁的影響，這可能會是信號的電平發(fā)生改變，從而影響電路的功能實現(xiàn)，乃至出現(xiàn)錯誤的邏輯關系，這些情況都是隨機的，不可預見的，我們很難控制，我們所能做的僅僅是盡量避免這些情況的發(fā)生，所以我們要知道數(shù)字電路會存在哪些故障的隱患，從而達到減少電路故障的發(fā)生概率。2.3集成數(shù)字電路故障的分類對于數(shù)字電路的故障，如果是因電路中某引線的邏輯值發(fā)生改變而引起的故障稱為邏輯故障，除邏輯故障外的一切稱為非邏輯故障,如延時故障。邏輯故障一般有三種，分別為固定電平故障、固定開路故障和橋路故障。另外還有就是電磁干擾，固定電平故障：故障使電路中的一根引線的邏輯電平保持為固定值。根據(jù)電路中固定電平故障的數(shù)目可分為單固定電平故障和多固定電平故障。固定開路故障：固定開路故障發(fā)生在MOS電路中的特殊故障。比如COMOS電路或非門，當無故障時，電路應完成或非門的功能。當NMOS管V1的柵極開路，出現(xiàn)AB=1或0時，輸出如果不接地也不接電源，則為高阻狀態(tài)。當故障使CMOS輸出端成高阻狀態(tài)時稱為固定開路故障。橋路故障：橋路故障是由電路中兩根或多根信號線無意中連接在一起，或者接插件內部短路以及集成電路工藝不完善、因裸線過長或松動等原因所造成的故障。主要有兩種類型：一種為輸入信號線之間橋接造成的故障，使輸入信號混淆；另一種為反饋橋接造成的故障，如輸入信號與輸出信號之間的橋接、兩個獨立電路的輸入信號線橋接或兩個獨立電路的輸出信號線橋接等造成的故障。電磁干擾，雖然數(shù)字電路使用的是低平信號，但是數(shù)字電路一般是用低平信號控制高頻信號，而且對于數(shù)字電路，在TTL門電路中是允許懸空而得高電平的，再者引線的引腳也會暴露空中，這就會引入空氣中的高頻信號，高頻信號或多或少會加載于控制信號中，這就可能使高低電平受到影響，進而使電路發(fā)生故障，在電路中的接插件也會受高頻信號的影響，從而引入電磁干擾，影響電路功能。例如用與非門構成的異或電路如圖2-2所示，我們可以用這個來說明集成電路的故障。我們假設電路安裝完成后輸出一直為0，這不是正常電路所具有的功能，正常功能的輸入輸出關系圖如表2-1，為此這電路出現(xiàn)了故障，下面我們來分析故障的原因，首先處處恒為0意味著=1\*GB3①門U4A損壞；=2\*GB3②門U4A輸出對地短路；=3\*GB3③門U4A輸入始終為1。我們將門U4A的任意輸入端接地，若輸出端為1，則說明故障原因不是=1\*GB3①和=2\*GB3②，而門U4A輸入一直為1說明門U2A和門U3A中其中一個的輸入必為0，若假設，門U1A的輸出對于說有輸入組合始終為0，這種情況的原因必為U1A的輸出端被鉗制為0，這是U1A的輸出端被地短接，首先應該確定U1A、U2A、U3A的好壞，如果沒有問題則是線路的連接問題，連線問題可用萬用表測量其對地的電阻，在關閉電源，撤去門后測量，如果為無窮大，則沒有橋接問題，反之則有。綜上可知，U1A的輸出若始終為0，這就是所謂的固定電平0故障，而導致0故障的原因如果是連線的問題，即與不該連接的地方連在一起，這就形成了橋接故障，而開路故障是CMOS懸空引起的，故在電路的焊接時必須注意。圖2-2異或門表2-1異或門真值表ABF（正常）F（故障）0000011010101100第3章數(shù)字電路測試3.1競爭與冒險數(shù)字電路測試又名數(shù)字電路故障診斷，在這個論文中，我們重點在于檢查電路是否存在故障，電路的功能能否按預定功能表現(xiàn)。