1、第第9 9章章 数据信号的测量技术数据信号的测量技术内容提要内容提要 介绍数据域测试的特点和数字系介绍数据域测试的特点和数字系统的故障描述；说明数据域测试的基统的故障描述；说明数据域测试的基本方法；对常用的数据域测试仪器逻本方法；对常用的数据域测试仪器逻辑笔、逻辑分析仪的电路构成和工作辑笔、逻辑分析仪的电路构成和工作原理进行分析，并介绍数据域测试仪原理进行分析，并介绍数据域测试仪器的使用和测试方法。器的使用和测试方法。重点与难点重点与难点重点：重点：逻辑笔、逻辑分析仪的工作原理，使用逻辑笔、逻辑分析仪的工作原理，使用数据域测试仪器进行测试的方法。数据域测试仪器进行测试的方法。难点：难点：逻辑分
2、析仪的触发和显示方式。逻辑分析仪的触发和显示方式。9.1 概述概述 数据域测试技术中被测系统的信数据域测试技术中被测系统的信息载体主要是二进制数据流。息载体主要是二进制数据流。数据域测试技术主要解决数字设数据域测试技术主要解决数字设备、计算机及备、计算机及LSI(大规模集成电路大规模集成电路)、VLSI(超大规模集成电路超大规模集成电路)电路在研制、电路在研制、生产和检修中的测试问题。生产和检修中的测试问题。9.1.1 数据域测试的基本概念数据域测试的基本概念1数据域测试特点数据域测试特点被测信号持续时间短。被测信号持续时间短。被测信号故障定位难。被测信号故障定位难。被测信号的非周期性。被测信
3、号的非周期性。信息传递方式多样化。信息传递方式多样化。外部测试点少。外部测试点少。2数据域测试主要目标数据域测试主要目标 确定系统中是否存在故障，称为确定系统中是否存在故障，称为合格合格/失效测试，或称故障检测失效测试，或称故障检测；确定故障的位置，称为确定故障的位置，称为故障定位故障定位。3数据域测试的方法数据域测试的方法 对数字系统进行测试的基本方法对数字系统进行测试的基本方法是：是：从输入端加激励信号，观察由此从输入端加激励信号，观察由此产生的输出响应，并与预期的正确结产生的输出响应，并与预期的正确结果进行比较，一致则表示系统正常；果进行比较，一致则表示系统正常；不一致表示系统有故障。不
4、一致表示系统有故障。一般有一般有穷举测试法穷举测试法功能测试法功能测试法结构测试法结构测试法随机测试法随机测试法 4数据域测试的步骤数据域测试的步骤一般分三个阶段进行：一般分三个阶段进行：1.测试生成测试生成2.测试评价测试评价3.测试实施测试实施LSI测试系统的简化框图测试系统的简化框图 计计算算机机时钟发生器时钟发生器图形发生器图形发生器被测电路被测电路实效存储器实效存储器逻辑比较器逻辑比较器驱动器驱动器波形合成器波形合成器 电平比较器电平比较器测试系统总测试系统总线线测试程测试程序输入序输入测试结测试结果输出果输出参考电压参考电压5数据域测试主要设备数据域测试主要设备 数据域测试的主要设
5、备有：数据域测试的主要设备有：逻辑逻辑笔笔和逻辑夹、和逻辑夹、逻辑分析仪逻辑分析仪、特征分析、特征分析仪、激励仪器、微机及数字系统故障仪、激励仪器、微机及数字系统故障诊断仪、在线仿真仪、数据图形产生诊断仪、在线仿真仪、数据图形产生器、微型计算机开发系统、印制电路器、微型计算机开发系统、印制电路板测试系统等。板测试系统等。逻辑笔逻辑笔逻辑分析仪逻辑分析仪模块化逻辑分析仪模块化逻辑分析仪9.1.2 数字系统故障和故障模型数字系统故障和故障模型1失效和故障的定义失效和故障的定义 当系统提供的服务违背了技术规当系统提供的服务违背了技术规范，或者偏离了其预定功能时，表示范，或者偏离了其预定功能时，表示系
6、统已系统已失效失效。失效的根源是故障，但故障并不失效的根源是故障，但故障并不等于失效。等于失效。2发生故障的原因发生故障的原因 一类是由设计原因引起一类是由设计原因引起，它包括设，它包括设计规范有错误或含糊不清、设计人员进计规范有错误或含糊不清、设计人员进行了违背规范的设计等，这类故障主要行了违背规范的设计等，这类故障主要依靠设计人员通过逻辑正确性验证来消依靠设计人员通过逻辑正确性验证来消除。除。另一类故障是由物理原因引起的，另一类故障是由物理原因引起的，称为物理故障称为物理故障。例如在制造期间焊点开。例如在制造期间焊点开路、接线开路和短路、管脚短路和断裂路、接线开路和短路、管脚短路和断裂等；
