電子測(cè)量與儀器課件第八章數(shù)據(jù)域測(cè)量與儀器1

第8章數(shù)據(jù)域測(cè)量與儀器8.1數(shù)據(jù)域測(cè)量的基本概念8.2數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)8.3邏輯分析儀本章小結(jié)1第8章波形測(cè)試與儀器學(xué)習(xí)參考：邏輯分析儀是數(shù)據(jù)域測(cè)量的主要工具，常用于數(shù)字系統(tǒng)的故障檢測(cè)、故障定位、故障診斷以及數(shù)據(jù)流的檢測(cè)與顯示。本章主要介紹數(shù)據(jù)域測(cè)量技術(shù)及邏輯分析儀的組成原理與應(yīng)用。要求通過(guò)學(xué)習(xí)掌握數(shù)據(jù)域測(cè)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(diǎn)：數(shù)據(jù)域測(cè)試方法、邏輯筆與邏輯分析儀的組成原理及應(yīng)用。28.1數(shù)據(jù)域測(cè)量的基本概念傳統(tǒng)時(shí)域測(cè)量?jī)x器對(duì)模擬電路與系統(tǒng)的測(cè)試是行之有效的。但對(duì)于復(fù)雜數(shù)字電路與系統(tǒng)的測(cè)試卻未必奏效，甚至完全無(wú)能為力。這是由數(shù)據(jù)域測(cè)量的特點(diǎn)所決定的。8.1.1數(shù)據(jù)域測(cè)量的特點(diǎn)數(shù)據(jù)域測(cè)量就是對(duì)數(shù)據(jù)流的測(cè)量，它面向的測(cè)量對(duì)象是數(shù)字邏輯電路。數(shù)字邏輯電路以二進(jìn)制數(shù)字“0”和“1”的方式來(lái)表示信息。在每一特定時(shí)刻，多位0、1數(shù)字的組合稱(chēng)為一個(gè)數(shù)據(jù)字，數(shù)據(jù)字隨時(shí)間的變化按一定的時(shí)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(shí)間或時(shí)序的函數(shù)，而不是將電壓作為時(shí)間或頻率的函數(shù)。3數(shù)據(jù)域測(cè)量的內(nèi)容包括數(shù)字系統(tǒng)或設(shè)備的故障檢測(cè)、故障定位、故障診斷以及數(shù)據(jù)流的檢測(cè)和顯示。運(yùn)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(cuò)誤，則說(shuō)明系統(tǒng)或設(shè)備存在故障。因此，只要檢測(cè)出輸入與輸出的對(duì)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數(shù)字系統(tǒng)的特點(diǎn) 數(shù)字系統(tǒng)以數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)字作為時(shí)間或時(shí)序的函數(shù)，具有以下特點(diǎn)： （1）數(shù)字信號(hào)是非周期性的 數(shù)字系統(tǒng)或設(shè)備按一定的時(shí)序工作。在執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，許多信號(hào)只出現(xiàn)一次，或者僅在關(guān)鍵時(shí)刻出現(xiàn)一次（例4如中斷事件）；某些信號(hào)雖然可能會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，但并非是時(shí)域上的周期信號(hào)，例如子程序的調(diào)用。因此，數(shù)據(jù)域測(cè)試應(yīng)能捕獲單次信號(hào)和非周期信號(hào)，這對(duì)于示波器等傳統(tǒng)儀器來(lái)說(shuō)是很難做到的，更難以發(fā)現(xiàn)故障。 （2）數(shù)字信號(hào)是按時(shí)序傳輸?shù)?數(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(hào)是有序的數(shù)據(jù)流，各信號(hào)之間具有嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系。因此，數(shù)據(jù)域測(cè)試應(yīng)能分析各種信號(hào)的時(shí)序和邏輯關(guān)系，并能捕獲單次信號(hào)和非周期信號(hào)。例如，程序的執(zhí)行必須在規(guī)定的控制信號(hào)作用下，取出指令代碼，進(jìn)行譯碼，并發(fā)出完成該指令的控制信號(hào)，這些邏輯關(guān)系是在控制器的作用下完成的。5（3）數(shù)字信號(hào)是多通道傳輸?shù)囊粋€(gè)字符、一個(gè)數(shù)據(jù)、一條指令或地址是由多位數(shù)據(jù)（bit）組成的。因此，數(shù)據(jù)域測(cè)量?jī)x器應(yīng)具有多個(gè)輸入通道，每個(gè)器件都與總線相接，如同“懸掛”在總線上（即“掛”在總線上），每個(gè)器件依靠一定的時(shí)序節(jié)拍脈沖工作。所謂總線是指能同時(shí)傳輸數(shù)字信息所需的可以復(fù)用的多根導(dǎo)線。（4）數(shù)字信息的傳輸方式多種多樣數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào)，數(shù)字信息則用高低電平及二者的組合來(lái)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鬏斔俣瓤欤璧挠布?。串行傳輸一般?yīng)用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸中。