《電子測量技術(shù)》課件-第9章

第9章數(shù)據(jù)域分析測試技術(shù)9.1數(shù)據(jù)域分析測試的特點(diǎn)、方法與儀器9.2數(shù)字電路的簡易測試9.3邏輯分析儀

9.1.1數(shù)據(jù)域分析測試的特點(diǎn)

數(shù)據(jù)域分析測試的對象是數(shù)字系統(tǒng),而數(shù)字系統(tǒng)中的信號表現(xiàn)為一系列隨時(shí)間變化并按一定的時(shí)序關(guān)系形成的數(shù)據(jù)流,其取值和時(shí)間都是離散的,因而其分析測試方法與時(shí)域及頻域都不相同。圖9.1表示數(shù)據(jù)域分析與時(shí)域分析、頻域分析的比較。

9.1數(shù)據(jù)域分析測試的特點(diǎn)、方法與儀器

圖9.1時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域分析的比較

與傳統(tǒng)測試相比,數(shù)據(jù)域測試有以下特點(diǎn):

(1)數(shù)字信號通常是按時(shí)序傳遞的。

(2)數(shù)字系統(tǒng)中信號的傳遞方式多種多樣。

(3)數(shù)字信號往往是單次或非周期性的。

(4)被測信號的速率變化范圍很寬。

(5)數(shù)字信號為脈沖信號。

(6)被測信號故障定位難。

9.1.2數(shù)據(jù)域分析測試的方法

數(shù)據(jù)域分析測試的目的：

一是確定系統(tǒng)中是否存在故障,稱為合格/失效測試,或稱故障檢測;

二是確定故障的位置,稱為故障定位。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),通常的測試方法是在其輸入端加激勵信號,觀察由此產(chǎn)生的輸出響應(yīng),并與預(yù)期的正確結(jié)果進(jìn)行比較,以判斷系統(tǒng)是否有故障。一般有窮舉測試法、結(jié)構(gòu)測試法、功能測試法和隨機(jī)測試法。

窮舉測試法是對輸入的全部組合進(jìn)行測試。

結(jié)構(gòu)測試技術(shù)是從系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)出發(fā),考慮可能發(fā)生哪些故障,然后針對這些特定故障生成測試碼,并通過故障模型計(jì)算每個(gè)測試碼的故障覆蓋,直到所考慮的故障都被覆蓋為止。結(jié)構(gòu)測試法主要是針對故障的最常用的方法。

功能測試法不檢測數(shù)字電路內(nèi)每條信號線的故障,只驗(yàn)證被測電路的功能,因而較易實(shí)現(xiàn)。目前,LSI、VLSI電路的測試大都采用功能測試法,對微處理器、存儲器等的測試也可采用功能測試法。

隨機(jī)測試法采用的是“隨機(jī)測試矢量產(chǎn)生”電路,隨機(jī)地產(chǎn)生可能的組合數(shù)據(jù)流,將所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流加到被測電路中,然后對輸出進(jìn)行比較,根據(jù)比較結(jié)果,即可知被測電路是否正常。隨機(jī)測試法不能完全覆蓋故障,只能用于要求不高的場合。

9.1.3數(shù)據(jù)域分析測試的儀器

針對數(shù)據(jù)域分析測試的特點(diǎn)與方法,數(shù)據(jù)域分析測試必須采用與時(shí)域、頻域分析迥然不同的分析測試儀器和方法。目前,常用的數(shù)據(jù)域分析測試儀器有邏輯筆與邏輯夾、邏輯

信號發(fā)生器、邏輯分析儀、誤碼分析儀、數(shù)字傳輸測試儀、協(xié)議分析儀、規(guī)程分析儀、PCB測試系統(tǒng)、微機(jī)開發(fā)系統(tǒng)和在線仿真器(ICE)等。

