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1、第8章 数据域测量技术,8.1 数据域测试的基本概念 8.2 数据域测量技术 8.3 逻辑分析仪,8.1 数据域测试的基本概念,在测量仪表中，数字化的测量方法不仅比传统的模拟的测量方法精度高、测试功能更强，而且还易于实现测试的智能化和自动化。,为了解决数字设备在研制和生产、检修中的测试问题，一种新的测试技术便应运而生了.,由于这些设备的信息载体主要是二进制数，为了区别时域和频域的测量，常把这一类测试技术称为数据域测试技术。,8.1.1 数据域测试的特点,数据域测试的对象主要是数字系统，包括芯片、印刷电路板（PCB）、设备乃至系统。,与传统的测试相比较，数据域测试有许多优点。,（1）被测信号持续
2、时间短。,（2）被测信号故障定位难。,（3）被测信号的非周期性。,（4）信息传递方式的多样化。,（5）数字电路的可测性设计和内在自测性设计技术。,数据域测试技术的最新发展之一是无接触测试，即在测试仪器与被测板之间没有接触，省去了各种测试夹具及连接器。,目前已被采用的有自动视觉测试仪（AVT）和热图像处理等技术。,8.1.2 数字信号的特点,（1）数字信号一般为多路。,（2）数字信号按时序传递。,（3）数字信号的传递方式。,（4）数字信号的非周期性。,（5）数字信号频率范围宽。,8.2 数据域测量技术,8.2.1 简单逻辑电路的简易测试,数字电路是以“0”、“1”组成的数字信号为目的的电路，他们
3、由与门、或门、非门和各类触发器组成。,因此，确认电路电平的高低是否符合逻辑的规定，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。,对于较简单的数字电路，可以利用示波器、逻辑笔、逻辑比较器和逻辑脉冲发生器等简单而廉价的数据域测量仪器来进行测试。,被测电平的高低可以用小灯泡或发光二极管（LED）的亮暗以及小喇叭发声的强弱来检测。,1. 基本逻辑部件的测试,( a )与门,( b )或门,( c )非门,图8.1 基本逻辑元件的测试,对基本部件的测试可以用8.1的电路来进行，其中（a）、（b）、（c）分别为测试与门、或门和非门的电路。,输入信号与发光二极管亮暗的真值表
4、如表8-1所示。,如果发光二极管的亮灭与表中不同，则认为电路功能可能有错。,表8-1 基本逻辑元件测试真值表,8.2.2 穷举法和随机测试,1. 穷举测试法 在基本逻辑元件测试中，我们看到，数字电路测试的实质。,就是对n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。,如果对所有的输入信号，输出信号的逻辑关系都正确，则这个数字电路是正确的。,如果输出的逻辑关系不正确，这个数字电路作为参考电路。,两电路加上相同的测试数据流，对它们的输出进行比较。,如果两电路输出数据流始终相同，则证明被测电路是正确的，否则被测电路是错误的。,根据这个比较结果，给出“合格/失效”的指示。,穷举测试法如图8.