但是，對于數(shù)字電路，競爭與冒險是數(shù)字電路本質存在的問題，我們前面介紹過，針對競爭與冒險，我們可以通過引入選通信號，增加冗余電路，輸出端并聯(lián)電容器等，下面我們就來介紹競爭與冒險的處理方法。競爭與冒險的解決方法：增加選通信號，競爭是因為多個輸入因時間不同，匯合時候引起門電路錯誤的輸出，導致冒險現(xiàn)象。如圖3-1的組合電路，電路函數(shù)式F=A·/B+B·C,當B由1變?yōu)?時，由于傳輸路徑不同，F(xiàn)1先由1變?yōu)?，F(xiàn)2先0后1，這兩種情況下F均為1，如果疊加在一起，就會產生正向過度干擾脈沖。這就要求我們需要一個開關，促使F1、F2、F3在同一時刻對U3A進行輸入，這時我們就需要在U3A增加一個輸入端，控制F的輸出，這就可以解決競爭冒險了。圖3-1可加選通信號增加冗余電路，其原理是通過對電路函數(shù)表達式的變換,而不改變函數(shù)關系,增加一些額外電路,消除競爭與冒險。在圖3-1的電路中，由于F=A·/B+B·C，當A=1，C=1，F(xiàn)=/B+B,這就出現(xiàn)了競爭冒險現(xiàn)象，為此我們可以把表達式變換一下，變成F=A·/B+B·C+A·C，電路的功能不變，當AC=11時，電路就不會出現(xiàn)競爭冒險現(xiàn)象，修改后電路圖如下所示，用增加冗余項修改邏輯設計，可以消除競爭與冒險,如圖3-2，但是使用范圍卻很有限。圖3-2冗余設計電路（3）輸出端并聯(lián)電容器（電容濾出法），邏輯電路在比較慢的速度傳輸時候，我們可以根據(jù)需要，在輸出外界一個電容器，由于電路中存在輸出電阻，致使輸出波形上升沿和下降沿變化比較緩慢，電容器可起到平滑作用，如圖3-3。圖3-3電容濾出法3.2集成數(shù)字電路故障測試在現(xiàn)在，我們多數(shù)使用的數(shù)字電路都是由門電路集成而來的，它是一個整體，不是單一的門電路，所以對數(shù)字電路測試是表現(xiàn)在一個整體電路中。而不僅僅只是一個簡單的電路，這需要對一個電路的整體進行分析，重點在于電路的功能上。在進行電路測試之前，我們應該明確如何進行故障檢測，雖然數(shù)字電路都可以用0和1的真值表表示，通過其變化可以知道電路流通的一切情況，對于裸露的電路，它的故障我們可以通過加載信號，用示波器或者邏輯測試儀進行檢測，在數(shù)字電路中，我們是可以通過函數(shù)表達式寫出電路真值表的，在給與輸入后，我們可以用儀器檢測電路中電平情況，用檢測點的電平對比于真值表，我們就可以知道電路的一切情況。如果有故障，那就可以檢測出來了，故障的檢測我們就可以實現(xiàn)。示波器是我們進行實驗時候經常用到的一個實驗儀器，一般有兩通道，用示波器進行數(shù)字信號測試很簡單，只要將其調到高低電平模式，然后將通道接于測試點，觀察波形即可。邏輯分析儀是以單通道或多通道實時獲取與觸發(fā)事件相關的邏輯信號，并顯示觸發(fā)時間前后所獲得的信號，給予信號分析的一種儀器。它可以提供表格、波形或圖形形式來顯示變量的數(shù)字系統(tǒng)狀態(tài)。對比于示波器，邏輯分析儀利用時鐘脈沖進行采樣，可以顯示觸發(fā)前后的邏輯狀態(tài)，宣誓范圍廣，而示波器只能掃描觸發(fā)后設定的時間范圍。在輸入通道上，邏輯分析儀容易實現(xiàn)多通道輸入，例如8通道、16通道，甚至更多。如果電路被集成的無法對電路各點進行測試，這時候我們就需要對電路的最終功能進行檢測，判斷電路是否存在故障。