9.2數(shù)字電路的簡易測試

9.2.1邏輯筆1.邏輯筆的原理邏輯筆主要用于判斷某一端點(diǎn)的邏輯狀態(tài),其原理框圖如圖9.2所示。

圖9.2邏輯筆的原理框圖

2.邏輯筆的應(yīng)用

不同的邏輯筆提供不同的邏輯狀態(tài)指示。通常邏輯筆有兩只指示燈,“H”燈指示邏輯“1”(高電平),“L”燈指示邏輯“0”(低電平)。一些邏輯筆還有“脈沖”指示燈,用于指示檢測到輸入電平跳變或脈沖。邏輯筆具有記憶功能,如測試點(diǎn)為高電平時(shí),“H”燈亮,此時(shí)即使將邏輯筆移開測試點(diǎn),該燈仍繼續(xù)亮,以便記錄被測狀態(tài),這對檢測偶然出現(xiàn)的數(shù)字脈沖是非常有用的。當(dāng)不需要記錄此狀態(tài)時(shí),可扳動邏輯筆的MEM/PULSE開關(guān)至PULSE位。在PULSE狀態(tài)下,邏輯筆還可用于對正、負(fù)脈沖的測試。邏輯筆對輸入電平的響應(yīng)如

表9.1所示。

通過用邏輯筆對被測點(diǎn)的測量,可以得出以下四種之一的邏輯狀態(tài):

(1)邏輯“高”:輸入電平高于高邏輯電平閾值,說明這是有效的高邏輯信號。

(2)邏輯“低”:輸入電平低于低邏輯電平閾值,說明這是有效的低邏輯信號。

(3)高阻抗?fàn)顟B(tài):輸入電平既不是邏輯低,也不是邏輯高。

(4)脈沖:輸入電平從有效的低邏輯電平變到有效的高邏輯電平(或者相反)。

9.2.2邏輯夾

邏輯筆在同一時(shí)刻只能顯示一個(gè)被測點(diǎn)的邏輯狀態(tài),而邏輯夾則可以同時(shí)顯示多個(gè)被測點(diǎn)的邏輯狀態(tài)。在邏輯夾中,每一路信號都先經(jīng)過一個(gè)門判電路,門判電路的輸出通過一個(gè)非門驅(qū)動一個(gè)發(fā)光二極管。當(dāng)輸入信號為高電平時(shí),發(fā)光二極管亮;否則,發(fā)光二極管暗。

邏輯筆和邏輯夾最大的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉,使用簡單方便。

9.3邏輯分析儀9.3.1邏輯分析儀的特點(diǎn)邏輯分析儀具有以下特點(diǎn):(1)具有足夠多的輸入通道。(2)存儲記憶功能。(3)極高的定時(shí)、狀態(tài)速率。(4)豐富的觸發(fā)功能。(5)靈活而直觀的顯示方式。(6)驅(qū)動時(shí)域儀器的功能。(7)限定功能。

模擬示波器和邏輯分析儀都是常用的時(shí)域測試工具,但它們的測試對象、測試方法、顯示方式、觸發(fā)方式等都是不同的,表9.2對邏輯分析儀與模擬示波器進(jìn)行了簡要比較。

9.3.2邏輯分析儀的分類與組成

1.邏輯分析儀的分類

根據(jù)顯示方式和定時(shí)方式的不同,邏輯分析儀可分為邏輯狀態(tài)分析儀、邏輯定時(shí)分析儀和兩者的綜合,其基本結(jié)構(gòu)是相同的。

1)邏輯狀態(tài)分析儀

邏輯狀態(tài)分析儀主要用于檢測數(shù)字系統(tǒng)的工作程序,并用字符“0”和“1”、助記符或映射圖等來顯示被測信號的邏輯狀態(tài),能有效地解決系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)試問題。

2)邏輯定時(shí)分析儀

邏輯定時(shí)分析儀用定時(shí)圖方式來顯示被測信號。與示波器顯示方式類似,水平軸代表時(shí)間,垂直軸顯示的是一連串只有“0”“1”兩種電平的偽波形。其最大特點(diǎn)是能顯示各通道的邏輯波形,特別是各通道之間波形的時(shí)序關(guān)系。

上述兩類分析儀的顯示如圖9.1(c)所示,雖然在顯示方式、功能側(cè)重上有所不同,但其基本用途是一致的,即可對一個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行快速的測試分析。

2.邏輯分析儀的基本組成

不同廠家的邏輯分析儀,盡管在通道數(shù)量、取樣頻率、內(nèi)存容量、顯示方式及觸發(fā)方式等方面有較大區(qū)別,但其基本組成結(jié)構(gòu)是相同的。邏輯分析儀的基本組成如圖9.3所示,