7、在存储期间由于温度、湿度和老化等；在存储期间由于温度、湿度和老化等因数引起的故障。等因数引起的故障。3故障特征的描述故障特征的描述 故障性质故障性质 故障的值故障的值 故障的范围故障的范围 故障的持续时间故障的持续时间4.常见故障模型常见故障模型 固定故障模型固定故障模型 晶体管故障模型晶体管故障模型 门级故障模型门级故障模型 功能块级故障模型功能块级故障模型 存储故障模型存储故障模型 可编程逻辑阵列故障模型可编程逻辑阵列故障模型 微处理器故障模型微处理器故障模型 临时故障模型临时故障模型9.2 逻辑电路的简易测试逻辑电路的简易测试 对于一般的逻辑电路，如分立元对于一般的逻辑电路，如分立元件、
8、中小规模集成电路及数字系统的件、中小规模集成电路及数字系统的部件，可以利用示波器、逻辑笔、逻部件，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辑比较器和逻辑脉冲发生器等简单而廉价的数据域测试仪器进行测试。廉价的数据域测试仪器进行测试。常见的简易逻辑电平测试设备有常见的简易逻辑电平测试设备有逻辑笔和逻辑夹，逻辑笔和逻辑夹，逻辑笔用于测试单逻辑笔用于测试单路信号，逻辑夹用于测试多路信号路信号，逻辑夹用于测试多路信号。9.2.1 逻辑电平测试设备逻辑电平测试设备1逻辑笔的基本组成图逻辑笔的基本组成图 低电平指示低电平指示灯灯高电平指示高电平指示灯灯+5V输输入入保保护护电电路路高电平高
9、电平比较器比较器低电平低电平比较器比较器低电平低电平脉冲扩展脉冲扩展高电平高电平脉冲扩展脉冲扩展指指示示驱驱动动电电 路路 被测信被测信号输入号输入2逻辑笔的应用逻辑笔的应用(1)逻辑笔可用于判断某一端点的逻辑状态。逻辑笔可用于判断某一端点的逻辑状态。（2）逻辑笔的选通脉冲）逻辑笔的选通脉冲 只有选通脉冲到来后，逻辑笔才工作，此只有选通脉冲到来后，逻辑笔才工作，此时红灯有指示。时红灯有指示。图图9.3 选通脉冲的作用选通脉冲的作用9.3 逻辑分析仪逻辑分析仪9.3.1 概述概述 逻辑分析仪对于数据有很强的选逻辑分析仪对于数据有很强的选择能力和跟踪能力，能满足数字域测择能力和跟踪能力，能满足数字
10、域测试的各种要求，是数字系统进行逻辑试的各种要求，是数字系统进行逻辑分析的重要工具。分析的重要工具。1逻辑分析仪的主要特点逻辑分析仪的主要特点 1.以荧光屏显示的方式表示出数字系统的运行情况，便于观察。以荧光屏显示的方式表示出数字系统的运行情况，便于观察。2.有足够多的输入通道，可同时检查有足够多的输入通道，可同时检查32、64路甚至更多路信号。路甚至更多路信号。3.具有多种灵活的触发方式，确保对被观察数据流的准确定位。具有多种灵活的触发方式，确保对被观察数据流的准确定位。4.具有记忆功能，可以观测单次及非周期性数据信息，并可诊断具有记忆功能，可以观测单次及非周期性数据信息，并可诊断随机故障。
11、随机故障。5.具有限定功能，可对数据进行挑选，删除无关数据。具有限定功能，可对数据进行挑选，删除无关数据。6.具有多种显示方式。如可用字符、助记符、汇编语言显示程序；具有多种显示方式。如可用字符、助记符、汇编语言显示程序；用二进制、八进制、十进制、用二进制、八进制、十进制、ASC码等显示数据；用定时图码等显示数据；用定时图显示信息之间的时序。显示信息之间的时序。7.具有可靠的毛刺检测能力。具有可靠的毛刺检测能力。2逻辑分析仪的分类逻辑分析仪的分类 逻辑分析仪按其工作特点，可分为两大类。逻辑分析仪按其工作特点，可分为两大类。Q逻辑状态分析仪逻辑状态分析仪主要用于检测数字系统的工作程序。主要用于检
12、测数字系统的工作程序。并用字符并用字符“0”0”和和“1”1”、助记符或映射图等来显示被、助记符或映射图等来显示被测信号的逻辑状态，其状态数据的采集与被测系统同测信号的逻辑状态，其状态数据的采集与被测系统同步工作，逻辑状态分析仪主要用于系统的软件测试。步工作，逻辑状态分析仪主要用于系统的软件测试。Q逻辑定时分析仪逻辑定时分析仪用定时图方式显示状态信息，可显示用定时图方式显示状态信息，可显示各通道的逻辑波形，特别是各通道之间波形的时序关各通道的逻辑波形，特别是各通道之间波形的时序关系。逻辑定时分析仪与被测系统异步工作，主要用于系。逻辑定时分析仪与被测系统异步工作，主要用于数字系统的硬件测试。数字
13、系统的硬件测试。3逻辑分析仪与传统示波器的比较逻辑分析仪与传统示波器的比较9.3.2 逻辑分析仪的基本组成逻辑分析仪的基本组成 逻辑分析仪的基本结构方框如下图所示逻辑分析仪的基本结构方框如下图所示 输输入入变变换换电电路路数据数据存储存储时钟选择时钟选择触发产生触发产生被测数据被测数据数数据据显显示示电电路路数据显示部分数据显示部分CRT数据捕获部分数据捕获部分外时钟外时钟内时钟内时钟2逻辑分析仪的数据捕获逻辑分析仪的数据捕获 数据捕获部分的作用是在测试的数据数据捕获部分的作用是在测试的数据流中开个窗口，把有分析意义的数据存入流中开个窗口，把有分析意义的数据存入逻辑分析仪的存储器中。逻辑分析仪