所謂電路的功能就是對于不同的輸入，輸出也就被唯一確定了。既有，假設輸入Vii，輸出Voi，對于不同的輸入，都存在Voi=f（Vii）i=1，2，3…否則，則說明電路存在故障。f為邏輯函數(shù)，它表示輸入輸出之間的映射關系。在數(shù)字電路中，不管電路復雜還是簡單，都可以找到它的邏輯函數(shù)，或者求出它的邏輯關系式，通過邏輯函數(shù)我們可以改變電路結構而不改變電路功能，可以說電路可以改變，邏輯函數(shù)也是可以改變的，但是電路的最終實現(xiàn)功能是不會變的。故對于數(shù)字電路，只要我們知道輸入信號的信號值的集合，通過邏輯函數(shù)得到所對應的輸出值，在通過對電路的仿真，就可以知道電路是否存在故障了。但是輸入信號值的集合是很大的，對于n個輸入信號而言，就有2n個輸入信號值，所以為了簡化運算量，我們可以求出用以檢測電路中可能存在的故障的測試碼的集合，然后加于測試電路中，檢測電路的輸出響應，就可以實現(xiàn)故障檢測。故對于數(shù)字電路測試又大致分為兩部分，=1\*GB3①求出電路的完全檢測測試集；=2\*GB3②加測試集于待測電路并分析其輸出響應。對于數(shù)字電路的故障檢測，我們現(xiàn)在需求出待測電路的可測試碼全集，為此我們引入通路敏化法，用這個方法產生測試碼，通路敏化法中說的通路是指任意兩點間信號的流通路徑。3.2.1通路敏化法通路敏化法是通過假定一個故障輸入點，通過這個故障作用于電路，在電路的傳輸過程中，不影響功能的情況下使故障點的信息傳至輸出端，而其他輸入信號不能影響其傳輸，這時候我們就可以根據(jù)信號的傳播，從電路中得到一個原輸入引線值的組合，電路在該組合下，故障點具有預定的故障差異，也使電路從該故障點到電路的最終輸出的某一條通路敏化，而此時的我們尋求的原輸入引線值的組合就是這個故障點的一個測試碼，通過這個測試碼我們可以進行故障檢測。但有一點我們必須明確，輸入信號的值不能與電路中的門電路功能自相矛盾，否則此通路不被敏化。通路敏化法的基本步驟：設置故障差異。令故障點的正常電平與有故障時的邏輯電平相反。選擇傳播通路。選擇從故障點到某輸出端的一條傳播路徑。通路敏化。對選定通路上的各個門電路的輸入端進行適當?shù)馁x值，使故障差異可以傳播至輸出端。確定原輸入端的邏輯值。即對電路中未賦值的輸入端進行賦值，使敏華通路的各個門電路具有3步驟所選定的值，此時各個門電路的輸入值就組成待測電路的一個測試碼。如果在此過程中，對原輸入端的賦值提出了互相矛盾的要求，則此通路敏華失敗，需重新選取通路進行敏化。例如下面的電路（圖3-4），用通路敏化法求其測試碼，我們假設輸入點C的測試碼，=1\*GB3①設置故障差異，我們令C=0；=2\*GB3②選擇傳播路徑，我們可以選擇的路徑有C-U4A-U6A-U8A-F,C-U4-U7A-U8A-F,C-U5-U7A-U8A-F,我們用C-U4-U7-U8-F來說明；=3\*GB3③通路敏化，為了使故障差異可以傳到U4A，需DE=10，為了讓故障差異經U7A，U8A傳到F，那么U5，U6A的輸出端應該為1；=4\*GB3④確定原輸入端的邏輯值，由于U5的輸出端為1，那么BC=11，這與我們假設的C=0相矛盾，說明不存在任何一個輸入組合可以使故障差異C=0能經U4-U7A-U8A傳到F，為此，我們要選擇另外一條通路，這就要返回第二步，選擇C-U4A-U6A-U8A-F，按照步驟可知，U4A輸出為1，則DE=10，U3輸出端為1，則AB=10，由此可知，這條通路下的測試碼為ABCDE=10010。