電子測量與儀器課件第八章數(shù)據(jù)域測量與儀器1

1、第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 1第第8 8章章 數(shù)據(jù)域測量與儀器數(shù)據(jù)域測量與儀器8.1 數(shù)據(jù)域測量的基本概念數(shù)據(jù)域測量的基本概念 8.2 數(shù)據(jù)域測試技術(shù)數(shù)據(jù)域測試技術(shù) 8.3 邏輯分析儀邏輯分析儀本章小結(jié)本章小結(jié)第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 2第第8章章 波形測試與儀器波形測試與儀器學習參考：學習參考：邏輯分析儀是數(shù)據(jù)域測量的主要工具，常用于數(shù)字系統(tǒng)的故障檢測、故障定位、故障診斷以及數(shù)據(jù)流的檢測與顯示。本章主要介紹數(shù)據(jù)域測量技術(shù)及邏輯分析儀的組成原理與應(yīng)用。要求通過學習掌握數(shù)據(jù)域測試方法，了解邏輯筆、邏輯分析儀的組成及應(yīng)用，理解邏輯分析儀的工作原理。 本章要點：本章要點：數(shù)據(jù)域測試方法、邏輯筆與邏輯分

2、析儀的組成原理及應(yīng)用。 第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 38.18.1數(shù)據(jù)域測量的基本概念數(shù)據(jù)域測量的基本概念傳統(tǒng)時域測量儀器對模擬電路與系統(tǒng)的測試是行之有效的。但對于復雜數(shù)字電路與系統(tǒng)的測試卻未必奏效，甚至完全無能為力。這是由數(shù)據(jù)域測量的特點所決定的。8.1.1 8.1.1 數(shù)據(jù)域測量的特點數(shù)據(jù)域測量的特點數(shù)據(jù)域測量就是對數(shù)據(jù)流的測量，它面向的測量對象是數(shù)字邏輯電路。數(shù)字邏輯電路以二進制數(shù)字“0”和“1”的方式來表示信息。在每一特定時刻，多位0、1數(shù)字的組合稱為一個數(shù)據(jù)字，數(shù)據(jù)字隨時間的變化按一定的時序關(guān)系形成數(shù)據(jù)流。因此，數(shù)字系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)字作為時間或時序的函數(shù)，而不是將電壓作為時間或頻率的

3、函數(shù)。第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 4數(shù)據(jù)域測量的內(nèi)容包括數(shù)字系統(tǒng)或設(shè)備的故障檢測、故障定位、故障診斷以及數(shù)據(jù)流的檢測和顯示。運行正常的數(shù)字系統(tǒng)或設(shè)備的數(shù)據(jù)流是正確的；如果數(shù)據(jù)流發(fā)生錯誤，則說明系統(tǒng)或設(shè)備存在故障。因此，只要檢測出輸入與輸出的對應(yīng)數(shù)據(jù)流關(guān)系，即可明確系統(tǒng)功能是否正常、判斷出是否存在故障，并確定出故障的范圍。8.1.2 8.1.2 數(shù)字系統(tǒng)的特點數(shù)字系統(tǒng)的特點數(shù)字系統(tǒng)以數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)字作為時間或時序的函數(shù)，具有以下特點：（1）數(shù)字信號是非周期性的數(shù)字系統(tǒng)或設(shè)備按一定的時序工作。在執(zhí)行一個程序時，許多信號只出現(xiàn)一次，或者僅在關(guān)鍵時刻出現(xiàn)一次（例第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 5如中斷事件）；某些

4、信號雖然可能會重復出現(xiàn)，但并非是時域上的周期信號，例如子程序的調(diào)用。因此，數(shù)據(jù)域測試應(yīng)能捕獲單次信號和非周期信號，這對于示波器等傳統(tǒng)儀器來說是很難做到的，更難以發(fā)現(xiàn)故障。（2）數(shù)字信號是按時序傳輸?shù)臄?shù)字系統(tǒng)或設(shè)備具有一定的邏輯功能，系統(tǒng)中的信號是有序的數(shù)據(jù)流，各信號之間具有嚴格的時序關(guān)系。因此，數(shù)據(jù)域測試應(yīng)能分析各種信號的時序和邏輯關(guān)系，并能捕獲單次信號和非周期信號。例如，程序的執(zhí)行必須在規(guī)定的控制信號作用下，取出指令代碼，進行譯碼，并發(fā)出完成該指令的控制信號，這些邏輯關(guān)系是在控制器的作用下完成的。第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 6（3）數(shù)字信號是多通道傳輸?shù)囊粋€字符、一個數(shù)據(jù)、一條指令或地址是由多