14、的存储器中。捕获部分由输入探头、触发产生和数捕获部分由输入探头、触发产生和数据存储三部分组成。据存储三部分组成。（1）输入探头）输入探头 它分为数据探头和时钟探头两种，结它分为数据探头和时钟探头两种，结构大体相同。构大体相同。图图9-2 输入探头示意图输入探头示意图（a）、（）、（b）是数据探头的示意图，（）是数据探头的示意图，（c）是时钟探头的示意图。）是时钟探头的示意图。（2）数据的捕获方式）数据的捕获方式 基本的数据捕获方式有两种：取样模基本的数据捕获方式有两种：取样模式和锁定模式。式和锁定模式。取样模式取样模式 图图9-3 取样方式原理波形图取样方式原理波形图锁定模式 图图9-4 锁定
15、方式检测毛刺原理锁定方式检测毛刺原理9.3.3 逻辑分析仪的触发方式逻辑分析仪的触发方式 1组合触发组合触发 组合触发也称基本触发，即将逻辑分析仪各通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。对应的各位相同时，则产生触发信号。2手动触发手动触发 在测量时，利用手动触发方式可以在任何时候在测量时，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。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，而是经过一段时即在触发产生时不立即跟踪，而是经过一段
16、时间的延迟才跟踪。间的延迟才跟踪。4序列触发序列触发 由多个触发字按预先确定的关系排列，只有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。能产生一次触发。图图9.5 四级序列触发示意图四级序列触发示意图5限定触发限定触发 限定触发是对设置的触发字加限定条限定触发是对设置的触发字加限定条件的触发方式。件的触发方式。图图9.6 限定触发信号产生限定触发信号产生 6计数触发计数触发 采用计数的方法，当计数值达到预置值采用计数的方法，当计数值达到预置值时才产生触发。时才产生触发。7毛刺触发毛刺触发 毛刺触发是利
17、用滤波器从信号中取出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。动作的现象和原因。9.3.4 逻辑分析仪的显示方式逻辑分析仪的显示方式 1状态表显示状态表显示 状态表显示是采用各种数制以表状态表显示是采用各种数制以表格形式显示状态信息。通常用十六进格形式显示状态信息。通常用十六进制数显示地址和数据总线上的信息，制数显示地址和数据总线上的信息，用二进制显示控制总线和其它电路接用
18、二进制显示控制总线和其它电路接点上的信息。点上的信息。地址（地址（HEX）数据（数据（HEX）状态（状态（BIN）28503411010 28517F01011 28529D11000 2853AC00111 2反汇编显示反汇编显示 地址地址数据数据操作码操作码操作数操作数 2000214200LDHL2042H 2003 0604LDB04H 200597SUBA 200623INCHL 3定时图显示定时图显示 定时图显示把已存入存储器内的数据按时间定时图显示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。变化的伪波形显示出来，它以逻辑电平表示波形图。图为三图为三-
19、八译码器输出信号的定时图，对应存储的八译码器输出信号的定时图，对应存储的第一个有效数字为第一个有效数字为01111111。4图解显示图解显示 图解显示是利用图解显示是利用D/A转换器，将要显转换器，将要显示的数字量转化成模拟量，以类似于示波示的数字量转化成模拟量，以类似于示波器的器的X-Y模式显示，模式显示，X轴表示数据出现的实轴表示数据出现的实际顺序，际顺序，Y轴表示数据通道的模拟数值，刻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度可由用户设定，但是它形成的是图像点阵。阵。图图9.8显示的是一个简单的显示的是一个简单的BCD十进制十进制计数器的工作波形。图计数器的工作波