若我們將這個測試碼加于待測電路中，輸出F=1，則說明電路沒有故障，反之則電路有故障。圖3-4通路敏化法運用假設電路若我們把假設點設為D，D=0，選擇D-U4-U7A-U8A-F通路，我們可以求得測試點D的測試碼為ABCDE=10100，選擇D-U4A-U6A-U8A-F通路，我們可以求得測試點D的測試碼為ABCDE=01100和ABCDE=11100。綜上所述，我們可知，通路敏化法就是通過一個輸入端的假設，使得電路的最后輸出僅僅與此假設有關，而電路的其他輸入端的賦值必須滿足，不得影響電路的輸出，也不能影響故障差異的傳播，亦不能自相矛盾。對于不同測試點的選擇，所得的測試碼也是不同的，而且有的不止一個，有些是不能用于測試的，所以對于測試點的選擇，通路的選擇，是很重要的，可是我們又沒有辦法確定哪個測試點可以滿足我們的希望，我們只能憑感覺慢慢進行解求，對于簡單的電路，我們可以慢慢的查找，一旦電路的通路很長，或者涉及的輸入引線很多，這時候通路敏化法將會很繁瑣，這是我們不想的，所以我們需要較為簡單的方法，下面我們來看看D-算法，它是建立在通路敏化法的基礎上的而來的。3.2.2D-算法D-算法也是通過通路來實現(xiàn)的，差別在于它引入了符號D及/D來定量的描述電路某根引線上的故障差異。如果引線正常情況下邏輯電平為1，有故障的邏輯電平0則稱為故障差異D，反之，如果引線正常情況下邏輯電平為0，有故障的邏輯電平1則稱為故障差異/D。對于一般電路來說，正常情況下的邏輯電平有0與1，但在引入邏輯符號D及/D后，電路中的引線邏輯值就可能是1、0、D、/D和尚未賦值x，這時候表示電路邏輯狀態(tài)的值就多了，假設電路有6跟引線A、B、C、E、F、H，其中A、B已賦值0、1，C具有故障差異D，E、F、H尚未賦值，那么這6跟引線的邏輯狀態(tài)可表示為：ＡＢＣＥＦＨ０１Ｄｘｘｘ這種表示方法被稱為立方。在D-算法中，就是用立方來表示門電路的邏輯特性，通路敏化法是用電路輸入端的引線來引入故障差異的，在D-算法中是從門電路的輸出端來引入故障差異的，例如下面電路（圖3-5）圖3-5D-算法立方電路圖用通路敏化法分析A可知，ABC=111是故障A的測試碼，如果用D-算法來求電路的測試碼，那么則要選擇P點，它是與非門的輸出端，這時我們的分析原理是，把U1A看成一個有故障的門電路（簡稱為故障門），根據(jù)電路的輸入輸出可知，若U1A沒有故障，則P=0，反之P=1。設置故障差異A=1，則B=1，故障門U1A的敏化和輸出可以用立方ABP11/D來表示，由于與非門是最基本的門電路單元，故稱該立方為兩輸入與非門的一個故障原D-立方，記為pdcf，簡稱故障立方。在通路敏化法中設置好故障差異后，就要傳播故障差異，在D-算法中，需要傳播的是故障立方，在圖3中，U2A的輸入端C應為1，才能傳播這個故障立方到F，此時我們也可以用一個立方來表示這時候的電路邏輯電平CPF1/DD由于這個立方表示了故障差異傳播的條件和引線值的變化，稱為傳播立方，記為pdc。知道什么是傳播立方和故障立方,接下來就是求故障測試碼,在D-算法中我們把它稱為D-相交,它是實現(xiàn)通路敏化、反向跟蹤的計算工具。在圖3中，為使故障差異傳到P點，A、B、C的輸入電平應該滿足：ABCPF11x/Dx為把P點的故障差異傳到F，則電路中各點應滿足：ABCPFxx1/DD從上面兩個故障差異的傳播情況，我們可以知道，故障差異既要能夠傳播到P點，而P點的故障也要傳到F點，那么電路各點的邏輯電平值需同時得到滿足且不能矛盾，由此可知電路各點的電平為ABCPF111/DD綜上可知，為同時滿足兩個立方的要求，相當于我們對兩個立方進行了相交運算，即A=a1a2a3。。。