5、2所示。,穷举测试法的优点是能够100%的测试出故障，但是测试时间随着输入端n的增加呈指数增加。,例如，n = 4时，2n = 16，即输入端数为4时，输入信号有16种可能的组合情况；n = 8时，2n =256；n =16时，2n = 65536。,以此类推，当n很大时，穷举测试所需的时间太长导致无法使用，因此，近年来又提出了伪穷举测试技术。,有兴趣的读者可以找一下这方面的资料。,图8.2 穷举测试示意图,2. 随机测试法 将图8.2种的“穷举测试矢量产生”电路换成“随机测试矢量产生”电路，该图即成为随机测试法的原理框图。,图中的“测试矢量产生”产生的就是测试的矢量数据流。,它能够随机的产生
6、输入2n种组合的数据流，由它产生的随机或伪随机测试矢量序列同时加到被测电路和已知功能完好的参考电路中，对他们的输出响应进行比较，根据比较，给出评定。,随机矢量产生器可以由软件也可以由硬件构成。,8.3 逻辑分析仪,逻辑分析仪是属于总线分析仪一类的数据域测试仪器。,它主要用于查找总线（或多线）相关故障，是数据域测试中使用最广泛的一种仪器。,8.3.1 逻辑分析仪的基本组成,逻辑分析仪的基本结构组成如图8.3所示。,图8.3 逻辑分析仪的基本组成,由图8.3可见，逻辑分析仪主要由数据捕获和数据显示两部分组成。,数据捕获部分用来捕获并存储要观察的数据。,其中数据输入部分将各通道的输入变换成相应的数据
7、流：而触发产生部分则根据数据捕获方式，在数据流中搜索特定的数据字。,当搜索到特定的数据字时，就产生触发信号以控制数据存储器开始存储有效数据或停止存储数据，以便将数据流进行分块。,数据显示部分则将存储器里的有效数据以多种显示方式显示出来，以便对捕获的数据进行分析。,整个系统的工作受外时钟或内时钟的控制。,8.3.2 逻辑分析仪的触发方式,正常运行的数字系统中的数据流是很长的，各数据流的逻辑状态也各不相同，而存储数据的存储容量和显示数据的屏幕尺寸是有限的。,因此要全部一个不漏地存储或显示这些数据是不可能的。,逻辑分析仪设置触发的目的就在于选择数据流，以便对关键数据流进行存储和分析。,一旦选定的数据
8、字在某一时刻出现，就立即产生一个脉冲作为触发标志，用来启动或结束跟踪。,用于触发的数据字也称触发字，一般有以下七种触发方式。,1. 组合触发 组合触发也称基本触发，即将逻辑分析仪各通道的信号与各通道预置的触发字进行比较，当一一对应的各位相同时，则产生触发信号。,2.手动触发 在测量时，利用手动触发方式可以在任何时候加以触发或强制显示测量数据。,3.延迟触发 延迟触发即在触发产生时不立即跟踪，而是经过一段时间的延迟才跟踪。,在故障诊断中，常希望既能观察触发点前的信息，又能观察触发点后的信息。,在延迟触发方式中专门设置了一个数字延迟电路。,当捕获到触发字后，延迟一段时间再进行数据采集，则存储器中存
9、储的数据包括了触发点前后的数据。,延迟触发应与起始触发和终止触发方式配合使用。,4.序列触发 序列触发是为了检测复杂分支程序而设计的一种重要触发方式。,它由多个触发字按预先确定的关系排列，只有当被测试的程序按触发字的先后次序出现时，才能产生一次触发。,图8.4为四级序列触发过程示意图。,5. 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。,如有时选定的触发字在数据流中出现较为频繁，为了有选择地捕捉、存储和显示特定的数据流，可以附加一些约束条件。,这样，只要数据流中未出现这些条件，即使触发字频繁出现，也不能进行有效地触发。图8.5为限定触发信号产生原理图。,图8.4 四级触发序列示意图
10、,图8.5 限定触发信号产生原理图,6.计数触发 采用计数的方法，当计数值达到预置值时才产生触发。,在较复杂的软件系统中有嵌套循环时，常用计数触发对循环进行跟踪。,7.毛刺触发 毛刺触发是利用滤波器从信号中取出一定宽度的干扰脉冲作为触发信号。,然后存储毛刺出现前后的数据流，以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。,8.3.3 逻辑分析仪的显示方式,逻辑分析仪可根据用途不同，把已存入存储器中的数据处理成便于观察分析的格式显示在CRT上。,逻辑状态分析仪常采用各种状态表及图形显示；而逻辑定时分析仪则常采用定时图显示。,1. 状态表显示 状态表显示是采用各种数制以表格形式显示