5、位數(shù)據(jù)（bit）組成的。因此，數(shù)據(jù)域測量儀器應(yīng)具有多個輸入通道，每個器件都與總線相接，如同“懸掛”在總線上（即“掛”在總線上），每個器件依靠一定的時序節(jié)拍脈沖工作。所謂總線是指能同時傳輸數(shù)字信息所需的可以復用的多根導線。（4）數(shù)字信息的傳輸方式多種多樣數(shù)字信號是脈沖信號，數(shù)字信息則用高低電平及二者的組合來表示。數(shù)字信息可以以串行方式（bit）或并行方式（byte）傳輸，也可以同步傳輸或異步傳輸。并行傳輸比串行傳輸?shù)男畔鬏斔俣瓤?，但所需的硬件多。串行傳輸一般?yīng)用于遠距離數(shù)據(jù)傳輸中。由于總線是復用的，因此，數(shù)據(jù)域測試第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 7應(yīng)能進行電平判別，確定信號在電路中的建立時間和保持時

6、間，并注意設(shè)備的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)的選擇，應(yīng)能夠從大量的數(shù)據(jù)流中捕獲有分析意義的數(shù)據(jù)。（5）數(shù)字信號的頻率范圍很寬數(shù)字系統(tǒng)中，中央處理機具有ps(10-12s)量級的時間分辨力，而低速的外部設(shè)備如電傳機輸入鍵的選通脈沖卻以ms(10-3s)計量，可見數(shù)字信號的頻率范圍很寬。因此，數(shù)據(jù)域測試儀器應(yīng)能采集不同速度的數(shù)據(jù)。（6）數(shù)字系統(tǒng)的故障判別與模擬系統(tǒng)不同 模擬系統(tǒng)的故障主要根據(jù)電路中某些節(jié)點的電壓或波形來判別，而數(shù)字系統(tǒng)中的故障判別往往依據(jù)信號間的時序和邏輯關(guān)系是否正常來判別。造成數(shù)字系統(tǒng)出錯的數(shù)據(jù)?；煸谡_的數(shù)據(jù)流第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 8中，有時發(fā)現(xiàn)故障時產(chǎn)生故障的原因早已過去。因此，

7、在檢測與判別故障時，既要分析出錯后的信息狀態(tài)，又要捕獲出錯前的信息狀態(tài)。8.1.3 數(shù)據(jù)域測試儀器設(shè)備數(shù)據(jù)域測試儀器設(shè)備數(shù)據(jù)域測試的目的是：判別數(shù)字電路或系統(tǒng)中是否存在故障，即故障的診斷；或者確定故障在電路或系統(tǒng)中的位置，即故障的定位。用于數(shù)據(jù)域測試儀器和設(shè)備包括以下幾種：（1）萬用表和數(shù)字電壓表萬用表和數(shù)字電壓表常用來測量數(shù)字電路或系統(tǒng)中各種模擬量的大小，例如，D/A變換器的輸出、A/D變換器的輸入等。第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 9（2）邏輯筆和邏輯夾邏輯筆和邏輯夾常用于測試簡單數(shù)字電路的狀態(tài)，即測出電路某一點的狀態(tài)是高電平、低電平，還是脈沖。邏輯夾可測得多路信號電平。（3）邏輯脈沖發(fā)生器（L

