电子仪器与测量 第8章 频域测量

第九章数据域测量本章要点:·数据域的基本概念·数据域测试系统与仪器·逻辑分析仪的组成、原理和应用·可测性设计技术·数据域测试的应用9.1数据域测试概述9.1.1数据域的基本概念1.数据信息----数据流在数据域测试中首先要明确所测试的信号是：信息——只有两种逻辑状态的二进制符号（“1”/“0”或高/低电平）。数据字——多位二进制信息组合构成的一个“数据”。数据流——大量数据字有序的集合。数据流的表示方式：(b)逻辑状态显示方式时钟脉冲下降沿时读数(a)逻辑定时显示方式2.数字系统的特点(1)数字信号通常是按时序传递的；(2)信号几乎都是多位传输的；(3)信息的传递方式是多种多样的；(4)数字信号的速度变化范围很宽；(5)信号往往是单次的或非周期性的；(6)数字系统故障判别与模拟系统不同。9.1.2数据域测试的任务与故障模型1.数据域测试的任务及相关术语故障诊断故障侦查，或称故障检测，判断被测系统或电路中是否存在故障；故障定位，查明故障原因、性质和产生的位置性能测试参数测试对表征被测器件性能的静态（直流）、动态（交流）参数的测试。功能测试，对表征被测器件性能的逻辑功能的测试。3.被测对象与测试方法数据域测试按被测对象可分为：(1)组合电路测试，通常有敏化通路法、D算法、布尔差分法等。(2)时序电路测试，通常采用迭接阵列、测试序列（同步、引导和区分序列）等方法。(3)数字系统测试，如大规模集成电路，常用随机测试（用伪随机序列信号作激励）技术、穷举测试技术等。9.1.3数据域测试系统与仪器1.数据域测试系统组成一个被测的数字系统可以用它的输入和输出特性及时序关系来描述，它的输入特性可用数字信号源产生的多通道时序信号来激励，而它的输出特性可用逻辑分析仪来测试，获得对应通道的时序响应，从而得到被测数字系统的特性。图9.2数据域测试系统的组成框图数字信号源被测数字系统特征分析逻辑分析时序参数测试2.数据域测试仪器1)逻辑笔逻辑笔算不上仪器，但却是数字域检测中方便实用的工具。它像一支电工用的试电笔，能方便地探测数字电路中各点的逻辑状态，例如，笔上红色指示灯亮为高电平，绿灯亮为低电平，红灯绿灯轮流闪烁表示该点是时钟信号。2)数字信号源数字信号源又称为数字信号发生器，是数据域测试中的一种重要仪器，它可产生图形宽度可编程的并行和串行数据图形，也可产生输出电平和数据速率可编程的任意波形，以及一个可由选通信号和时种信号来控制的预先规定的数据流。数字信号源是为数字系统的功能测试和参数测试提供输入激励信号。功能测试是测出被测器件在规定电平和正确定时激励下的输出，就可以知道被测系统的功能是否正常；参数测试可用来测试诸如电平值、脉冲的边缘特性等参数是否符合设计规范。(1)数字信号源的组成(2)数据的产生上图中的序列存储器在初始化期间写入了每个通道的数据，数据存储器的地址由地址计数器提供。在测试过程中，在每一个作用时钟沿上，计数器将地址加1。数据存储器输出的数据与地址是一一对应的，这是产生线性数据流的一种简单方法，这种方法提供的最大数据率每秒大于100MbitS。一个8:l的多路器可将运行频率为F／8的8个并行输入位转换成频率为F的串行数据流。对于低速的数字信号源，多路器可以不要，从数据的每位数输出可直接产生一个串行数据流，该数据流加到格式化器的输入端，通过格式化器将数据流与时钟同步。在简单情况下，格式化器就是一个D触发器。数据的逻辑电平加在D输入端，在时钟信号沿的作用下输出。格式化器的输出直接驱动输出放大器，放大器的输出电平是可编程的。在某些数字信号源中，通过在每个数据模块上提供外部时钟和启动/停止输入，以便产生不同的异步数据流。3)逻辑分析仪本章重点讨论的内容，将独立一节进行介绍。4)特征分析仪为了识别一个电路或系统是否有故障，可以把电路各节点的正常响应记录下来，在进行故障诊断时，把实测的响应与正常电路的响应作比较。如果两者一致，则认为电路没有故障；如果各节点的响应中只要有一个节点不同，则可断定电路有故障。