数据域测量与仪器.ppt

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1、第9章 数据域分析测试技术,9.1 数据域分析测试的特点、方法与仪器9.2 数字电路的简易测试9.3 逻辑分析仪,9.1 数据域分析测试的特点、方法与仪器,9.1.1 数据域分析测试的特点图9.1表示数据域分析与时域分析、频域分析的比较。,图9.1 时域、频域与数据域分析的比较(a)时域分析；(b)频域分析；(c)数据域分析,与传统测试相比，数据域测试有以下特点：（1）数字信号通常是按时序传递的。数字系统的正常工作，要求其各个部分按照预先规定的逻辑程序进行工作，各信号之间有预定的逻辑时序关系。测量检查各数字信号之间逻辑时序关系是否符合设计是数据域分析测试的最主要任务。（2）数字系统中信号的传递

2、方式多种多样。从宏观上来讲，数字信号的传递方式分为串行和并行两大类；但从微观上来讲，不同的系统、系统内不同的单元，采用的传递方式都可能不同，即便是采用同一类传递方式（串行或并行），也存在着数据宽度（位数）、数据格式、传输速率、接口电平、同步/异步等方面的不同。,（3）数字信号往往是单次或非周期性的。数字设备的工作是时序的，在执行一个程序时，许多信号只出现一次，或者仅在关键的时候出现一次（例如中断事件等）；某些信号可能重复出现，但并非时域上的周期信号，例如子程序例程的调用等。分析时经常需要存储、捕获和显示某部分有用的信号，因此若利用诸如示波器一类的测量仪器难以观测，也更难以发现故障。（4）被测信

3、号的速率变化范围很宽。即使在同一数字系统内，数字信号的速率也可能相差很大，如外部总线速率达几百Mb/s、内核速率达数Gb/s的中央处理器与其外部的低速打印机、电传机、键盘等。,（5）数字信号为脉冲信号。由于被测数字信号的速率可能很高，各通道信号的前沿很陡，其频谱分量十分丰富。因此，数据域测量必须能够分析测量短至ps级（10-12 s）的信号，如脉冲信号的建立和保持时间等。（6）被测信号故障定位难。通常，数字信号只有“0”、“1”两种电平，数字系统的故障不只是信号波形、电平的变化，更主要的在于信号之间的逻辑时序关系，电路中偶尔出现的干扰或毛刺等都会引起系统故障。,9.1.2 数据域分析测试的方法

4、数据域分析测试的目的一是确定系统中是否存在故障，称为合格/失效测试，或称故障检测；二是确定故障的位置，称为故障定位。,9.2 数字电路的简易测试,9.2.1 逻辑笔1.逻辑笔的原理逻辑笔主要用于判断某一端点的逻辑状态，其原理框图如图9.2所示。,图9.2 逻辑笔的原理框图,2.逻辑笔的应用在PULSE状态下，逻辑笔还可用于对正、负脉冲的测试。逻辑笔对输入电平的响应如表9.1所示。,表9.1 逻辑笔对输入电平的响应,通过用逻辑笔对被测点的测量，可以得出以下四种之一的逻辑状态：（1）逻辑“高”：输入电平高于高逻辑电平阈值，说明这是有效的高逻辑信号。（2）逻辑“低”：输入电平低于低逻辑电平阈值，说明

5、这是有效的低逻辑信号。（3）高阻抗状态：输入电平既不是逻辑低，也不是逻辑高。（4）脉冲：输入电平从有效的低逻辑电平变到有效的高逻辑电平(或者相反)。,9.2.2 逻辑夹逻辑笔在同一时刻只能显示一个被测点的逻辑状态，而逻辑夹则可以同时显示多个被测点的逻辑状态。在逻辑夹中，每一路信号都先经过一个门判电路，门判电路的输出通过一个非门驱动一个发光二极管。当输入信号为高电平时，发光二极管亮；否则，发光二极管暗。,9.3 逻辑分析仪,9.3.1 逻辑分析仪的特点 逻辑分析仪具有以下特点：（1）具有足够多的输入通道，这是逻辑分析仪的重要特点。（2）存储记忆功能。（3）极高的定时、状态速率。（4）丰富的触发功