20、形。图9.9显示程序的执行显示程序的执行情况。情况。图图9.8 数据序列的图解显示数据序列的图解显示图图9.9 程序执行的图解显示程序执行的图解显示5影射图显示影射图显示 影射图显示把每个数据与屏幕上的每影射图显示把每个数据与屏幕上的每个光点联系起来。如果数据是个光点联系起来。如果数据是8位，则位，则可把屏幕左上角的光点用可把屏幕左上角的光点用“00”表示，表示，右下角的光点用右下角的光点用“FFH”表示，其它光表示，其它光点按从左到右、从上到下、由小到大点按从左到右、从上到下、由小到大的规律分布在屏幕上。的规律分布在屏幕上。下图为六个数据的影射图下图为六个数据的影射图 F0 00FFF 某程
21、序存储与运行映射图0000007F堆栈堆栈280028FF主程序主程序40044009输入输入/输出输出FFF8FFFF向量向量6分解模块显示分解模块显示 高层次的逻辑分析仪可设置多个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。后的微处理器的汇编语言源程序。9.3.5 逻辑分析仪的基本应用逻辑分析仪的基本应用 1.逻辑分析仪的面板图和主要控键逻辑分析仪的面板图和主要控键定时图窗口定时图窗口:
22、该窗口用于显示各通道的该窗口用于显示各通道的输入数据的逻辑电平，并标出各电平值。输入数据的逻辑电平，并标出各电平值。图形操作按钮组图形操作按钮组:该组包括该组包括7个按钮，上个按钮，上方方4个分别用于上、下、左、右移动定个分别用于上、下、左、右移动定时图，下方时图，下方3个分别用于把图形放大、个分别用于把图形放大、缩小，或恢复原状。缩小，或恢复原状。焦点移动按钮组焦点移动按钮组:这组按钮包括这组按钮包括4个按钮，个按钮，其中四个分别用于上、下、左、右移动其中四个分别用于上、下、左、右移动定时图窗口中的焦点，或出现在定时图定时图窗口中的焦点，或出现在定时图窗口中的设置界面的焦点。窗口中的设置界面
23、的焦点。采样按钮组采样按钮组:这组按钮包括两个按钮：这组按钮包括两个按钮：“设置设置”、“手动触发手动触发”。数据输入按钮组数据输入按钮组:这组共有这组共有16个按钮，个按钮，分别为分别为19和和AF，用于，用于让用户向逻辑分析仪输入数据。让用户向逻辑分析仪输入数据。光标移动按钮组光标移动按钮组:这组共有这组共有3个按钮，分个按钮，分别用于左右移动别用于左右移动X、Y、T光标。光标。启动启动/停止按钮组停止按钮组:这组共有三个按钮：这组共有三个按钮：“单次单次”、“连续连续”、“停止停止”。电源按钮电源按钮:系统开机与电源指示。系统开机与电源指示。2数字系统软件测试数字系统软件测试 主要是跟踪
24、数据流，有选择地捕获有效数主要是跟踪数据流，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，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。建立合适的数据显示窗口。逻辑分析仪具有多个输入通道，可同时将逻辑分析仪具有多个输入通道，可同时将微处理器的数据总线、地址总线和控制总线微处理器的数据总线、地址总线和控制总线的信息进行采集、显示，从而得出其定时关的信息进行采集、显示，从而得出其定时关系。系。3微处理器测试微处理器测试4测试数字集成电路测试数字集成电路图图9.14 集成电路的测试集成电路的测试5数字系统故障诊断数字系统故障诊断 一般在对数字系统进行检测和故障诊一般在对数字
25、系统进行检测和故障诊断时，可以利用图象显示快速而全面地检断时，可以利用图象显示快速而全面地检测数字系统的概况，用状态表寻找小故障测数字系统的概况，用状态表寻找小故障区域，最后用定时图对故障准确定位。区域，最后用定时图对故障准确定位。9.3.6 模块化的逻辑分析仪模块化的逻辑分析仪 现代逻辑分析仪的测量部分采用灵现代逻辑分析仪的测量部分采用灵活的模块结构，插槽可插入各种模块插活的模块结构，插槽可插入各种模块插件 以 完 成 要 求 的 测 试 任 务。如件 以 完 成 要 求 的 测 试 任 务。如HP16500A具有具有5个插槽，如果个插槽，如果5个插槽个插槽全部插入逻辑分析仪插件，可构成全部插入逻辑分析仪插件，可构成400通道的逻辑分析仪。每个模块可单独执通道的逻辑分析仪。每个模块可单独执行测量任务，同时模块之间还可进行交行测量任务，同时模块之间还可进行交互测量。模块的更换和交互测量为逻辑互测量。模块的更换和交互测量为逻辑分析仪提供了更强的功能。分析仪提供了更强的功能。
