實際數(shù)字電路中冗余故障探析

李金哲　于海紅

摘 要 實際數(shù)字電路中的冗余故障耗費的運算時間長，測試難度大，一些冗余故障采用傳統(tǒng)方法無法測試出。然而，冗余故障會占用內(nèi)存、導致可測數(shù)字電路故障產(chǎn)生矢量化，降低故障檢測的覆蓋率。采用數(shù)字電路冗余故障的沖突方法可以找出不同類型的實際數(shù)字電路冗余故障。采用數(shù)字電路冗余故障的沖突算法可以快速計算出門的邏輯值，從而找出實際數(shù)字電路中的冗余故障。

關(guān)鍵詞 實際數(shù)字電路；冗余故障

中圖分類號：TP331 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）08-0165-02

實際數(shù)字電路是由一些兩個狀態(tài)的元器件組成的，用來處理在時間、數(shù)值方面均離散的數(shù)字信號。實際數(shù)字電路的工作原理是通過工作元件的狀態(tài)來表示離散信號。從功能角度可以將實際數(shù)字電路分為時序邏輯電路和組合邏輯電路。時序邏輯電路由帶有觸發(fā)器的電路進行信號的記憶和表達，在輸出端將存儲的信息表達出來。組合邏輯電路是由多種電路組合成，是一種輸出由輸入信號決定的電路[1]。

1 對實際數(shù)字電路中故障的檢測面臨困難

實際數(shù)字電路的使用范圍廣泛。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫母呖萍籍a(chǎn)品中常常存在大量實際數(shù)字電路的集成。技術(shù)人員在進行電子產(chǎn)品設(shè)計、安裝、調(diào)試時常常遇到由數(shù)字電路產(chǎn)生的故障。由于數(shù)字電路元器件眾多，部分元件被封存在芯片中，為電路故障的檢測造成了困難。因此，首先需要分析實際數(shù)字電路產(chǎn)生故障的原因，進而對故障類型進行診斷，最后進行相應的調(diào)整和維修[1]。

2 實際數(shù)字電路產(chǎn)生故障的原因分析

元器件老化是實際數(shù)字電路故障的原因之一，由于長期使用會使金屬元件參數(shù)值發(fā)生變化。溫度變化也可能引起金屬元件參數(shù)值的改變。

由于焊點氧化產(chǎn)生的接觸不良也可導致實際數(shù)字電路故障。進水或暴露在空氣中都可能使電路中出現(xiàn)接觸不良。

當溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)改變時，如果無法達到電路工作所需的環(huán)境條件，也可能導致實際數(shù)字電路的故障。

如果實際數(shù)字電路中的元件超期使用，也可能導致元器件老化、元器件無法正常工作，從而產(chǎn)生實際數(shù)字電路的故障[1]。

3 實際數(shù)字電路故障的診斷方法[1]

實際數(shù)字電路的故障診斷的一般方法是：按一定順序?qū)υ骷鹨贿M行檢測，直到故障排除。數(shù)字電路元件眾多，部分元件封存在芯片中，這些元件的參數(shù)難以測量，因此需要對數(shù)字電路的故障診斷方法進行進一步探究。

有經(jīng)驗的工作人員可以通過向相關(guān)人員詢問實際數(shù)字電路產(chǎn)生的故障后果和表現(xiàn)來判斷是哪一部分電路出現(xiàn)了故障，這種方法直接、快速、效果好，但需要有一定的電路維修經(jīng)驗。

在故障檢測時，還可以通過向?qū)嶋H數(shù)字電路輸入信號，依據(jù)輸出信號的異常情況或中斷現(xiàn)象找到電路中的故障。信號可以向輸入端也可以向?qū)嶋H數(shù)字電路中的某個過程輸入。這種方法工作量大、耗費時間多，需要采用更好的方法來替代。

在檢查電路中的故障時，還可以采用比較法對實際數(shù)字電路進行診斷。測出正常工作的電路在關(guān)鍵點上的參數(shù)值與故障電路比較，可得出關(guān)鍵點是否正常工作，從而找出電路中存在的故障。但需要注意的是：故障有時反而不存在于關(guān)鍵點，而是在數(shù)字電路中非常微小的地方。

