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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 介介绍绍数数据据域域测测试试的的特特点点和和数数字字系系统统的的故故障障描描述述；说说明明数数据据域域测测试试的的基基本本方方法法；对对常常用用的的数数据据域域测测试试仪仪器器逻逻辑辑笔笔、逻逻辑辑分分析析仪仪的的电电路路构构成成和和工工作作原原理理进进行行分分析析，并并介介绍绍数数据据域域测测试试仪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：逻辑分析仪的触
2、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 数数据据域域测测试试技技术术中中被被测测系系统统的的信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。数数据据域域测测试试技技术术主主要要解解决决数数字字设设备备、计计算算机机及及LSI(大大规规模模集集成成电电路路)、VLSI(超超大大规规模模集集成成电电路路)电电路路在在研研制制、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。被测信号的非周期性
3、。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确定定系系统统中中是是否否存存在在故故障障，称称为为合合格格/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 对对数数字字系系统统进进行行测测试试的的基基本本方方法法是是：从从输输入入端端加加激激励励信信号号，观观察察由由此此产产生生的的输输出出响响应应，并并与与预预期期的的正正确确结结果果进进行行比比较较，一一致致则则表表示示系系统统正正常常；不一致表示系统有故障。不一致表示系统有故障。一般有
4、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5数据域测试主要设备数据域测试主要设备 数数据据域域测测试试的的主主要要设设备备有有：逻逻辑辑笔笔和和逻逻辑辑夹夹、逻逻辑辑分分析析仪仪、特特征征分分析析仪仪、激激励励仪仪器器、微微机机及及数数字字系系统统故故障障诊诊断断仪仪、在在线线仿仿真真仪仪、数数据据图图形形产产生生器器、微微型型计计算算机机开开发发系系统统、印印制制电电路路板测试系统等。板测试系统等。逻辑笔逻辑笔逻辑
5、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 当当系系统统提提供供的的服服务务违违背背了了技技术术规规范范，或或者者偏偏离离了了其其预预定定功功能能时时，表表示示系统已系统已失效失效。失失效效的的根根源源是是故故障障，但但故故障障并并不不等于失效。等于失效。2发生故障的原因发生故障的原因 一一类类是是由由设设计计原原因因引引起起，它它包包括括设设计计规规范范有有错错误误或或含含糊糊不不清清、设设计计人人员员进进行行了了违违背背规规范范的的设设计计等等，这这类类故故障障主主要要依依靠靠设计人员通过逻辑正
6、确性验证来消除。设计人员通过逻辑正确性验证来消除。另另一一类类故故障障是是由由物物理理原原因因引引起起的的，称称为为物物理理故故障障。例例如如在在制制造造期期间间焊焊点点开开路路、接接线线开开路路和和短短路路、管管脚脚短短路路和和断断裂裂等等；在在存存储储期期间间由由于于温温度度、湿湿度度和和老老化化等等因因数数引引起的故障。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9.2 逻辑电路的简易测试逻辑电路的简易测试 对对于于一一般般的的逻逻辑辑电电路路，如如分分立立元元件件、中中小小规规模模集集成成电电路路及及数数字字系
7、系统统的的部部件件，可可以以利利用用示示波波器器、逻逻辑辑笔笔、逻逻辑辑比比较较器器和和逻逻辑辑脉脉冲冲发发生生器器等等简简单单而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。常常见见的的简简易易逻逻辑辑电电平平测测试试设设备备有有逻逻辑辑笔笔和和逻逻辑辑夹夹，逻逻辑辑笔笔用用于于测测试试单单路信号，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 低低电电平平指指示示灯灯高高电电平平指指示示灯灯+5V输输入入保保护护电电路路高电平高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
8、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
9、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。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。
10、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。主要用于检测数字系统的工作程序。并用字符并用字符“0 0”和和“1 1”
11、、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
12、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
13、、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
14、发方式逻辑分析仪的触发方式 1组合触发组合触发 组组合合触触发发也也称称基基本本触触发发，即即将将逻逻辑辑分分析析仪仪各各通通道道的的信信号号与与各各通通道道预预置置的的触触发发字字进进行行比比较较，当当一一一一对应的各位相同时，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 在在测测量量时时，利利用用手手动动触触发发方方式式可可以以在在任任何何时时候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 即即在在触触发发产产生生时时不不立立即即跟跟踪踪，而而是是经经过过一一段段时时间的延迟才跟踪。间的延迟才跟踪。4序列触发序列触发 由由多多个个触触