由于總線是復(fù)用的，因此，數(shù)據(jù)域測(cè)試6應(yīng)能進(jìn)行電平判別，確定信號(hào)在電路中的建立時(shí)間和保持時(shí)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(hào)的頻率范圍很寬 數(shù)字系統(tǒng)中，中央處理機(jī)具有ps(10-12s)量級(jí)的時(shí)間分辨力，而低速的外部設(shè)備如電傳機(jī)輸入鍵的選通脈沖卻以ms(10-3s)計(jì)量，可見(jiàn)數(shù)字信號(hào)的頻率范圍很寬。因此，數(shù)據(jù)域測(cè)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(diǎn)的電壓或波形來(lái)判別，而數(shù)字系統(tǒng)中的故障判別往往依據(jù)信號(hào)間的時(shí)序和邏輯關(guān)系是否正常來(lái)判別。造成數(shù)字系統(tǒng)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)?；煸谡_的數(shù)據(jù)流7中，有時(shí)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)產(chǎn)生故障的原因早已過(guò)去。因此，在檢測(cè)與判別故障時(shí)，既要分析出錯(cuò)后的信息狀態(tài)，又要捕獲出錯(cuò)前的信息狀態(tài)。

8.1.3數(shù)據(jù)域測(cè)試儀器設(shè)備 數(shù)據(jù)域測(cè)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(cè)試儀器和設(shè)備包括以下幾種： （1）萬(wàn)用表和數(shù)字電壓表 萬(wàn)用表和數(shù)字電壓表常用來(lái)測(cè)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。8（2）邏輯筆和邏輯夾邏輯筆和邏輯夾常用于測(cè)試簡(jiǎn)單數(shù)字電路的狀態(tài)，即測(cè)出電路某一點(diǎn)的狀態(tài)是高電平、低電平，還是脈沖。邏輯夾可測(cè)得多路信號(hào)電平。（3）邏輯脈沖發(fā)生器（LG，LogicGenerator）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(hào)。（4）邏輯分析儀邏輯分析儀是多線示波器與數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，故又稱(chēng)為邏輯示波器。它能夠?qū)壿嬰娐?、甚至包括軟件的邏輯狀態(tài)進(jìn)行記錄和顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)邏輯系統(tǒng)的分析。9（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(cè)試儀器，用于測(cè)試脈沖的各種參數(shù)與信號(hào)幅度，比較輸入信號(hào)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(lái)測(cè)試數(shù)字系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。8.1.4邏輯筆和邏輯夾1.邏輯筆邏輯筆具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)，特別適合測(cè)試一般門(mén)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(gè)紅綠燈用于指示數(shù)字電路某一端點(diǎn)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(duì)被測(cè)點(diǎn)邏輯狀態(tài)的響應(yīng)如表8-1所示。10電源存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)綠燈紅燈探針圖8.1邏輯筆外形結(jié)構(gòu)圖表8-1邏輯筆測(cè)試響應(yīng)被測(cè)點(diǎn)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(fù)脈沖紅→綠→紅低頻序列脈沖紅綠燈交替閃爍為了便于記錄下被測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)，邏輯筆具有記憶功能。當(dāng)測(cè)試某點(diǎn)為高電平時(shí)，紅燈點(diǎn)亮，如果此時(shí)將邏輯筆移開(kāi)測(cè)試點(diǎn)，紅燈仍繼續(xù)亮。當(dāng)不需要記錄此狀態(tài)時(shí)，可扳動(dòng)邏輯筆上的存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)使其復(fù)位。邏輯筆腰部的兩個(gè)插孔可以各自提供一個(gè)正、負(fù)選通脈沖，將其中一個(gè)插孔與被測(cè)電路的某一選通點(diǎn)相接，邏輯筆將隨著選11通脈沖的加入而做出響應(yīng)，圖8.2表示在to時(shí)刻提供負(fù)的選通脈沖時(shí)，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(cè)點(diǎn)的邏輯狀態(tài)由探針接入，電平檢測(cè)器對(duì)信號(hào)電平與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，選擇與該信號(hào)對(duì)應(yīng)的“0”電平通道或“1”電平通道進(jìn)行脈沖擴(kuò)展，進(jìn)入判“0”判“1”網(wǎng)絡(luò)（門(mén)電路），指示燈驅(qū)動(dòng)器使對(duì)應(yīng)顏色的指示燈點(diǎn)亮。