第10章数据域测量与测量新技术

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1、第10章数据域测量与测量新技术,10.1 数据域测量的基本概念 10.2 数据域测量技术 10.3 逻辑分析仪 10.4 测量新技术简介,数据域测量面向的对象是数字逻辑电路。 晶体管“导通”和“截止”可以分别输出高电平或低电平，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。,10.1 数据域测量的基本概念,10.1.1 数据域测量的特点,数字系统是以数据或字作为时间或时序的函数，而不是把电压作为时间或频率的函数。 运行正常的数字系统或设备其数据流是正确的；若系统的数据流发生错误

2、，则说明该系统发生了故障。 数据域测试问题，即检测输入与输出对应的数据流关系，分析系统功能是否正确，判断有无故障及故障范围。 数据域测试，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。,10.1.1 数据域测量的特点,图 输入、输出数据流,数据域测试设备目前主要有：逻辑分析仪、特征分析和激励仪器、微机及数字系统故障诊断仪、在线仿真器、数据图形产生器、微型计算机开发系统、印制电路板测试系统等。,为了较彻底地解决了数字电路的测试问题。 在电路设计中考虑测试问题： “数字电路的可测性设计” 使数字电路的测试变得可能和容易。 “数字电路内在自测性设计技术”使电路具有自测试能力

3、。,(1) 数字信号一般为多路。一个字符、一个数据、一组信息及一条指令是按一定编码规则的多位(bit)数据组成的。因此，同时传递数字信息要有多根导线，这就形成了总线，多个器件都同样地“挂”在总线上，依靠一定的时序节拍脉冲同步其工作。,10.1.2 数字信号的特点,(2) 数字信号按时序传递。数字设备按照预先规定的逻辑程序进行工作。数字电路的测试最重要的是检查数字脉冲的先后次序和波形的时序关系是否符合设计要求。,(3) 数字信号的传递方式有串行和并行两种。并行传递方式是以硬设备换取速度，串行传递方式实质上是以速度换取硬设备。在远距离数据传输中，一般采用串行传递方式。,(4) 数字信号具有非周期性

4、。数字设备的工作是时序的，在执行一个程序时，许多信号只出现一次，或者仅在关键的时候出现一次(例如中断事件)。,(5) 数字信号频率范围宽。在数字系统中，中央处理机具有ps(10-12 s)量级的时间分辨力。,(6) 数字信号为脉冲信号。数据域测量必须注意选择开关器件，并注意信号在电路中的建立和保持时间。,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。 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，都是研究数字电路的基本任务。 通常规定：正逻辑时，“1”相当于高电平，“0”相当于低电平；负逻辑时则

5、相反。,10.2.1 简单逻辑电路的简易测试,10.2 数据域测量技术,数字电路测试的实质就是对几个输入端加入2n个可能的组合信号，然后观察输出是否正确。 穷举测试法就是对所有的输入信号、输出信号的逻辑关系进行判断。如果是正确的，则这个数字电路就是正确的；如果输出的逻辑关系不正确，则这个数字电路就是错误的。,10.2.2 穷举测试和随机测试,1. 穷举测试法,图 穷举测试示意图,穷举测试法的优点是：能够测出100%的故障，也就是能够揭示复杂的数字系统的全部故障。 穷举测试法的缺点是：测试时间随输入端数n的增加呈指数增加。 当n很大时，穷举测试所需的时间太长以致无法实际使用，因此，近年来又提出了

6、伪穷举测试技术。,伪穷举测试的基本思想是：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。例如，当输入端数n=16时，如果可将该电路划分成两个n=8的数字电路，则测试输入组合信号数可由216=65 536减少为28+28=256+256=512，测试时间降为原测试时间的1/128。,2. 伪穷举测试法,3. 随机测试法 “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已知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。,对于大规模集成电路

7、、复杂的印制电路板、微型计算机系统等较为复杂的数字逻辑系统的测试，涉及到对故障类型的讨论、测试数据流的产生、故障测试方法及故障的定位等问题。,10.2.3 数据域测量技术,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。 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，数字电路的故障诊断研究对象多限于固定性的逻辑故障。,1. 故障类型,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。 故障测试大体可分为两

8、种：一种是部件测试，即对单元电路的测试；另一种是整机测试，即对整个逻辑系统的测试。,2. 故障测试和故障定位,测试的基本方法分为两种： 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。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。 一种是“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。主要用于检测复杂数字逻辑系统的逻辑故障。 “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，并且缩小了范围，将检测出的故障定位于一定的范围内，实现了故障定位。,必要性：一个大规模集成电路设计

9、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、验证其正确性，因此不能投入实际使用。 方法：在设计数字逻辑电路时，一定要同时考虑系统的测试问题，比如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若干个子电路等，使得数字电路的测试变得可能和容易。,3. 可测试性技术,数字电路的可测性的定义是：若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达到预定的故障检测和故障定位的要求，则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