8、G，Logic Generator）邏輯脈沖發(fā)生器的外形與邏輯筆相似，能夠產(chǎn)生數(shù)字電路所需的不同寬度、幅度及頻率的邏輯脈沖信號。（4）邏輯分析儀邏輯分析儀是多線示波器與數(shù)字存儲技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，故又稱為邏輯示波器。它能夠?qū)壿嬰娐贰⑸踔涟ㄜ浖倪壿嫚顟B(tài)進行記錄和顯示，實現(xiàn)對邏輯系統(tǒng)的分析。第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 10（5）示波器示波器也是數(shù)字電路或系統(tǒng)調(diào)試及維修的常用測試儀器，用于測試脈沖的各種參數(shù)與信號幅度，比較輸入信號的波形、相位、幅度及其相互關(guān)系。多通道的示波器與特征分析儀、邏輯分析儀一起常被用來測試數(shù)字系統(tǒng)的動態(tài)特性。8.1.4 邏輯筆和邏輯夾邏輯筆和邏輯夾1.邏輯筆邏輯筆邏輯筆具有

9、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的特點，特別適合測試一般門電路和觸發(fā)器的邏輯關(guān)系。圖8.1為邏輯筆的外形結(jié)構(gòu)圖，頂端的兩個紅綠燈用于指示數(shù)字電路某一端點的邏輯狀態(tài)，紅燈亮表示是邏輯“1”（高電平），綠燈亮表示是邏輯“0”（低電平）。邏輯筆對被測點邏輯狀態(tài)的響應(yīng)如表8-1所示。第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 11電源存儲開關(guān)綠燈紅燈探針圖8.1 邏輯筆外形結(jié)構(gòu)圖表表8-1 邏輯筆測試響應(yīng)邏輯筆測試響應(yīng)被測點邏輯狀態(tài)邏輯筆響應(yīng)穩(wěn)定的邏輯“1”狀態(tài)（+2.4V+5V）紅燈穩(wěn)定亮穩(wěn)定的邏輯“0”狀態(tài)（0V+0.7V）綠燈穩(wěn)定亮在邏輯“1”與“0”中間狀態(tài)（+0.8V+2.3V）兩燈均不亮單次正脈沖綠紅綠單次負脈沖紅綠紅低

10、頻序列脈沖紅綠燈交替閃爍為了便于記錄下被測點的狀態(tài)，邏輯筆具有記憶功能。當測試某點為高電平時，紅燈點亮，如果此時將邏輯筆移開測試點，紅燈仍繼續(xù)亮。當不需要記錄此狀態(tài)時，可扳動邏輯筆上的存儲開關(guān)使其復位。邏輯筆腰部的兩個插孔可以各自提供一個正、負選通脈沖，將其中一個插孔與被測電路的某一選通點相接，邏輯筆將隨著選第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 12通脈沖的加入而做出響應(yīng)，圖8.2表示在to時刻提供負的選通脈沖時，邏輯筆響應(yīng)為高電平、紅燈亮的情況。圖8.3為邏輯筆的組成框圖。被測點的邏輯狀態(tài)由探針接入，電平檢測器對信號電平與基準電壓進行比較，選擇與該信號對應(yīng)的“0”電平通道或“1”電平通道進行脈沖擴展，進

11、入判“0”判“1”網(wǎng)絡(luò)（門電路），指示燈驅(qū)動器使對應(yīng)顏色的指示燈點亮。若輸入為中間電平，則不進入任何一路，指示燈不亮。 輸入保護“0”電平檢測器“1”電平檢測器“0”電平脈沖展寬“1”電平脈沖展寬探針判“0”判“1”網(wǎng)絡(luò)指示燈驅(qū)動器指示燈圖8.3 邏輯筆電路框圖第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 132. 邏輯夾邏輯夾邏輯筆在同一時刻只能顯示一個被測點的狀態(tài)，而邏輯夾可以同時顯示多個端點的邏輯狀態(tài)。圖8.4為邏輯夾的電路結(jié)構(gòu)圖，圖中只畫了16路輸入信號中的一路，各路結(jié)構(gòu)均相同。每個端點信號均通過一個門判電路，門判電路的輸出通過一個非門驅(qū)動一個發(fā)光二極管，當輸入信號為高電平時，發(fā)光二極管點亮。邏輯夾與邏輯

12、脈沖發(fā)生器配合使用，可以迅速地查找出數(shù)字電路的邏輯故障。當邏輯脈沖發(fā)生器的信號頻率較低時，邏輯夾可以很清楚地反映出門電路、觸發(fā)器、計數(shù)器或加法器等全部輸入端、輸出端之間的邏輯關(guān)系。 第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 148.2 數(shù)據(jù)域測試技術(shù)數(shù)據(jù)域測試技術(shù)8.2.1 邏輯電路的簡易測試邏輯電路的簡易測試數(shù)字邏輯電路是以處理“0”、“1”組成的數(shù)字信號為目的的電路，由與門、或門、非門和各類觸發(fā)器組成。邏輯電路的測試任務(wù)就是確認電路電平的高低是否符合邏輯值的規(guī)定、邏輯關(guān)系是否正確，當輸入變化時，電路翻轉(zhuǎn)是否正確。通常規(guī)定正邏輯時的“1”為高電平，“0”為低電平，負邏輯時相反。門判電路+5V116路路圖8.