an。。。B=b1b2b3。。。bn。。。則F=AB=f1f2f3。。。fn。。。其中fn=anbn如果有AB=，則說明這兩個立方不相交，此故障差異沒有測試碼。由此我們可以推出D-算法的基本步驟=1\*GB3①選擇故障立方，目的是為了使故障差異能夠傳至故障門的輸出端，存在故障差異D或/D；=2\*GB3②D-傳播，把故障差異D或/D沿著某一條通路送至電路的最終輸出端，這一步是實現(xiàn)通路敏化，同時也會確定一些引線的邏輯值；=3\*GB3③一致性操作，簡單來說就是D-相交，用相交的方法得出各引線的原輸入組合，如果每條引線的值都不存在矛盾，則我們已經求出原輸入的測試碼，如果出現(xiàn)了空集，那么我們需要回到第二步，選擇另外一條通路，重新進行一致性操作，得出我們需要的測試碼集合。例如我們之前用通路敏化法求出的電路（圖3-4），現(xiàn)在我們來說明D-算法的具體運用。圖3-4D-算法運用假設電路=1\*GB3①選擇故障立方，設置故障差異C=0，對于故障門U4A來說，其故障立方為CDEP010D由于E經過一個非門，直接連接于U4A的輸入端，為不影響故障差異傳播，所以E=0；=2\*GB3②D-傳播，我們選擇C-U4A-U6A-U8A-F這條通路，故障差異D在P點，在U6A、U8A門電路的傳播立方就有PORRSFD1/D/D/DDU6A立方U8A立方綜合在一起就是PORFD1/DD=3\*GB3③一致性操作，通過D-傳播的結果，從而確定各輸入的邏輯值，這時就要用到D-相交，但是，如果每一個門電路都要寫出門電路立方，然后求相交，這也會是一個很復雜的事，所以我們要用一些方法簡單化，使計算簡單一些。首先介紹一下蘊涵操作，在D-算法中，一致性操作是嚴格最后執(zhí)行的，可是對于一些門電路，它使引線的值唯一的確定了，比如一個與非門，如果有一個輸入為0，那么它的輸出必然為1，如果輸出為0，那么它的所有輸入必須為1，我們稱由門輸入值唯一，決定輸出值的操作稱為正向蘊涵，由們輸出值唯一，決定輸入值的操作稱為反向蘊涵，這就是蘊涵操作。還有一個是線確認操作，其實線確認操作就是一致性檢查，它是在D-傳播和蘊涵操作以后進行的，它主要用于在完成D-算法的大體步驟后，會存在一些門電路，它們的輸出引線值已經確定了，但輸入引線值還沒有完全確認，這就要進行線確認操作，確定輸入引線的值。從上面的分析可知，由于P點值為D，為了使D能夠順利傳至R，最后到F，則O點必須為1，S點需為1，可是由于U7A的輸入不能使輸出值為1，因為它的輸入有D差異，從U7A的另一個輸入可知，它的輸入可確定為1，故U7A的輸出就是/D,對于這個電路的分析我們可以歸納為ABCDEPOQRSF選擇故障立方01D反向蘊涵U2A001D正向蘊涵U5A001D0正向蘊涵U7A001D01D-傳播U6A001D10/D1反向蘊涵U3A1001D10/D1反向蘊涵U1A10001D10/D1D-傳播U8A10001D10/D1D由表格可知，得到的測試碼為10001。綜上，對比通路敏化法，D-算法主要在于引入了邏輯值D、/D,和未知值x,在電路敏化過程中不在是唯一確定的值0和1，相當于擴大了我們分析的空間，不在局限于電路的取值情況，相比于通路敏化法要簡單一些，但兩者的分析方法大體一致。