實際數字電路中冗余故障探析

李金哲　于海紅

摘 要 實際數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方法無法測試出。然而，冗余故障會占用內存、導致可測數字電路故障產生矢量化，降低故障檢測的覆蓋率。采用數字電路冗余故障的沖突方法可以找出不同類型的實際數字電路冗余故障。采用數字電路冗余故障的沖突算法可以快速計算出門的邏輯值，從而找出實際數字電路中的冗余故障。

關鍵詞 實際數字電路；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

實際數字電路是由一些兩個狀態的元器件組成的，用來處理在時間、數值方面均離散的數字信號。實際數字電路的工作原理是通過工作元件的狀態來表示離散信號。從功能角度可以將實際數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 對實際數字電路中故障的檢測面臨困難

實際數字電路的使用范圍廣泛。我們日常生活中使用的高科技產品中常常存在大量實際數字電路的集成。技術人員在進行電子產品設計、安裝、調試時常常遇到由數字電路產生的故障。由于數字電路元器件眾多，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字電路產生故障的原因，進而對故障類型進行診斷，最后進行相應的調整和維修[1]。

2 實際數字電路產生故障的原因分析

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

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

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

如果實際數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，從而產生實際數字電路的故障[1]。

3 實際數字電路故障的診斷方法[1]

實際數字電路的故障診斷的一般方法是：按一定順序對元器件逐一進行檢測，直到故障排除。數字電路元件眾多，部分元件封存在芯片中，這些元件的參數難以測量，因此需要對數字電路的故障診斷方法進行進一步探究。

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

在故障檢測時，還可以通過向實際數字電路輸入信號，依據輸出信號的異常情況或中斷現象找到電路中的故障。信號可以向輸入端也可以向實際數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字電路進行診斷。測出正常工作的電路在關鍵點上的參數值與故障電路比較，可得出關鍵點是否正常工作，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鍵點，而是在數字電路中非常微小的地方。

在復雜的數字電路中，如果故障難以查出，可以通過更換質量更好的元件來觀察實際數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字電路故障。

4 優化的實際數字電路故障診斷方法[1]

通過對實際數字電路結構、功能的了解，可以將數字電路分成若干獨立電路，依據通電測試結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字電路中能提高故障診斷效率。

當出現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實際數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，是進行實際數字電路故障檢測的優良對策。

5 實際數字電路中的冗余故障

冗余故障是由冗余結構引起的一種數字電路故障?？赡軐е乱韵聨追N狀況：使實際數字電路從有效狀態向非法狀態轉變；使不可達狀態變成可達狀態；使狀態數遠大于非確定型電路的合法狀態數，使驗證變得復雜。導致冗余結構的存在可能是因為實際數字電路未能實現最優化，也可能是為解決電路中的某些問題而人為設置的。

6 實際數字電路中冗余故障產生的原因

在非確定型實際數字電路中，冗余故障可表現為兩種狀態：第一種是結構冗余故障，第二種是功能冗余故障。結構冗余故障不引起狀態的錯誤變換，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量增加，產生了物理故障無法測出。第二種是功能冗余故障，表現為物理故障使實際數字電路中產生了不會改變任何合法狀態的變換，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 實際數字電路中冗余故障的檢測

1）組合實際數字電路中冗余故障為不可測故障。在組合實際數字電路條件下，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生冗余不可測故障。在組合實際數字電路中，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）時序實際數字電路中冗余故障可能為不可測故障。時序實際數字電路中的狀態變換可產生四類故障：①非激活故障：未提供輸入序列產生的故障；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計等價實際數字電路的方法進行測試，通過與無故障實際數字電路輸出進行對比測出是否存在冗余故障[2]。

4）實際數字電路中冗余故障的分類[3]。實際數字電路中的冗余故障可分為以下幾類：第一種是恒值點產生的故障。即：實際數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數字電路的結構、按照數字電路測試的一般規律進行。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 實際數字電路中冗余故障的識別算法

冗余故障是無法通過傳統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、消耗內存量大，很難尋找到故障點。冗余故障還會導致實際數字電路中可測故障的矢量生成，這會減小故障中測試對數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，計算實際數字電路中的邏輯值并設置標記，采用不可觀性和不可控性的方法可識別實際數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.探究數字電路故障檢測與診斷[J].數字技術與應用，2013（11）：214-215.

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

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

[4]李珊瓊.數字電路冗余故障的識別算法研究[J].數字技術與應用，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