在復雜的數(shù)字電路中，如果故障難以查出，可以通過更換質(zhì)量更好的元件來觀察實際數(shù)字電路是否能正常運行，如果仍然無法正常運行，進行下一步檢測。這種方法可以迅速找出由元件故障造成的數(shù)字電路故障。

4 優(yōu)化的實際數(shù)字電路故障診斷方法[1]

通過對實際數(shù)字電路結(jié)構(gòu)、功能的了解，可以將數(shù)字電路分成若干獨立電路，依據(jù)通電測試結(jié)果找出有問題的那部分，然后采取措施找到故障點，排除故障。這種方法在復雜的實際數(shù)字電路中能提高故障診斷效率。

當出現(xiàn)用電器冒煙或有異味，應首先切斷電源，采用電阻檢測法檢查電路板或?qū)嶋H數(shù)字電路連接線處是否有短路或接觸不良。這種方法簡便易操作，可迅速找到故障點。

在脈沖數(shù)字電路中，使用示波器檢測波形可迅速找到電路中的故障點。這種方法對檢修人員的素質(zhì)提出了較高要求。但這種方法準確安全、效率高，是進行實際數(shù)字電路故障檢測的優(yōu)良對策。

5 實際數(shù)字電路中的冗余故障

冗余故障是由冗余結(jié)構(gòu)引起的一種數(shù)字電路故障?？赡軐е乱韵聨追N狀況：使實際數(shù)字電路從有效狀態(tài)向非法狀態(tài)轉(zhuǎn)變；使不可達狀態(tài)變成可達狀態(tài)；使狀態(tài)數(shù)遠大于非確定型電路的合法狀態(tài)數(shù)，使驗證變得復雜。導致冗余結(jié)構(gòu)的存在可能是因為實際數(shù)字電路未能實現(xiàn)最優(yōu)化，也可能是為解決電路中的某些問題而人為設(shè)置的。

6 實際數(shù)字電路中冗余故障產(chǎn)生的原因

在非確定型實際數(shù)字電路中，冗余故障可表現(xiàn)為兩種狀態(tài)：第一種是結(jié)構(gòu)冗余故障，第二種是功能冗余故障。結(jié)構(gòu)冗余故障不引起狀態(tài)的錯誤變換，其物理故障不可測。這種故障不可測的原因可能有以下幾個：其一是物理故障多變換，使得單故障測試無能為力。其二是故障為未定義故障或變換數(shù)量增加，產(chǎn)生了物理故障無法測出。第二種是功能冗余故障，表現(xiàn)為物理故障使實際數(shù)字電路中產(chǎn)生了不會改變?nèi)魏魏戏顟B(tài)的變換，使得單故障測試集無法測出，但是可通過門級測試解決此類故障[2]。

7 實際數(shù)字電路中冗余故障的檢測

1）組合實際數(shù)字電路中冗余故障為不可測故障。在組合實際數(shù)字電路條件下，所有的冗余故障都是不可測的。但不可測故障不一定是冗余故障。例如：一個可測故障遇到一個不可測故障可能產(chǎn)生冗余不可測故障。在組合實際數(shù)字電路中，可測故障一定不是冗余故障。例如：兩個不可測故障可能成為一個可測故障。[2]。

2）時序?qū)嶋H數(shù)字電路中冗余故障可能為不可測故障。時序?qū)嶋H數(shù)字電路中的狀態(tài)變換可產(chǎn)生四類故障：①非激活故障：未提供輸入序列產(chǎn)生的故障；②非傳播故障：將未輸入序列故障的效應傳播到輸出端；③不可測故障：輸入序列無法檢測到的故障；④難測故障：存在測試序列但測試復雜工作量大而無法檢測到該故障[2]。endprint

3）實際數(shù)字電路中冗余故障的確認策略。冗余故障確認理論表明，通過證明冗余部分的故障不存在于任何測試中，即可證明某條線或功能塊是冗余的。在實際操作中可通過設(shè)計等價實際數(shù)字電路的方法進行測試，通過與無故障實際數(shù)字電路輸出進行對比測出是否存在冗余故障[2]。