13、4 邏輯夾的1路電路結(jié)構(gòu)圖第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 15示波器、邏輯筆、邏輯比較器和邏輯脈沖發(fā)生器等儀器一般用于測試簡單數(shù)字電路，例如，分立元件、中小規(guī)模集成電路、簡單數(shù)字設(shè)備或復雜數(shù)字設(shè)備的部件。對于很簡單的數(shù)字電路，可以利用小燈泡或發(fā)光二極管LED的亮暗以及小喇叭發(fā)聲強弱來檢測被測電平的高低、邏輯“1”、邏輯“0”以及脈沖的有無等。8.2.2 數(shù)據(jù)域測試方法數(shù)據(jù)域測試方法數(shù)據(jù)域測試的方法包括窮舉測試法、偽窮舉測試法和隨機測試法。（1）窮舉測試法圖8.5為窮舉測試示意圖，圖中窮舉測試矢量產(chǎn)生電路，用來產(chǎn)生被測電路所需的所有可能的組合信號。窮舉測試法第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 16的實質(zhì)是對被測

14、電路輸入所有可能的組合信號，然后測試與每一種輸入組合信號相對應(yīng)的全部輸出是否正確。如果所有輸入信號、輸出信號的邏輯關(guān)系是正確的，則被測電路就是正確的；反之，被測電路就是錯誤的。最后根據(jù)比較結(jié)果給出“合格/失效”的指示。窮舉測試法的優(yōu)點是能測試出存在的全部故障，即故障覆蓋率為100%。缺點是測試時間較長，并隨輸入端數(shù)量的增加呈指數(shù)規(guī)律增加。（2）偽窮舉測試法偽窮舉測試法是把一個大電路劃分成多個子電路，對每個窮舉測試矢量產(chǎn)生電路被測電路參考電路比較合格/失效指示圖8.5 窮舉測試示意圖第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 17子電路進行窮舉測試。該方法可以節(jié)省大量的測試時間。（3）隨機測試法用隨機測試矢量產(chǎn)生

15、電路代替圖8.5中的窮舉測試矢量產(chǎn)生電路，以產(chǎn)生隨機的組合數(shù)據(jù)流序列，同時輸入給被測電路和已知功能完好的參考電路；然后對被測電路和參考電路的輸出進行比較；最后根據(jù)比較結(jié)果給出“合格/失效”的指示。隨機測試法一般很難達到100%的故障覆蓋率，常用于測試要求不高的場合。8.2.3 故障類型、故障測試及故障定位故障類型、故障測試及故障定位對于大規(guī)模集成電路、復雜的印制電路板、微型計算機系統(tǒng)等復雜數(shù)字邏輯系統(tǒng)的測試，除了涉及測試方法之外，還第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 18要涉及到故障類型、故障測試、故障定位及測試數(shù)據(jù)流產(chǎn)生等的問題。以下主要討論故障類型、故障測試及故障定位。（1）故障類型數(shù)字電路的故障類

16、型一般分為物理故障和邏輯故障。由于數(shù)字電路內(nèi)部連線斷開或短接、元器件不良等原因產(chǎn)生的故障稱為物理故障等。數(shù)字電路內(nèi)部邏輯控制不正確產(chǎn)生的故障稱為邏輯故障，例如由于程序流程不正確而產(chǎn)生的故障。另外，不隨時間改變的故障稱為固定性故障或永久故障；時隱時現(xiàn)的故障稱為間發(fā)故障或間歇故障。目前，數(shù)字電路故障診斷的研究對象多限于固定性的邏輯故障。（2）故障測試與故障定位當一個數(shù)字電路實現(xiàn)的邏輯功能與無故障電路所實現(xiàn)的邏第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 19輯功能不同時，就說明該電路存在故障。因此，根據(jù)這個原理來對數(shù)字電路進行故障測試與檢測。故障測試包括部件測試和整機測試兩種，前者是對單元電路進行的測試，而后者是對整