但是D-算法依然也要對通路的嘗試，因為不是每一條通路都會求得出測試碼，但相比于通路敏化法較為簡單了些，探索也少了，從這里我們可以看出，對于復雜的電路，如果引線邏輯值的取值范圍越廣，就更能在進行一致性操作時給予引線賦值，在進行相交算法時相對就同意了一些，為此在D-算法以后又出現(xiàn)了九值D-算法，這里是指在不確定的引線值中，引入了4中值，0/D,1/D,0//D,1//D。比如與非門，若設置A為故障差異D，對于B的取值可以是1或者D，對于或非門，設置A為故障差異D，對于B的取值可以是0或者D，同理亦可導出其他取值關系，這時候在進行D-算法，我們就可以有效的降低了對通路的嘗試次數(shù)，對此我們就不做說明了。與非門或非門前面我們說的都是組合電路的模型，而在實際運用中，我們接觸的大多是時序電路，時序電路因為存在時序問題，有同步時序和異步時序之分，往往要比組合電路的分析復雜的多，在這里我們只討論同步時序電路。在同步時序電路中，通路敏化法和D-算法依然適用，我們知道時序電路需在每一個特定時序的作用下，才能進行工作，就是說時序是門電路的開關,但不管時序電路還是組合電路,我們都可以用圖3-6(1)所示,只是組合沒有時序輸入。對于時序電路，我們可以把它變?yōu)槿鐖D3-6（2）所示的電路，其功能不變。通過對圖3-6（2）迭代一起就組成時序電路。這就組成一個由時序電路迭代而成的組合電路,如圖3-6(3)所示。這時我們就可以用通路敏化法和D-算法進行分析了。圖3-6(1)時序電路圖3-6(2)時序電路變換C(2)C(2)C(1)FFFFVi1Vo1Vi2Vo2……y1Y1y2Y2……圖3-6(3)時序電路轉換成組合電路除此之外，對于時序電路我們還可以進行故障檢測試驗，這里說的試驗是通過把一個輸入序列加到時序電路輸入端，觀察它的輸出端，并分析結果，是否滿足電路的預定功能。首先我們要引入數(shù)字電路的狀態(tài)圖表示方法，所謂的狀態(tài)圖是指電路實現(xiàn)的方式是從一個狀態(tài)轉到下一個狀態(tài)，對于一個輸入，只有唯一的輸出與之對應，簡單的有計時器，只能按著設定的計算方式進行計數(shù)，對于數(shù)字電路的時序電路，我們可以找到它所對應的狀態(tài)圖，通過對輸入序列的控制，分析輸出端，實現(xiàn)對故障的檢測。3.2.3故障檢測試驗由于時序電路的時序存在，而電路需要在時序的作用下才能有功能的實現(xiàn)，這就讓其測試問題變得復雜，但我們還是可以對電路的功能進行檢測的，時序電路是一個大整體，但是它是可以劃分為不同的小部分的根據(jù)電路的實現(xiàn)功能，對此我們可以對小部分電路的功能進行檢測，從而實現(xiàn)對整體電路的檢測。這也是通過求得電路的故障檢測序列，在加于待測電路中，對比于電路的功能實現(xiàn)情況得出故障存在與否。故障檢測試驗大致分為3步，第一是引導階段，將電路從未知狀態(tài)引導至預定狀態(tài)，第二步是驗證是否存在電路所具有的所有狀態(tài)，第三步驗證電路中的狀態(tài)是否可以按電路的功能實現(xiàn)狀態(tài)的轉換。例如表3-1所示的電路狀態(tài)圖，我們來求出它的檢測序列。表3-1電路狀態(tài)表初始狀態(tài)在輸入序列下的狀態(tài)轉換和此狀態(tài)的輸出X=0X=1AC，0D，1BC，0A，1CA，1B，0DB，0C，1注：狀態(tài)A在0的作用下轉至狀態(tài)C，此時電路輸出為0=1\*GB1⒈引導階段，為了把電路引導至預定狀態(tài)，可采用同步序列，這里的同步序列是將電路引導至唯一的末態(tài)，這是根據(jù)電路的狀態(tài)表求得的，方法是根據(jù)樹狀圖，如圖3-8的樹狀圖。