实际数字电路中冗余故障探析

李金哲　于海红

摘 要 实际数字电路中的冗余故障耗费的运算时间长，测试难度大，一些冗余故障采用传统方法无法测试出。然而，冗余故障会占用内存、导致可测数字电路故障产生矢量化，降低故障检测的覆盖率。采用数字电路冗余故障的冲突方法可以找出不同类型的实际数字电路冗余故障。采用数字电路冗余故障的冲突算法可以快速计算出门的逻辑值，从而找出实际数字电路中的冗余故障。

关键词 实际数字电路；冗余故障

中图分类号：TP331 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0165-02

实际数字电路是由一些两个状态的元器件组成的，用来处理在时间、数值方面均离散的数字信号。实际数字电路的工作原理是通过工作元件的状态来表示离散信号。从功能角度可以将实际数字电路分为时序逻辑电路和组合逻辑电路。时序逻辑电路由带有触发器的电路进行信号的记忆和表达，在输出端将存储的信息表达出来。组合逻辑电路是由多种电路组合成，是一种输出由输入信号决定的电路[1]。

1 对实际数字电路中故障的检测面临困难

实际数字电路的使用范围广泛。我们日常生活中使用的高科技产品中常常存在大量实际数字电路的集成。技术人员在进行电子产品设计、安装、调试时常常遇到由数字电路产生的故障。由于数字电路元器件众多，部分元件被封存在芯片中，为电路故障的检测造成了困难。因此，首先需要分析实际数字电路产生故障的原因，进而对故障类型进行诊断，最后进行相应的调整和维修[1]。

2 实际数字电路产生故障的原因分析

元器件老化是实际数字电路故障的原因之一，由于长期使用会使金属元件参数值发生变化。温度变化也可能引起金属元件参数值的改变。

由于焊点氧化产生的接触不良也可导致实际数字电路故障。进水或暴露在空气中都可能使电路中出现接触不良。

当温度、湿度等环境参数改变时，如果无法达到电路工作所需的环境条件，也可能导致实际数字电路的故障。

如果实际数字电路中的元件超期使用，也可能导致元器件老化、元器件无法正常工作，从而产生实际数字电路的故障[1]。

3 实际数字电路故障的诊断方法[1]

实际数字电路的故障诊断的一般方法是：按一定顺序对元器件逐一进行检测，直到故障排除。数字电路元件众多，部分元件封存在芯片中，这些元件的参数难以测量，因此需要对数字电路的故障诊断方法进行进一步探究。

有经验的工作人员可以通过向相关人员询问实际数字电路产生的故障后果和表现来判断是哪一部分电路出现了故障，这种方法直接、快速、效果好，但需要有一定的电路维修经验。

在故障检测时，还可以通过向实际数字电路输入信号，依据输出信号的异常情况或中断现象找到电路中的故障。信号可以向输入端也可以向实际数字电路中的某个过程输入。这种方法工作量大、耗费时间多，需要采用更好的方法来替代。

在检查电路中的故障时，还可以采用比较法对实际数字电路进行诊断。测出正常工作的电路在关键点上的参数值与故障电路比较，可得出关键点是否正常工作，从而找出电路中存在的故障。但需要注意的是：故障有时反而不存在于关键点，而是在数字电路中非常微小的地方。

在复杂的数字电路中，如果故障难以查出，可以通过更换质量更好的元件来观察实际数字电路是否能正常运行，如果仍然无法正常运行，进行下一步检测。这种方法可以迅速找出由元件故障造成的数字电路故障。

4 优化的实际数字电路故障诊断方法[1]

通过对实际数字电路结构、功能的了解，可以将数字电路分成若干独立电路，依据通电测试结果找出有问题的那部分，然后采取措施找到故障点，排除故障。这种方法在复杂的实际数字电路中能提高故障诊断效率。

当出现用电器冒烟或有异味，应首先切断电源，采用电阻检测法检查电路板或实际数字电路连接线处是否有短路或接触不良。这种方法简便易操作，可迅速找到故障点。

在脉冲数字电路中，使用示波器检测波形可迅速找到电路中的故障点。这种方法对检修人员的素质提出了较高要求。但这种方法准确安全、效率高，是进行实际数字电路故障检测的优良对策。

5 实际数字电路中的冗余故障

冗余故障是由冗余结构引起的一种数字电路故障。可能导致以下几种状况：使实际数字电路从有效状态向非法状态转变；使不可达状态变成可达状态；使状态数远大于非确定型电路的合法状态数，使验证变得复杂。导致冗余结构的存在可能是因为实际数字电路未能实现最优化，也可能是为解决电路中的某些问题而人为设置的。

6 实际数字电路中冗余故障产生的原因

在非确定型实际数字电路中，冗余故障可表现为两种状态：第一种是结构冗余故障，第二种是功能冗余故障。结构冗余故障不引起状态的错误变换，其物理故障不可测。这种故障不可测的原因可能有以下几个：其一是物理故障多变换，使得单故障测试无能为力。其二是故障为未定义故障或变换数量增加，产生了物理故障无法测出。第二种是功能冗余故障，表现为物理故障使实际数字电路中产生了不会改变任何合法状态的变换，使得单故障测试集无法测出，但是可通过门级测试解决此类故障[2]。