若輸入為中間電平，則不進(jìn)入任何一路，指示燈不亮。輸入保護(hù)“0”電平檢測(cè)器“1”電平檢測(cè)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(dòng)器指示燈圖8.3邏輯筆電路框圖122.邏輯夾邏輯筆在同一時(shí)刻只能顯示一個(gè)被測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)，而邏輯夾可以同時(shí)顯示多個(gè)端點(diǎn)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(huà)了16路輸入信號(hào)中的一路，各路結(jié)構(gòu)均相同。每個(gè)端點(diǎn)信號(hào)均通過(guò)一個(gè)門(mén)判電路，門(mén)判電路的輸出通過(guò)一個(gè)非門(mén)驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。邏輯夾與邏輯脈沖發(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(dāng)邏輯脈沖發(fā)生器的信號(hào)頻率較低時(shí)，邏輯夾可以很清楚地反映出門(mén)電路、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器或加法器等全部輸入端、輸出端之間的邏輯關(guān)系。138.2數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)8.2.1邏輯電路的簡(jiǎn)易測(cè)試數(shù)字邏輯電路是以處理“0”、“1”組成的數(shù)字信號(hào)為目的的電路，由與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)和各類(lèi)觸發(fā)器組成。邏輯電路的測(cè)試任務(wù)就是確認(rèn)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(dāng)輸入變化時(shí)，電路翻轉(zhuǎn)是否正確。通常規(guī)定正邏輯時(shí)的“1”為高電平，“0”為低電平，負(fù)邏輯時(shí)相反。門(mén)判電路+5V1～16路路圖8.4邏輯夾的1路電路結(jié)構(gòu)圖14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(cè)試簡(jiǎn)單數(shù)字電路，例如，分立元件、中小規(guī)模集成電路、簡(jiǎn)單數(shù)字設(shè)備或復(fù)雜數(shù)字設(shè)備的部件。對(duì)于很簡(jiǎn)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(qiáng)弱來(lái)檢測(cè)被測(cè)電平的高低、邏輯“1”、邏輯“0”以及脈沖的有無(wú)等。8.2.2數(shù)據(jù)域測(cè)試方法數(shù)據(jù)域測(cè)試的方法包括窮舉測(cè)試法、偽窮舉測(cè)試法和隨機(jī)測(cè)試法。（1）窮舉測(cè)試法圖8.5為窮舉測(cè)試示意圖，圖中窮舉測(cè)試矢量產(chǎn)生電路，用來(lái)產(chǎn)生被測(cè)電路所需的所有可能的組合信號(hào)。窮舉測(cè)試法15的實(shí)質(zhì)是對(duì)被測(cè)電路輸入所有可能的組合信號(hào)，然后測(cè)試與每一種輸入組合信號(hào)相對(duì)應(yīng)的全部輸出是否正確。如果所有輸入信號(hào)、輸出信號(hào)的邏輯關(guān)系是正確的，則被測(cè)電路就是正確的；反之，被測(cè)電路就是錯(cuò)誤的。最后根據(jù)比較結(jié)果給出“合格/失效”的指示。 窮舉測(cè)試法的優(yōu)點(diǎn)是能測(cè)試出存在的全部故障，即故障覆蓋率為100%。缺點(diǎn)是測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，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(cè)試法 偽窮舉測(cè)試法是把一個(gè)大電路劃分成多個(gè)子電路，對(duì)每個(gè)窮舉測(cè)試矢量產(chǎn)生電路被測(cè)電路參考電路比較合格/失效指示圖8.5窮舉測(cè)試示意圖16子電路進(jìn)行窮舉測(cè)試。該方法可以節(jié)省大量的測(cè)試時(shí)間。 （3）隨機(jī)測(cè)試法 用隨機(jī)測(cè)試矢量產(chǎn)生電路代替圖8.5中的窮舉測(cè)試矢量產(chǎn)生電路，以產(chǎn)生隨機(jī)的組合數(shù)據(jù)流序列，同時(shí)輸入給被測(cè)電路和已知功能完好的參考電路；然后對(duì)被測(cè)電路和參考電路的輸出進(jìn)行比較；最后根據(jù)比較結(jié)果給出“合格/失效”的指示。 隨機(jī)測(cè)試法一般很難達(dá)到100%的故障覆蓋率，常用于測(cè)試要求不高的場(chǎng)合。