由圖可知，通過01010可以得到最后狀態(tài)D，故可得到到同步序列01010。而D狀態(tài)在這個序列下，電路應該到達狀態(tài)C。圖3-8樹狀圖2.狀態(tài)驗證階段，前面我們已經將電路引導至C狀態(tài)，這時候我們要驗證是否達到這狀態(tài)，為此要加入一個區(qū)分序列100，所謂的區(qū)分序列是指在它在作用于電路時，電路的輸出序列唯一的決定了電路的初態(tài)和末態(tài)。如表3-2所示。在表3-2區(qū)分序列下的狀態(tài)初態(tài)在100作用下末態(tài)A100CB101AC001AD110C這個序列下，如果電路的輸出為001，則說明電路已達到狀態(tài)C，同時表中也說明了在這個區(qū)分序列下電路會達到A狀態(tài)，這時我們也要對A狀態(tài)進行確認。如表3-3所示，第四步加入序列1為了引入狀態(tài)B，第六步加入序列1為了引入D狀態(tài)。由此可知，狀態(tài)表中所有的狀態(tài)都出現(xiàn)了。表3-3狀態(tài)驗證表輸入序列0101010010011001100100狀態(tài)變換CACBADCA輸出序列-001100010111100013.狀態(tài)轉換的驗證階段，在第二步中我們已經驗證了一些狀態(tài)轉換關系，但還沒有完全驗證完，我們還要將剩下的驗證完，即狀態(tài)表（表3-1）中的關系，驗證的方法是在電路中加入輸入對應的序列，得到所對應的輸出與表對比就可以了，如表3-4所示。由表3-3和3-4可知，把對應的序列加于電路，對比輸出就可以知道電路的故障問題。故表3-3和表3-4就是此電路的故障檢測序列。表3-4狀態(tài)驗證表輸入01001010011100101100狀態(tài)ACADBADCADBAC輸出000110101110011011003.2.4基于Max-plus2的數(shù)字電路測試數(shù)字電路作為計算機發(fā)展的產物，我們肯定可以用計算機來分析、模擬它的特點，現(xiàn)在已經有很多軟件用于數(shù)字電路的分析與設計，專門的故障分析軟件也有，在這里我們說說數(shù)字電路的仿真軟件，因為我覺得電路中的故障，我們可以通過軟件進行電路的模擬，進而在對物理電路進行簡單的檢測，我們就可以知道數(shù)字電路存在的故障所在，從仿真進而對電路原圖進行檢測、修改，這也是數(shù)字電路故障檢測的一種方法。我熟悉的數(shù)字電路軟件有兩個，一個是Multisim11.0，一個max-plus2，我會重點說max-plus2。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言（VHDL）輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。VHDL全名Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,誕生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美國國防部確認為標準硬件描述語言。在1993年，已被默認為通用硬件描述語言。兩個不同在于，Multisim可用于模擬電路和數(shù)字電路，而max-plus2亦適用于數(shù)字電路和模擬電路，但是對數(shù)字電路中，max-plus2要實用的多。max-plus2功能強大、設計靈活，支持多種輸入模式，容易修改，且具有很強的獨立性，設計者可以不懂硬件結構，也可以不管最終實現(xiàn)的目標器件是什么，VHDL會給我們選擇功能所需的一切器件。