基于特征分析方法的数字系统故障诊断的原理如图所示。5)规约分析仪规约分析仪是常用的数字通信测试仪器。规约（Protocol）是描述不同器件之间相互进行数据通信的规则和过程，规约分析仪可仔细地检查器件之间通信过程中所发生的一切事件，同时对其是否符合通信规约做出测试。规约分析仪不仅可用监测，而且还能发送信息。规约分析仪的前面板和后台支持都是由一台专用计算机来完成的，它可对通信线路上的串行数据进行采集和处理，并可以格式化或模拟输出串行数据。6)误码率测试仪误码率测试仪更是常用的数字通信测试仪器。误码率=误码的位数/传输的总位数图9.7误码仪测试数字传输系统的测试框图图形发生器数字传输系统误码检测器9.2逻辑分析仪的组成原理1973年研制出了一种专用于数字系统测试的仪器——逻辑分析仪(LogicAnalyzer）。9.2.1逻辑分析仪的特点和分类1.特点(1)输入通道多，可以同时检测16路、32路甚至上千路信号。(2)数据捕获能力强。具有多种灵活的触发方式，可以确保观察窗口在被测数据流中的准确定位。(3)具有较大的存储深度，可以观察单次及非周期性数据信息，并可进行随机故障的诊断。(4)具有多种显示方式。不仅可以同时显示多通道信号的伪方波，可用二进制、八进制、十六进制、十进制或ASCll码显示数据，而且还可用反汇编等进行程序源代码显示。(5)具有可靠的毛刺检测能力。2.分类逻辑分析仪按照其工作特点，可以分为逻辑状态分析仪用于系统的软件分析。它在被测系统的时钟（即外时钟）控制下进行数据采集，检测被测信号的状态，并用“0”和“l”、助记符或映射图等方式来显示。借助于反汇编等方法可以直接观察程序的源代码，因此它是进行系统软件测试的有力工具。逻辑定时分析仪主要用于信号逻辑时间关系分析，一般用于硬件测试。它在自身时钟的作用下，定时采集被测信号状态，以伪方波等形式显示出来以进行观察分析。通过观察电路输入,输出的各个信号的逻辑变化及时序关系，即可进行硬件故障诊断。目前的逻辑分析仪一般同时具有状态分析和定时分析能力。台式仪器虚拟仪器+插卡单片IC（16通道）数字示波器附加结构特点HP1682A逻辑分析仪9.2.2逻辑分析仪的基本组成原理(如TTL电平)当搜索到符合条件的触发字时，就产生触发信号(波形或字符列表等)逻辑分析仪=数据捕获+示波器在电子测量仪器中，“触发”的概念来自模拟示波器。在模拟示波器中仅当触发信号到来后X通道才产生扫描信号，Y通道信号才能被显示，即从触发点打开了一个显示窗口。9.2.3逻辑分析仪的触发方式当数字系统运行时，它的数据流是无穷无尽的。逻辑分析仪的存储器的容量总是有限的，我们所能观察到的数据只是存储器中存储下来的数据，即数据流中的一部分，如图9.9所示，它相当于在数据流上开启了一个观察窗口。该观察窗口的长度就是存储器的存储深度，要在数据流中找到对分析有意义的数据，就必须将观察窗口在数据流中适当定位，而定位是通过触发与跟踪来实现，因此触发方式的多寡及灵活程度就决定了逻辑分析仪的数据捕获能力。触发在逻辑分析仪中的含义是，由一个事件来控制数据获取，即选择观察窗口的位置。这个事件可以是数据流中出现一个数据字、数据字序列或其组合、某一个通道信号出现的某种状态、毛刻等。1.组合触发逻辑分析仪具有多通道信号组合触发（即“字识别”触发）功能。采用何种触发跟踪方式来控制数据的采集过程，同样会影响到窗口的定位。通常把采集并显示数据的一次过程称为一次“跟踪”，或将“窗口中的全部数据”叫做一个“跟踪”。“触发”决定了“跟踪”在数据流中的位置。最基本的触发跟踪方式有触发起始跟踪和触发终止跟踪，其原理如图9.9所示。图9.9逻辑分析仪的基本触发跟踪方式数据窗口数据窗口触发字触发字跟踪开始跟踪结束数据流数据流(a)触发开始跟踪方式(b)触发终止跟踪方式2.延迟触发延迟触发是在数据流中搜索到触发字时，并不立即跟踪，而是延迟一定数量的数据后才开始或停止存储数据，它可以改变触发字与数据窗口的相对位置。