10、通过输出端信号观察电路内部逻辑结点的响应的能力。,关于可测试性设计，目前较为流行的方法是扫描设计技术和自测试技术。,对复杂的大规模集成电路的测试以及对微处理器和微型计算机系统的测试主要使用逻辑分析仪。由于它仍然以荧光屏显示的方式给出测试结果，因此也称为逻辑示波器。,10.3 逻 辑 分 析 仪,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。这两类分析仪的主要区别表现在显示方式和定时方式上。,图 逻辑分析仪的基本组成框图,10.3.1 逻辑分析仪的组成,10.3.3 逻辑分析仪的显示方式,1. 定时显示方式 2. 状态表显示方式 3. 图解显示方式 4. 映像显示方式,图 测量RAM2

11、114的连线图,1. 测试数字集成电路,RAM2114是容量为1 K4的RAM存储芯片，它有10条地址线， 4条数据线，片选信号端为 ，写允许信号为 。,10.3.4 逻辑分析仪的使用,图 检测微处理机系统,微处理机系统在工作过程中经常会发生硬件故障和软件故障。,3. 检测微处理机系统的运行情况,2. 测试时序关系及干扰信号,图 自动测试系统,由微型计算机(带GPIB总线控制功能)、逻辑分析仪和逻辑发生器以及相应的软件可组成数字电路的自动测试系统。,4. 数字系统的自动测试系统,至今已发展到第四代具有智能的逻辑分析仪。,10.3.5 逻辑分析仪的发展概况,仪器可以配接GPIB接口或RS232接

12、口，实现自动测试或远地控制。,大体上分为逻辑状态分析仪和逻辑定时分析仪两大类。 这两类的区别主要是工作方式和显示方式不同。,10.4.1 矢量网络分析测试技术 充分利用频谱资源中的电磁波幅度、频率、相位和极化信息是现代电子装备的核心特点。现代电子装备的发展急需能同时获得被测对象的幅度、相位和群时延特性的高性能矢量网络分析仪。,10.4 测量新技术简介,特别是雷达相控阵列技术的普遍应用，对相位和群时延特性的测试要求越来越高。另外，微波毫米波有源器件CAD技术正在日益普及，而有源CAD的基础是提取有源器件的S参数。,矢量网络分析测试技术具有以下几个突出的特点。 (1) 工作频带宽。一次扫描即可完成

13、45 MHz40 GHz全频段幅频特性和相频特性的测量。 (2) 测量精度高。由于矢量网络分析仪采用误差修正技术， 因此减小了系统误差对测量结果的影响，即使采用非理想的硬件电路，也能获得高精度测量。,(3) 动态范围大。矢量网络分析仪采用高灵敏度幅相接收机技术和数字信号处理技术。 (4) 高速实时测试。由于矢量网络分析仪采用了嵌入式高速计算机技术，因此将测量校准、测量控制、误差修正 、显示控制等过程程序化、软件化。,时域测试是测量输入信号随时间而变化的信号值，即测量信号值与时间的关系。 频域测试是测量输入信号随频率而变化的信号值，即测量信号值与频率的关系。 调制域测试是测量输入信号随时间而变化

14、的频率值，所产生的显示图形代表信号的调制域，即测量信号的频率值与时间的关系。,10.4.2 调制域测试技术,VXI总线技术是20世纪末出现的一种新的行业标准接口母线技术。该技术首先出现于美国，应用于美国空军电子测量仪器。 VXI总线将VME总线和GPIB结合起来构成一个新的标准，这种模块式仪器平台可以满足未来仪器应用的需要。 VXI总线是一种完全开放的、适应多厂家仪器产品（模块、插卡式）的行业标准。这个标准的推出可以减小设备的体积和重量，提高测试速度，VXI比GPIB的速度可提高40倍，更能充分发挥计算机的作用。,10.4.3 VXI总线技术,将嵌入式微处理器、数字信号处理器(DSP)及专用电

15、路(ASIC)组合成一个整体，以微处理器的软、硬件为核心，有机地融合传统仪器测量，使其具有自动量程转换、自动校准、自动程序化测量、故障自动诊断及修复等功能，这样的仪器称为智能仪器。 智能仪器具有以下标志性的特点： (1) 以软件为核心，控制能力强大。 (2) 具有强大的数据存储、处理功能。 (3) 自动化、智能化程度高。,10.4.4 智能仪器,在计算机硬件平台上配以I/O接口设备，由用户自行设计虚拟控制面板和测试功能，由计算机的显示器模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输出检测结果，由计算机软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成人们期望完成

16、的各种测试功能，这样的一种计算机仪器系统称为虚拟仪器。 虚拟仪器与传统仪器有显著的区别：传统仪器主要由硬件组成，由测量人员操作面板上的开关、调节旋钮完成测量工作，其测试功能由具体的硬件电路实现；虚拟仪器的操作面板变成了与实物控件对应的图标，其测试功能由软件完成。,10.4.5 虚拟仪器,虚拟仪器具有如下特点： (1) 虚拟仪器的面板是虚拟的，面板上的各种控件图标与传统仪器面板上相应的各种开关、调节旋钮所完成的功能相同。对虚拟仪器的操作只需用鼠标点击相应的图标即可。 (2) 由软件编程实现仪器的各种测量功能。一般地，在以PC计算机为核心组成的硬件平台的支持下，通过软件编程设计来实现仪器的测试功能、分析功能等。,(3) 虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化，可重复使用，灵活实现多样化的仪器测试性能。 (4) 通过使用标准接口总线和网卡，容易实现测量自动化、智能化和网络化，实现“资源”共享。,