前面我們介紹了數(shù)字電路故障的測試碼集合，對于數(shù)字電路的測試我們是根據(jù)所得的測試碼進行分析檢測的，但是對于數(shù)字電路的集成性規(guī)模大的原因，我們就可以將電路進行劃分，乃至分解，我們可以將故障部分單獨劃分出來進行分析，這時我們就可以用軟件進行仿真，找出故障的原因。對于復雜的電路我們亦可以通過軟件來進行分析。我們這里的電路測試是用基于Max-plus2軟件的仿真完成的，Max-plus2軟件支持4種輸入模式，分別為原理圖輸入方式、文本設計輸入、波形設計輸入、符號設計輸入，在使用上，Max-plus2跟其他軟件沒什么特別之處，下面我們就來認識Max-plus2的使用方法。圖3-9Max-plus2主界面圖3-9就是Max-plus2的主界面，在進行設計之前，我們先要建好我們所需要的工程文件，這是為了放我們設計項目的，因為我們要用它來對數(shù)字電路進行測試，根據(jù)不同的電路，我們需要設計不同的項目，比如說，如果我們知道電路的具體門電路結構，那我們就可以直接用原理圖編輯，如果我們不知道電路的結構，但我們知道有故障部分電路的實現(xiàn)功能，那么就可以用文本編輯，從仿真中推斷電路的故障，要是我們知道電路的波形傳遞情況，那就直接進行電路的仿真，在用Max-plus2進行數(shù)字電路故障檢測時候，必不可少的就是對所設計的電路進行波形仿真，從仿真的波形中，我們可以簡潔明了的知道電路的一切情況，進而實現(xiàn)對電路的檢測?，F(xiàn)在我們就來用Max-plus2實現(xiàn)對圖3-4電路進行仿真：圖3-4Max-plus2運用假設電路首先我們先在磁盤中新建一個文件夾，用于放置設計的項目文檔，然后在Max-plus2主界面的file-project-name新建工程名字，為了方便，一般取與項目功能相關的名字。其次是原理圖設計輸入，在file-project-new項，會出現(xiàn)下面的4種情況，根據(jù)我們所需要的輸入方式選擇，進入后會有不同的窗口，如果我們是對數(shù)字電路進行測試，那我們一般用原理圖輸入比較多，通過對原理圖的編輯，適配，仿真，通過對仿真的時序波形進行分析的得出我們所需要的結果。圖3-8是原理圖輸入的頁面，左邊的是工具欄，中間是輸入對話框。圖3-10原理圖輸入對話框現(xiàn)在我們要按照我們所需要的原理圖進行編輯，即調入元器件，右鍵單擊輸入框，選擇EnterSymbol，會出現(xiàn)如下的窗口（圖3-11），根據(jù)不同的元器件庫選擇器件，然后添加。圖3-11元件庫選擇界面原理圖輸入的最終結果為圖3-12，在max-plus2中，庫里沒有的元器件是可以自行編輯的，編輯保存后即可調用。圖3-12Max-plus2輸入原理圖電路在原理圖輸入完成后，把此工程設為當前工程，然后編譯，編譯在主菜單window下的，分別為編譯，適配，波形仿真，在編譯無誤后我們要進行波形仿真，已確定電路的情況，首先新建一個波形文件（圖3-13），在工具欄的Node-EnterNodesFromSNF，添加輸入輸出端口（圖3-14），這樣就得到我們所需要的引線端口（圖3-15）。我們可以選擇全部，也可以選擇部分，根據(jù)自己的需要選擇。圖3-13波形仿真對話框圖3-14節(jié)點選擇對話框之后我們要給各引線節(jié)點賦值，因為我們的輸入沒有時序，所以不用設置時鐘的頻率，我們用系統(tǒng)默認的時鐘即可，當然我