6、能。（5）灵活而直观的显示方式。,（6）驱动时域仪器的功能。（7）限定功能。表9.2对逻辑分析仪与模拟示波器进行了简要比较。,表9.2 逻辑分析仪与模拟示波器的简要比较,9.3.2 逻辑分析仪的分类与组成1.逻辑分析仪的分类根据显示方式和定时方式的不同，逻辑分析仪可分为逻辑状态分析仪和逻辑定时分析仪两大类，其基本结构是相同的。1）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，并用字符“0”和“1”、助记符或映射图等来显示被测信号的逻辑状态。这能有效地解决系统的动态调试问题。,2）逻辑定时分析仪 上述两类分析仪的显示如图9.1（c）所示，虽然在显示方式、功能侧重上有所不同，但其基本

7、用途是一致的，即可对一个数据流进行快速的测试分析。2.逻辑分析仪的基本组成不同厂家的逻辑分析仪，尽管在通道数量、取样频率、内存容量、显示方式及触发方式等方面有较大区别，但其基本组成结构是相同的。逻辑分析仪的基本组成如图9.3所示，包括数据采集、数据存储、触发产生、数据显示等部分。,图9.3 逻辑分析仪的基本组成框图,9.3.3 逻辑分析仪的工作原理1.数据采集1）同步取样如果时钟脉冲来自被测系统，则是同步取样方式，只有当被测系统时钟到来时逻辑分析才储存输入数据。2）异步取样如取样时钟由逻辑分析仪内部产生或由外部的脉冲发生器提供，与被测系统的时钟无关，这种取样方式称为异步取样。内部时钟频率可以比

8、被测系统时钟频率高得多，这样使每单位时间内获取的数据更多，显示的数据更精确。同步取样和异步取样的示意图如图9.4所示。,图9.4 同步取样和异步取样示意图,2.触发产生目前，逻辑分析仪具有丰富的触发方式，可以显示触发前、后或以触发为中心的输入数据，其中最基本的触发方式有以下几种：（1）组合触发。将逻辑分析仪各通道的输入信号与各通道预置的触发字（0、1或x：任意）进行比较，当全部吻合时，即产生触发信号。几乎所有的逻辑分析仪都采用这种触发产生方式，因此也称基本触发方式。,（2）延迟触发。在延迟触发方式中专门设置了一个数字延迟电路，当捕获到触发字后，延迟一段时间再停止数据的采集、存储，这样在存储器中

9、存储的数据既包括了触发点前的数据，又包括了触发后的数据。终端触发、始端触发、延迟触发的示意图如图9.5所示。(3）毛刺触发。毛刺触发是利用滤波器从输入信号中取出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。,（4）手动触发与外触发。在测量时，利用人工方式可以在任何时候加以触发或强制显示测量数据，也可以由外部输入脉冲充当触发信号。,图9.5 终端触发、始端触发、延迟触发示意图,逻辑分析仪还提供了一些由多个条件组合而成的高级触发方式，如序列触发、限定触发、计数触发等。(1)序列触发。序列触发是为了检测复杂分支程序而设计

10、的一种重要触发方式。它由多个触发字按预先确定的顺序排列，只有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。(2)限定触发。限定触发是对设置的触发字加限定条件的触发方式。如有时选定的触发字在数据流中出现较为频繁，为了有选择地捕捉、存储和显示特定的数据流，可以附加一些约束条件。这样，只要数据流中未出现这些条件，即使触发字频繁出现，也不能进行有效的触发。,(3)计数触发。在较复杂的软件系统中常有嵌套循环，为此可用计数触发对循环进行跟踪。当触发字出现的次数达到预置值时才产生触发。3.数据存储 为了将多个测试点多个时刻的信息变化记录下来，逻辑分析仪设置有一定容量的存储器，以便显示分析重复性的