15、发发字字按按预预先先确确定定的的关关系系排排列列，只只有有当当被被测测试试的的程程序序按按触触发发字字的的先先后后次次序序出出现现时时，才才能产生一次触发。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件限定触发是对设置的触发字加限定条件的触发方式。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 毛刺触发是利用滤波器从信号中取出一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
16、触发信号，然后存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。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 状状态态表表显显示示是是采采用用各各种种数数制制以以表表格格形形式式显显示示状状态态信信息息。通通常常用用十十六六进进制制数数显显示示地地址址和和数数据据总总线线上上的的信信息息，用用二二进进制制显显示示控控制制总总线线和和其其它它电电路路接接点上的信息。点上的信息。地址（地址（HEX）数据（
17、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 定定时时图图显显示示把把已已存存入入存存储储器器内内的的数数据据按按时时间间变变化化的的伪伪波波形形显显示示出出来来，它它以以逻逻辑辑电电平平表表示示波波形形图图。图图为为三三-八八译译码码器器输输出出信信号号的的定定时时图图，对对应应存存储储的的第一个有效数字
18、为第一个有效数字为01111111。4图解显示图解显示 图图解解显显示示是是利利用用D/A转转换换器器，将将要要显显示示的的数数字字量量转转化化成成模模拟拟量量，以以类类似似于于示示波波器器的的X-Y模模式式显显示示，X轴轴表表示示数数据据出出现现的的实实际际顺顺序序，Y轴轴表表示示数数据据通通道道的的模模拟拟数数值值，刻刻度度可可由由用用户户设设定定，但但是是它它形形成成的的是是图图像像点点阵。阵。图图9.8显显示示的的是是一一个个简简单单的的BCD十十进进制制计计数数器器的的工工作作波波形形。图图9.9显显示示程程序序的的执执行行情况。情况。图图9.8 数据序列的图解显示数据序列的图解显示
19、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 影影射射图图显显示示把把每每个个数数据据与与屏屏幕幕上上的的每每个个光光点点联联系系起起来来。如如果果数数据据是是8位位，则则可可把把屏屏幕幕左左上上角角的的光光点点用用“00”表表示示，右右下下角角的的光光点点用用“FFH”表表示示，其其它它光光点点按按从从左左到到右右、从从上上到到下下、由由小小到到大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某程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
20、解模块显示分解模块显示 高高层层次次的的逻逻辑辑分分析析仪仪可可设设置置多多个个显显示示模模式式。如如将将一一个个屏屏幕幕分分成成两两个个窗窗口口显显示示，上上窗窗口口显显示示该该处处理理器器在在同同一一时时刻刻的的定定时时图图；下下窗窗口口显显示示经经反反汇汇编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定时时图图窗窗口口:该该窗窗口口用用于于显显示示各各通通道道的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。图图形形操操作作按按钮
21、钮组组:该该组组包包括括7个个按按钮钮，上上方方4个个分分别别用用于于上上、下下、左左、右右移移动动定定时时图图，下下方方3个个分分别别用用于于把把图图形形放放大大、缩小，或恢复原状。缩小，或恢复原状。焦焦点点移移动动按按钮钮组组:这这组组按按钮钮包包括括4个个按按钮钮，其其中中四四个个分分别别用用于于上上、下下、左左、右右移移动动定定时时图图窗窗口口中中的的焦焦点点，或或出出现现在在定定时时图图窗口中的设置界面的焦点。窗口中的设置界面的焦点。采采样样按按钮钮组组:这这组组按按钮钮包包括括两两个个按按钮钮：“设置设置”、“手动触发手动触发”。数数据据输输入入按按钮钮组组:这这组组共共有有16个
22、个按按钮钮，分分别别为为19和和AF，用于让用户向逻辑分析仪输入数据。用于让用户向逻辑分析仪输入数据。光光标标移移动动按按钮钮组组:这这组组共共有有3个个按按钮钮，分分别用于左右移动别用于左右移动X、Y、T光标。光标。启启动动/停停止止按按钮钮组组:这这组组共共有有三三个个按按钮钮：“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，建据，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。立合适
23、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的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，从而得出其定时关系。信息进行采集、显示，从而得出其定时关系。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断一般在对数字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测时，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区数字系统的概况，用状态表寻找小故障区域
24、，最后用定时图对故障准确定位。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 现现代代逻逻辑辑分分析析仪仪的的测测量量部部分分采采用用灵灵活活的的模模块块结结构构，插插槽槽可可插插入入各各种种模模块块插插件件 以以 完完 成成 要要 求求 的的 测测 试试 任任 务务。如如HP16500A具具有有5个个插插槽槽，如如果果5个个插插槽槽全全部部插插入入逻逻辑辑分分析析仪仪插插件件，可可构构成成400通通道道的的逻逻辑辑分分析析仪仪。每每个个模模块块可可单单独独执执行行测测量量任任务务，同同时时模模块块之之间间还还可可进进行行交交互互测测量量。模模块块的的更更换换和和交交互互测测量量为为逻逻辑辑分析仪提供了更强的功能。分析仪提供了更强的功能。