8.2.3故障類(lèi)型、故障測(cè)試及故障定位 對(duì)于大規(guī)模集成電路、復(fù)雜的印制電路板、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等復(fù)雜數(shù)字邏輯系統(tǒng)的測(cè)試，除了涉及測(cè)試方法之外，還17要涉及到故障類(lèi)型、故障測(cè)試、故障定位及測(cè)試數(shù)據(jù)流產(chǎn)生等的問(wèn)題。以下主要討論故障類(lèi)型、故障測(cè)試及故障定位。 （1）故障類(lèi)型 數(shù)字電路的故障類(lèi)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(kāi)或短接、元器件不良等原因產(chǎn)生的故障稱(chēng)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(chēng)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(shí)間改變的故障稱(chēng)為固定性故障或永久故障；時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的故障稱(chēng)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(duì)象多限于固定性的邏輯故障。 （2）故障測(cè)試與故障定位 當(dāng)一個(gè)數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的邏輯功能與無(wú)故障電路所實(shí)現(xiàn)的邏18輯功能不同時(shí)，就說(shuō)明該電路存在故障。因此，根據(jù)這個(gè)原理來(lái)對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行故障測(cè)試與檢測(cè)。故障測(cè)試包括部件測(cè)試和整機(jī)測(cè)試兩種，前者是對(duì)單元電路進(jìn)行的測(cè)試，而后者是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試。 故障測(cè)試的基本方法包括靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩種。靜態(tài)測(cè)試是指不加輸入信號(hào)或加固定電位時(shí)的測(cè)試，以判斷電路各點(diǎn)電位是否正確，該方法主要用于檢測(cè)物理故障，根據(jù)有問(wèn)題的電位點(diǎn)，可將故障定位于某個(gè)器件。動(dòng)態(tài)測(cè)試是在輸入端輸入各種可能的組合數(shù)據(jù)流，通過(guò)測(cè)試輸出數(shù)據(jù)流的情況來(lái)判斷輸出邏輯功能是否正確，該方法主要用于檢測(cè)復(fù)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(cuò)誤，因此，動(dòng)態(tài)測(cè)試既可檢測(cè)系統(tǒng)的邏輯故障，又可檢測(cè)系統(tǒng)的物理故障，并最終將檢測(cè)出的故障定位于一定的范圍內(nèi)。198.3邏輯分析儀邏輯分析儀（LA，LogicAnalyzer）是以單通道或多通道實(shí)時(shí)獲取與觸發(fā)事件相關(guān)的邏輯信號(hào)、并顯示觸發(fā)事件前后所獲取的信號(hào)、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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字系統(tǒng)硬件和軟件的測(cè)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(hù)。8.3.1邏輯分析儀的分類(lèi)邏輯分析儀包括邏輯狀態(tài)分析儀和邏輯定時(shí)分析儀。邏輯狀態(tài)分析儀（LSA，LogicStateAnalyzer）以二進(jìn)制、十六進(jìn)20制或ASCⅡ碼等的狀態(tài)顯示被測(cè)邏輯狀態(tài)，由被測(cè)系統(tǒng)提供采集數(shù)據(jù)的時(shí)鐘脈沖，側(cè)重于軟件分析。邏輯定時(shí)分析儀（LTA，LogicTimerAnalyzer）以時(shí)域波形的形式顯示被測(cè)信號(hào)，由邏輯分析儀自身提供采集數(shù)據(jù)的時(shí)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(shí)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(cè)試中。

8.3.2邏輯分析儀的特點(diǎn) 與示波器相比較，邏輯分析儀具有以下特點(diǎn)： （1）檢測(cè)方法和范圍 邏輯分析儀利用時(shí)鐘脈沖進(jìn)行采樣，可以顯示觸發(fā)前后的21邏輯狀態(tài)，顯示范圍等于時(shí)鐘脈沖周期乘以存儲(chǔ)容量。而示波器只能顯示觸發(fā)后掃描時(shí)間設(shè)定范圍內(nèi)的波形。 （2）輸入通道 邏輯分析儀容易實(shí)現(xiàn)多通道（8、16個(gè)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(jìn)行觸發(fā)，故可以實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)動(dòng)作同步觸發(fā)；可以用隨機(jī)窄脈沖進(jìn)行觸發(fā)；并能夠進(jìn)行多級(jí)按順序觸發(fā)。從而提高測(cè)試效率，擴(kuò)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(chǔ)器的數(shù)據(jù)，然后采用22多種方式顯示，而且可以采用與被測(cè)系統(tǒng)同樣的方法處理、顯示數(shù)據(jù)，更加符合被測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，測(cè)量結(jié)果真實(shí)可靠。 （5）