11、数据和单次出现的随机数据流。,4.数据显示1）状态表显示所谓状态表显示，就是将数据信息用“1”、“0”组合的逻辑状态表的形式显示在屏幕上。2）定时图显示 定时图显示好像多通道示波器显示多个波形一样，将存入存储器的数据流按逻辑电平及其时间关系显示在屏幕上，即显示各通道波形的时序关系。为了再现波形，定时图显示要求用能高的时钟频率来对输入信号进行取样，但由于受时钟频率的限制，取样点不可能无限密。,3）矢量图显示 图9.6显示程序的执行情况，被监测的是微机系统的地址总线，X轴是程序的执行顺序，Y轴是呈现在地址线上的地址。4）映射图显示映射图显示可以观察系统运行全貌的动态情况，它是用一系列光点表示一个数

12、据流。如果用逻辑分析仪观察微机的地址总线，则每个光点是程序运行中一个地址的映射。图9.7表示的是某程序运行时的映射图。,5）分解模块显示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后的微处理器的汇编语言源程序。由于上、下两个窗口的图形在时间上是相关的，因而对电路的定时和程序的执行可同时进行观察，软、硬件可同时调试。,图9.6 程序执行的矢量图显示,图9.7 程序执行的映射图,9.3.4 逻辑分析仪的主要技术指标及功能衡量逻辑分析仪的技术指标和功能项有许多，但主要有如下几项。1.输入通道数 通道数的多少是逻辑分析仪的

13、重要指标之一。2 时钟频率对于定时分析来说，时钟频率的高低是一个非常重要的指标。取样速率的高低对数据采集的结果有着十分重要的影响，同一输入信号在不同的取样速率下可能有着不同的输出结果，如图9.8所示。,图9.8 不同取样速率下的不同输出,3存储容量存储、显示所采集的输入数据，逻辑分析仪都具有高速随机存储器RAM，其总的内存容量可以表示为NM，其中N为通道数，M为每个通道的容量。4 触发功能 触发功能是评价逻辑分析仪水平的重要指标，只有具有灵活、方便、准确的触发功能，它才能在很长的数据流中，对人们感兴趣的那部分信息进行准确的定位、捕获和分析。,5 显示方式随着微处理器成为现代逻辑分析仪的核心，使

14、得显示方式多种多样。如今，逻辑分析仪大都具有各种进制的显示、ASCII码显示、各种光标显示、助记符的显示、菜单显示、反汇编、状态比较表显示、矢量图显示、时序波形显示，以及以上多种方式的组合显示等。这样多的显示方式与手段就为系统的运行情况提供了很好的分析手段，给使用者带来了很大方便。,9.3.5 逻辑分析仪的应用1.微机系统软、硬件调试图9.9展示了一标准反汇编程序表，其中从左至右依次是存储器的存取地址、正执行的指令、与指令有关的操作数、数据总线上的十六进制数以及存储器的读/写状态。,图9.9 Motorola 68332微处理机的反汇编显示,2.测试数字集成电路 将数字集成电路芯片接入逻辑分析

15、仪中，选择适当的显示方式，将得到具有一定规律的图像。如果显示不正常，可以通过显示过程中不正确的图形，找出逻辑错误的位置。图9.10 为ROM工作频率测试的例子。,图9.10 ROM工作频率的测试,3.测试时序关系及干扰信号图9.11示出了一个译码器的波形图，D0、D1、D2是译码器的三个输入端的波形，D3、D4、D5、D6是四个输出端的波形，每个输出波形上都有毛刺脉冲。,图9.11 寻找毛刺产生的原因,4.数字系统自动测试 由带GPIB总线控制功能的微型计算机、逻辑分析仪和数字信号发生器以及相应的软件可以组成数字系统的自动测试系统。数字信号发生器根据测试矢量或数据故障模型产生测试数据加到被测电路中，并由逻辑分析仪测量、分析其响应，可以完成中小规模数字集成芯片的功能测试、某些大规模集成电路逻辑功能的测试、程序自动跟踪、在线仿真以及数字系统的自动分析等功能。,