包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、觸發(fā)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)顯示等部分。

圖9.3邏輯分析儀的基本組成框圖

9.3.3邏輯分析儀的工作原理

1.數(shù)據(jù)采集

被測信號首先由邏輯分析儀的多通道探頭輸入,探頭是將若干個(gè)探極集中起來構(gòu)成的,其觸針細(xì)小,以便于探測高密度集成電路。

為了把被測邏輯狀態(tài)存入存儲器,邏輯分析儀通過時(shí)鐘脈沖周期地對比較器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣。根據(jù)時(shí)鐘脈沖的來源,這種取樣可分為同步取樣和異步取樣,分別用于狀態(tài)分析和定時(shí)分析。

1)同步取樣

如果時(shí)鐘脈沖來自被測系統(tǒng),則是同步取樣方式,只有當(dāng)被測系統(tǒng)時(shí)鐘到來時(shí),邏輯分析才儲存輸入數(shù)據(jù)。

2)異步取樣

如取樣時(shí)鐘由邏輯分析儀內(nèi)部產(chǎn)生或由外部的脈沖發(fā)生器提供,與被測系統(tǒng)的時(shí)鐘無關(guān),這種取樣方式稱為異步取樣。內(nèi)部時(shí)鐘頻率可以比被測系統(tǒng)時(shí)鐘頻率高得多,這樣使每單位時(shí)間內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)更多,顯示的數(shù)據(jù)更精確。

同步取樣和異步取樣的示意圖如圖9.4所示。

圖9.4同步取樣和異步取樣示意圖

2.觸發(fā)產(chǎn)生

邏輯分析儀具有豐富的觸發(fā)方式,可以顯示觸發(fā)前、后或以觸發(fā)為中心的輸入數(shù)據(jù),其中最基本的觸發(fā)方式有以下幾種:

(1)組合觸發(fā)。

(2)延遲觸發(fā)。末端觸發(fā)、始端觸發(fā)、延遲觸發(fā)的示意圖如圖9.5所示。

(3)毛刺觸發(fā)。

(4)手動觸發(fā)與外觸發(fā)。

圖9.5末端觸發(fā)、始端觸發(fā)、延遲觸發(fā)示意圖

在微機(jī)應(yīng)用程序中,往往包含了許多分支和循環(huán),為了檢測、分析這些分支和循環(huán)中可能存在的錯誤,提高分析測試效率,邏輯分析儀還提供了一些由多個(gè)條件組合而成的高

級觸發(fā)方式,如序列觸發(fā)、限定觸發(fā)、計(jì)數(shù)觸發(fā)等。

(1)序列觸發(fā)。序列觸發(fā)是為了檢測復(fù)雜分支程序而設(shè)計(jì)的一種重要觸發(fā)方式。它由多個(gè)觸發(fā)字按預(yù)先確定的順序排列,只有當(dāng)被測試的程序按觸發(fā)字的先后次序出現(xiàn)時(shí),才能產(chǎn)生一次觸發(fā)。

(2)限定觸發(fā)。限定觸發(fā)是對設(shè)置的觸發(fā)字加限定條件的觸發(fā)方式。

(3)計(jì)數(shù)觸發(fā)。在較復(fù)雜的軟件系統(tǒng)中常有嵌套循環(huán),為此可用計(jì)數(shù)觸發(fā)對循環(huán)進(jìn)行跟蹤。當(dāng)觸發(fā)字出現(xiàn)的次數(shù)達(dá)到預(yù)置值時(shí)才產(chǎn)生觸發(fā)。

3.數(shù)據(jù)存儲

為了將多個(gè)測試點(diǎn)多個(gè)時(shí)刻的信息變化記錄下來,邏輯分析儀設(shè)置有一定容量的存儲器,以便顯示分析重復(fù)性的數(shù)據(jù)和單次出現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)據(jù)流。

為了擴(kuò)大存儲顯示范圍,彌補(bǔ)單通道容量有限的缺點(diǎn),目前,不少邏輯分析儀在總內(nèi)存容量為一定值時(shí),可通過改變顯示的通道數(shù)來提高一次可記錄的字?jǐn)?shù)。不同應(yīng)用場合應(yīng)采用不同的存儲格式,也就是存儲容量按通道數(shù)分配。