11、状态信息。,通常用十六进制数显示地址和数据总线上的信息，用二进制数显示控制总线和其他电路接点上的信息，如表8-2所示，适用于软件调试。,2. 反汇编显示 多数逻辑分析仪都具有反汇编功能，把总线上出现的数据翻译成各种微处理器的汇编语言源程序，如表8-3所示。,表8-2 状态表显示,表8-3 反汇编显示,定时显示好像多通道的示波器显示多个波形一样，把已存入存储器内的数据按时间变化的伪波形显示出来。,它以逻辑电平表示波形图，显示的是一串经过整形后类似方波的波形。,在某一时刻的高、低电平分别看做“1”、“0”，各通道的信号波形反映该通道在等间隔离散时间点上信号的逻辑电平值。,由于它们已被重新构造，显示
12、的波形不是实际波形，所以也称“伪波形”或“伪时域波形”。,定时图显示多用于硬件分析，例如分析集成电路各输入输出端的逻辑关系，计算机外部设备的中断请求与CPU的应答信号的定时关系等。,3.图解显示 图解显示是利用D/A转换器将要显示的数字量转化成模拟量。,它类似于示波器的X-Y模式显示，x轴表示数据出现的实际顺序，Y轴表示数据通道的模拟数值，刻度可由用户设定，但是它形成的是图像点阵。,图8.6显示的是一个简单的BCD十进制计数器的工作波形。,图8.6 数据序列显示图,BCD计数器从零开始计数，来一个时钟脉冲计数值增1，其状态变化的数字序列为。,0000-0001-0010-0011-0100-0
13、101-0110-0111-1000-1001，计满10个脉冲后又开始新一轮的循环。,数据在时间轴上按先后出现，经D/A转换后形成递增的模拟量。,由此在屏幕上形成由左节方开始向右上方移动的10个亮点。,如此循环、这种显示模式多用于检查一个带有大量子程序的执行情况。,4. 影射图显示 影射图显示把每个数据与屏幕上的每个光点联系起来。,如果数据是8位，则可把屏幕左上角的光点用“00”表示，右下角的光点用“FFH”表示，其他光点按从左到右、从上到下、由小到大的规律分布在屏幕上。,如果用逻辑分析仪观察微机的地址总线，则每个光点是程序运行中一个地址的影射。,图8.7 (a)、（b）表示的是某程序存储与运
14、行影射图的对照。,三个“”号表示地址单元的坐标位置。,图8.7 程序存储与影射对照图,5. 分解模块显示 高层次的逻辑分析仪可设置多个显示模式。,如将一个屏幕分成两个窗口显示，上窗口显示该处理器在同一时刻的定时图；下窗口显示经反汇编后的微处理器的汇编语言源程序。,由于上、下两个窗口的图形在时间上是相关的，因而对电路的定时和程序的执行可同时进行观察，软硬件可同时调试。,8.3.4 逻辑分析仪的基本应用,1. 数字系统软件测试 用逻辑分析仪测试数字系统软件，主要是在跟踪数据流时。,如何有选择地捕获有效数据，即如何设置正确的触发字和触发方式，建立合适的数据显示窗口。,图8.8 简单分支程序的测试,图
15、8.8为简单的分支程序及触发条件设置图。,程序流程有两条通路到达034E, A通路经03CF到达034E；B通路经037B到达034E.如果希望分析A通道的数据流，可以通过逻辑分析仪进行跟踪显示。,2. 微处理器测试 在微机系统中，微处理器的数据总线、地址总线和控制总线之间的时序关系对系统的可靠性是十分重要的。,由于逻辑分析仪具有多个输入通道，因此可同时将三组总线的信息进行采集、显示，从而得出其定时关系。,3.测试数字集成电路 将数字集成电路接入逻辑分析仪中，通过选择适当的显示方式得到具有一定规律的图形。,如果显示不正常，可以通过显示过程中不正确的图形，找出逻辑错误的位置。,如采用逻辑分析仪可
16、对RAM6116的存储性能进行检查，图8.9为测试连线图。,图8.9 集成电路测试连接图,从图中、可以看出，RAM6116是2KB8位静态随机存储芯片，具有10条地址线、8条双向数据线。,逻辑发生单元或数字信号发生器提供RAM工作的各种控制信号。,包括片选信号、读允许、写允许信号，逻辑分析仪的探头与RAM的所有管脚连接，检查管脚发生的信息，然后进行显示。,4.数字系统故障诊断 要查找并确定数字系统产生错误的原因，可选择能生成多路测试数据的仪器，把该测试数据加到被测电路中并由逻辑分析仪测量其响应。,逻辑故障使用工具范围从专用协议分析仪接到通用的图形发生器和进行复杂设计的分析仪。,在一些情况下，可运行一个有故障的数字子系统并记录发生故障前后的响应。,另一种方法是使用人工