设置不同的延迟数，就可以将窗口灵活定位在数据流中不同的位置。触发字触发字延迟数跟踪开始数据流数据流数据窗口数据窗口延迟数跟踪结束图9.10延时触发(a)触发开始跟踪加延迟(b)触发终止跟踪加延迟3.序列触发序列触发的触发条件是多个触发字的序列，它是当数据流中按顺序出现各个触发字时才触发，即顺序在前的触发字必须出现后，后面的触发字才有效。序列触发常用于复杂分支程序的跟踪。第一级触发图9.11两级序列触发工作原理第二级触发第二级触发字有效第二级触发字无效导引条件使能4.手动触发手动触发是一种人工强制触发。该方式下，只要设置分析开始，即进行触发并显示数据。它是一种无条件的触发，由于该方式下观察窗口在数据流中的位置是随机的，亦称随机触发。5.限定触发限定触发是对设置的触发字再加限定条件的触发方式。如果选定的触发字在数据流中出现较为频繁，为了有选择地捕获特定的数据流，可以给触发字附加一些约束条件。这样，即使数据流中频繁出现触发字，只要这些附加的条件未出现，也不能进行触发。图9.12限定条件触发产生原理数据流限定条件触发信号与门触发识别9.2.4逻辑分析仪的数据捕获和存储1.输入探头若高于阈值则输出为逻辑“1”，反之则为逻辑“0”。为检测不同逻辑电平的数字系统（如TTL、CMOS、ECL等），门限电平可以调节，一般是-10~+10V。探头相片2.数据捕获从数据探头得到的信号，经电平转换延迟变为TTL电平之后，在采样时钟的作用下，经采样电路存入高速存储器。图9.14数据捕获时钟TTL来自探头信息电平转换延迟高速存储器采样电路触发电路这种将被测信号进行采样并存入存储器的过程就称为数据的捕获。在逻辑分析仪中，数据捕获的方式通常有以下两种：1)采样方式该方式是在采样时钟到来时，对探头中比较器输出的逻辑电平进行判断：比较器的输出和采样输出是不一样的，比较器的输出决定于被测波形的电平值，而采样输出不仅受被测波形影响，而且还取决于采样脉冲到来的时刻。由数字逻辑电路知识可知，用D触发器则可完成这个采样过程。CPQ端D端D触发器Q端D端CP2)锁定方式锁定方式用来捕捉出现在两个采样脉冲之间的毛刺。毛刺（glitch）往往是逻辑电路误动作的主要原因。在锁定方式下，逻辑分析仪内的锁定电路能把一个很窄的毛刺展宽。一般可以捕捉到2ns、250mV的窄脉冲，并能用一个与采样时钟周期相同的宽度显示出毛刺，便于测试人员观察分析。据锁存器在采样脉冲下不仅能锁存输入数据，对采样时钟之间的毛刺不予理睬。毛刺锁存器不仅能锁存输入数据，对输入数据中的毛刺也能锁存。图9.16给出了毛刺锁定电路，图9.17画出了锁定方式的波形。当方式选择开关拨至低电平L时，与非门V1、V2被关闭，V3、V4按一般D触发器工作。由于毛刺发生在采样时钟之间，采样电路不能对毛刺采样，故输出电平不反映毛刺。因此，采样方式发现不了在采样时钟之间的毛刺。当方式选择开关拨至高电平H时（为锁定方式），可以发现发生在时钟脉冲之间的毛刺。假如在毛刺到来前D触发器V3、V4输出为低电平，在采样时钟t0与t1之间发生正向毛刺时，V1输出为低电平，V2输出为高电平，使V3复位，它使数据先行位采样值变反（即由低电平变为高电平，与毛刺脉冲的极性保持一致）。此时，Q1=1、Q2=0，毛刺结束后V3、V4仍保持上述状态。当时钟脉冲t1到来时，由于毛刺脉冲早已结束，故Q1=0、Q2=1；当t2到来时，毛刺脉冲引起的Q1变化传送到Q2，即Q2输出恢复到原来正常采样方式的状态。类似地，对于发生在t5、t6间的负向毛刺，在毛刺到来时强迫V3复位，使Q1=0，它同样起到了使先行位的采样值变反的作用。在t6时，这个电位向V4过渡，在t7时则Q1电平变化传到Q2。由此可见，锁定方式可以捕捉发生于时钟脉冲之间的毛刺。应该指出，无论毛刺宽度如何，在V4输出端“复现”的毛刺，其宽度和时钟脉冲周期相等。逻辑分析仪只有在定时分析时对检查毛刺才有意义。3)同步采样和异步采样同步采样----采用被测系统时钟脉