4）實際數(shù)字電路中冗余故障的分類[3]。實際數(shù)字電路中的冗余故障可分為以下幾類：第一種是恒值點產(chǎn)生的故障。即：實際數(shù)字電路中存在布爾值不變的地方。造成這種故障的原因有以下幾種：①在“與”“非”“與非”“或非”門的輸出處，對扇出樹分別賦值0、1，實際數(shù)字電路中某點的值不變；②異或門的輸入值恒相同或恒相反，使輸出值不變；③在以恒值點為錐的堆內(nèi)存在冗余故障。

第二種是單純D傳送被堵塞的冗余故障。即：單純從故障處到PO的D傳送被堵塞的故障。這類故障的原因主要有以下幾個：①同一扇出樹的同一極性、多個扇葉的同門扇入；②隱式扇出；③型；④及其變型。

第三種是復合作用導致的冗余故障。在測試碼中，每一步都盡可能取盡必取值，找出某點出必取值與實際取值的矛盾，即可測出冗余故障點。

第四種是異或門內(nèi)的冗余故障。如果在對一個異或門進行完全測試時沒有完全通過，由此，可找出此類冗余故障。這類冗余故障產(chǎn)生的原因有以下幾種：①一個測試的輸入為不可能的值；②D傳送被堵塞；③復合作用；④門輸出通路被堵塞。

第五種是最難測的冗余故障。檢測方法是：列出布爾式，通過賦必取值判斷出方程組無解，從而找出冗余故障點。

5）冗余故障查找的一般方法。冗余故障查找首先應依據(jù)數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)、按照數(shù)字電路測試的一般規(guī)律進行。對實際因為需要盡可能取盡必取值，因此在電路預處理時應整理扇出樹[3]。數(shù)字電路過程中的每一步賦必取值，進而判斷出冗余故障。在檢測實際數(shù)字電路中的冗余故障時，應首先進行D傳送，選擇10以上D算法，如果所有通路被堵塞，則判斷出冗余故障。

8 實際數(shù)字電路中冗余故障的識別算法

冗余故障是無法通過傳統(tǒng)的激活矢量或故障傳播效應方式進行測試的故障。對冗余故障的測試耗費時間長、消耗內(nèi)存量大，很難尋找到故障點。冗余故障還會導致實際數(shù)字電路中可測故障的矢量生成，這會減小故障中測試對數(shù)字電路中可測故障矢量的覆蓋范圍。冗余故障雖然是不可測故障，但可通過賦值沖突方法進行識別[4]。

這種算法的基本原理是：對數(shù)字電路的單條信號線賦值，找出單條信號線上的邏輯值與輸出值之間的沖突。算法的對象是數(shù)字電路中具有不可觀性和不可控性的冗余故障的集合。例如：兩個故障集合S0、S1，通過冗余故障識別算法可以計算出邏輯門“g”，從而從邏輯值與輸出值的沖突中找出可檢測的冗余故障[4]。

通過分析邏輯值與實際輸出值的沖突，計算實際數(shù)字電路中的邏輯值并設(shè)置標記，采用不可觀性和不可控性的方法可識別實際數(shù)字電路中的冗余故障，進而可以對故障進行快速的分析和處理。這種方法可以降低電路故障的運算時間，提高測試的故障覆蓋范圍，有效解決實際數(shù)字電路高度集成、測試難度大的問題[4]。

參考文獻

[1]王向麗，朱慧妍.探究數(shù)字電路故障檢測與診斷[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2013（11）：214-215.

[2]何新華，劉玉軍.數(shù)字電路冗余狀態(tài)確認研究[A].第十屆全國容錯計算會議論文集[C].

[3]梁業(yè)偉，楊志娟，石茵，魏道政.對數(shù)字電路中冗余故障的分析[J].計算機研究與發(fā)展，2001，38（12）：1429-1434.

[4]李珊瓊.數(shù)字電路冗余故障的識別算法研究[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2012（05）：113.

作者簡介

李金哲（1980-），男，河北邯鄲人，講師，本科，研究方向：電子電工教學與應用。

于海紅（1979-），男，一級實習指導教師，本科，研究方向：機電一體化。endprint