4.數(shù)據(jù)顯示

在觸發(fā)信號到來之前,邏輯分析儀不斷地采集和存儲數(shù)據(jù),一旦觸發(fā)信號到來,邏輯分析儀立即轉(zhuǎn)入顯示階段。根據(jù)邏輯分析儀用途的不同,顯示的方式也是多種多樣的,除前述的狀態(tài)表顯示和定時(shí)圖顯示外,還有矢量圖顯示、映射圖顯示、分解模塊顯示等幾種形式。

1)狀態(tài)表顯示

所謂狀態(tài)表顯示,就是將數(shù)據(jù)信息用“1”“0”組合的邏輯狀態(tài)表的形式顯示在屏幕上。

2)定時(shí)圖顯示

定時(shí)圖顯示好像多通道示波器顯示多個(gè)波形一樣,將存入存儲器的數(shù)據(jù)流按邏輯電平及其時(shí)間關(guān)系顯示在屏幕上,即顯示各通道波形的時(shí)序關(guān)系。

3)矢量圖顯示

矢量圖又稱點(diǎn)圖,是把要顯示的數(shù)字量用邏輯分析儀內(nèi)部的數(shù)/模轉(zhuǎn)換(D/A)電路轉(zhuǎn)化成模擬量,然后顯示在屏幕上。

圖9.6顯示程序的執(zhí)行情況,被監(jiān)測的是微機(jī)系統(tǒng)的地址總線,X軸是程序的執(zhí)行順序,Y軸是呈現(xiàn)在地址線上的地址。圖9.6程序執(zhí)行的矢量圖顯示

4)映射圖顯示

映射圖顯示可以觀察系統(tǒng)運(yùn)行全貌的動態(tài)情況,它是用一系列光點(diǎn)表示一個(gè)數(shù)據(jù)流。如果用邏輯分析儀觀察微機(jī)的地址總線,則每個(gè)光點(diǎn)是程序運(yùn)行中一個(gè)地址的映射。圖9.7

表示的是某程序運(yùn)行時(shí)的映射圖。

圖9.7程序執(zhí)行的映射圖

5)分解模塊顯示

高層次的邏輯分析儀可設(shè)置多個(gè)顯示模式。如將一個(gè)屏幕分成兩個(gè)窗口顯示,上窗口顯示該處理器在同一時(shí)刻的定時(shí)圖;下窗口顯示經(jīng)反匯編后的微處理器的匯編語言源程序。由于上、下兩個(gè)窗口的圖形在時(shí)間上是相關(guān)的,因而對電路的定時(shí)和程序的執(zhí)行可同時(shí)進(jìn)行觀察,軟、硬件可同時(shí)調(diào)試。

9.3.4邏輯分析儀的主要技術(shù)指標(biāo)

1.輸入通道數(shù)

輸入通道數(shù)是邏輯分析儀的重要指標(biāo)之一。

輸入通道除了用作數(shù)據(jù)輸入外,還有時(shí)鐘輸入通道及限定輸入通道。

輸入阻抗、輸入電容是輸入通道的另一項(xiàng)指標(biāo),其大小將直接影響被測電路的電性能,對被測電路的上升時(shí)間和臨界電平有很大影響。所以輸入探針與被測電路連接時(shí),探針負(fù)載對電路產(chǎn)生的影響必須最小。

2.時(shí)鐘頻率

對于定時(shí)分析來說,時(shí)鐘頻率的高低是一個(gè)非常重要的指標(biāo),通常以此頻率對輸入信號進(jìn)行采樣。取樣速率的高低對數(shù)據(jù)采集的結(jié)果有著十分重要的影響,同一輸入信號在不

同的取樣速率下可能有著不同的輸出結(jié)果,如圖9.8所示。

圖9.8不同取樣速率下的不同輸出

3.存儲容量

為存儲、顯示所采集的輸入數(shù)據(jù),邏輯分析儀都具有高速隨機(jī)存儲器(RAM),其總的內(nèi)存容量可以表示為N×M,其中N為通道數(shù),M為每個(gè)通道的容量。