17、個系統(tǒng)的測試。故障測試的基本方法包括靜態(tài)測試和動態(tài)測試兩種。靜態(tài)測試是指不加輸入信號或加固定電位時的測試，以判斷電路各點電位是否正確，該方法主要用于檢測物理故障，根據(jù)有問題的電位點，可將故障定位于某個器件。動態(tài)測試是在輸入端輸入各種可能的組合數(shù)據(jù)流，通過測試輸出數(shù)據(jù)流的情況來判斷輸出邏輯功能是否正確，該方法主要用于檢測復雜數(shù)字系統(tǒng)的邏輯故障。另外，物理故障也可以引起邏輯功能的錯誤，因此，動態(tài)測試既可檢測系統(tǒng)的邏輯故障，又可檢測系統(tǒng)的物理故障，并最終將檢測出的故障定位于一定的范圍內(nèi)。 第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 208.3 邏輯分析儀邏輯分析儀邏輯分析儀（LA，Logic Analyzer）是以單

18、通道或多通道實時獲取與觸發(fā)事件相關(guān)的邏輯信號、并顯示觸發(fā)事件前后所獲取的信號、供軟件及硬件分析的一種儀器。它能夠用表格、波形或圖形等形式顯示具有多個變量的數(shù)字系統(tǒng)的狀態(tài)，也能用匯編形式顯示數(shù)字系統(tǒng)軟件，從而實現(xiàn)對數(shù)字系統(tǒng)硬件和軟件的測試。隨著微處理器技術(shù)在邏輯分析儀中的普遍應(yīng)用，使邏輯分析儀能夠更加方便地用于微處理器系統(tǒng)的調(diào)整與維護。8.3.1 邏輯分析儀的分類邏輯分析儀的分類邏輯分析儀包括邏輯狀態(tài)分析儀和邏輯定時分析儀。邏輯狀態(tài)分析儀（LSA，Logic State Analyzer）以二進制、十六進第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 21制或ASC碼等的狀態(tài)顯示被測邏輯狀態(tài)，由被測系統(tǒng)提供采集數(shù)據(jù)的

19、時鐘脈沖，側(cè)重于軟件分析。邏輯定時分析儀（LTA，Logic Timer Analyzer）以時域波形的形式顯示被測信號，由邏輯分析儀自身提供采集數(shù)據(jù)的時鐘脈沖，主要用于硬件分析。目前，邏輯分析儀一般都具有邏輯狀態(tài)分析儀和邏輯定時分析儀所具備的功能，已被廣泛應(yīng)用于數(shù)字集成電路、印制板系統(tǒng)、微處理器系統(tǒng)等數(shù)字系統(tǒng)的測試中。 8.3.2 邏輯分析儀的特點邏輯分析儀的特點與示波器相比較，邏輯分析儀具有以下特點：（1）檢測方法和范圍邏輯分析儀利用時鐘脈沖進行采樣，可以顯示觸發(fā)前后的第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 22邏輯狀態(tài)，顯示范圍等于時鐘脈沖周期乘以存儲容量。而示波器只能顯示觸發(fā)后掃描時間設(shè)定范圍內(nèi)的波形。（2）輸入通道邏輯分析儀容易實現(xiàn)多通道（8、16個或更多）輸入。（3）觸發(fā)方式邏輯分析儀采用數(shù)字方式觸發(fā)；能夠根據(jù)多通道邏輯組合進行觸發(fā)，故可以實現(xiàn)與系統(tǒng)動作同步觸發(fā)；可以用隨機窄脈沖進行觸發(fā)；并能夠進行多級按順序觸發(fā)。從而提高測試效率，擴展邏輯分析儀的應(yīng)用。（4）顯示方式邏輯分析儀能夠低速讀出存入存儲器的數(shù)據(jù)，然后采用第8章 數(shù)據(jù)域測量與儀器 23多種方式顯示，而且可以采用與被測系