4.觸發(fā)功能

觸發(fā)功能是評價(jià)邏輯分析儀性能的重要指標(biāo),只有具有靈活、方便、準(zhǔn)確的觸發(fā)功能,它才能在很長的數(shù)據(jù)流中,對人們感興趣的那部分信息進(jìn)行準(zhǔn)確定位、捕獲和分析。

5.顯示方式

隨著微處理器成為現(xiàn)代邏輯分析儀的核心,邏輯分析儀的顯示方式越來越多。

9.3.5邏輯分析儀的應(yīng)用

邏輯分析儀的工作過程就是數(shù)據(jù)采集、存儲、觸發(fā)、顯示的過程,因而邏輯分析儀的應(yīng)用首先應(yīng)選擇合適的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。既可以使用同步采樣方式,也可以使用異步采

樣方式對被測系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。同步采樣無法檢測兩相鄰時(shí)鐘間的干擾波形,需要的存儲空間小,適宜進(jìn)行狀態(tài)分析;高速的異步采樣可以檢測出波形中的“毛刺”干擾,并將它存儲到存儲器中記錄下來,以反映各輸入通道間的時(shí)序關(guān)系,該方式占用的存儲空間大。

作為數(shù)據(jù)域測試中最典型、最重要的工具,邏輯分析儀的應(yīng)用可涉及數(shù)字系統(tǒng)測試的各個(gè)領(lǐng)域,如微機(jī)系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試,數(shù)字集成電路測試,時(shí)序關(guān)系及干擾信號測試,協(xié)議分析,數(shù)字系統(tǒng)自動測試等。

1.微機(jī)系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試

邏輯分析儀最普遍的用途之一是監(jiān)視微處理機(jī)中的程序運(yùn)行,監(jiān)視微處理機(jī)的地址、數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制線,對微處理機(jī)正在執(zhí)行什么操作保持跟蹤。有時(shí)可用邏輯分析儀排除微處理機(jī)軟件中的問題,有時(shí)還可用它檢測硬件中的問題,或者排查軟、硬件共同作用引起的故障。

圖9.9展示了一標(biāo)準(zhǔn)反匯編程序表,其中從左至右依次是存儲器的存取地址、正在執(zhí)行的指令、與指令有關(guān)的操作數(shù)、數(shù)據(jù)總線上的十六進(jìn)制數(shù)以及存儲器的讀/寫狀態(tài)。

圖9.9Motorola68332微處理機(jī)的反匯編顯示

2.數(shù)字集成電路測試

將數(shù)字集成電路芯片接入邏輯分析儀中,選擇適當(dāng)?shù)娘@示方式,將得到具有一定規(guī)律的圖像。如果顯示不正常,可以通過顯示過程中不正確的圖形,找出邏輯錯誤的位置。

圖9.10為ROM工作頻率的測試實(shí)例。

圖9.10ROM工作頻率的測試

3.時(shí)序關(guān)系及干擾信號測試

利用邏輯分析儀,可以檢測數(shù)字系統(tǒng)中各種信號間的時(shí)序關(guān)系、信號的延遲時(shí)間以及各種干擾脈沖等。

圖9.11示出了一個(gè)譯碼器的波形圖,D0、D1、D2是譯碼器的三個(gè)輸入端的波形,D3、D4、D5、D6是四個(gè)輸出端的波形,每個(gè)輸出波形上都有毛刺脈沖。

圖9.11尋找毛刺產(chǎn)生的原因

4.協(xié)議分析

許多電子設(shè)備內(nèi)部含有CPU/微處理器、存儲器、顯示模組、接口控制器等芯片。CPU/微處理器通過內(nèi)部總線與顯示模組、接口控制器等外圍芯片交換數(shù)據(jù)和命令,通過外部接口與其他電子設(shè)備進(jìn)行通信。無論是內(nèi)部總線還是外部接口,數(shù)據(jù)和指令的正確有序交換需要遵循嚴(yán)格的時(shí)序、電平、格式、內(nèi)容等方面的規(guī)則和約定,這種規(guī)則和約定就是協(xié)議。電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模普及應(yīng)用,促進(jìn)了各種各樣的協(xié)議的誕生。

I2C協(xié)議規(guī)定