7 实际数字电路中冗余故障的检测

1）组合实际数字电路中冗余故障为不可测故障。在组合实际数字电路条件下，所有的冗余故障都是不可测的。但不可测故障不一定是冗余故障。例如：一个可测故障遇到一个不可测故障可能产生冗余不可测故障。在组合实际数字电路中，可测故障一定不是冗余故障。例如：两个不可测故障可能成为一个可测故障。[2]。

2）时序实际数字电路中冗余故障可能为不可测故障。时序实际数字电路中的状态变换可产生四类故障：①非激活故障：未提供输入序列产生的故障；②非传播故障：将未输入序列故障的效应传播到输出端；③不可测故障：输入序列无法检测到的故障；④难测故障：存在测试序列但测试复杂工作量大而无法检测到该故障[2]。endprint

3）实际数字电路中冗余故障的确认策略。冗余故障确认理论表明，通过证明冗余部分的故障不存在于任何测试中，即可证明某条线或功能块是冗余的。在实际操作中可通过设计等价实际数字电路的方法进行测试，通过与无故障实际数字电路输出进行对比测出是否存在冗余故障[2]。

4）实际数字电路中冗余故障的分类[3]。实际数字电路中的冗余故障可分为以下几类：第一种是恒值点产生的故障。即：实际数字电路中存在布尔值不变的地方。造成这种故障的原因有以下几种：①在“与”“非”“与非”“或非”门的输出处，对扇出树分别赋值0、1，实际数字电路中某点的值不变；②异或门的输入值恒相同或恒相反，使输出值不变；③在以恒值点为锥的堆内存在冗余故障。

第二种是单纯D传送被堵塞的冗余故障。即：单纯从故障处到PO的D传送被堵塞的故障。这类故障的原因主要有以下几个：①同一扇出树的同一极性、多个扇叶的同门扇入；②隐式扇出；③型；④及其变型。

第三种是复合作用导致的冗余故障。在测试码中，每一步都尽可能取尽必取值，找出某点出必取值与实际取值的矛盾，即可测出冗余故障点。

第四种是异或门内的冗余故障。如果在对一个异或门进行完全测试时没有完全通过，由此，可找出此类冗余故障。这类冗余故障产生的原因有以下几种：①一个测试的输入为不可能的值；②D传送被堵塞；③复合作用；④门输出通路被堵塞。

第五种是最难测的冗余故障。检测方法是：列出布尔式，通过赋必取值判断出方程组无解，从而找出冗余故障点。

5）冗余故障查找的一般方法。冗余故障查找首先应依据数字电路的结构、按照数字电路测试的一般规律进行。对实际因为需要尽可能取尽必取值，因此在电路预处理时应整理扇出树[3]。数字电路过程中的每一步赋必取值，进而判断出冗余故障。在检测实际数字电路中的冗余故障时，应首先进行D传送，选择10以上D算法，如果所有通路被堵塞，则判断出冗余故障。

8 实际数字电路中冗余故障的识别算法

冗余故障是无法通过传统的激活矢量或故障传播效应方式进行测试的故障。对冗余故障的测试耗费时间长、消耗内存量大，很难寻找到故障点。冗余故障还会导致实际数字电路中可测故障的矢量生成，这会减小故障中测试对数字电路中可测故障矢量的覆盖范围。冗余故障虽然是不可测故障，但可通过赋值冲突方法进行识别[4]。

这种算法的基本原理是：对数字电路的单条信号线赋值，找出单条信号线上的逻辑值与输出值之间的冲突。算法的对象是数字电路中具有不可观性和不可控性的冗余故障的集合。例如：两个故障集合S0、S1，通过冗余故障识别算法可以计算出逻辑门“g”，从而从逻辑值与输出值的冲突中找出可检测的冗余故障[4]。

通过分析逻辑值与实际输出值的冲突，计算实际数字电路中的逻辑值并设置标记，采用不可观性和不可控性的方法可识别实际数字电路中的冗余故障，进而可以对故障进行快速的分析和处理。这种方法可以降低电路故障的运算时间，提高测试的故障覆盖范围，有效解决实际数字电路高度集成、测试难度大的问题[4]。

参考文献

[1]王向丽，朱慧妍.探究数字电路故障检测与诊断[J].数字技术与应用，2013（11）：214-215.

[2]何新华，刘玉军.数字电路冗余状态确认研究[A].第十届全国容错计算会议论文集[C].

[3]梁业伟，杨志娟，石茵，魏道政.对数字电路中冗余故障的分析[J].计算机研究与发展，2001，38（12）：1429-1434.

[4]李珊琼.数字电路冗余故障的识别算法研究[J].数字技术与应用，2012（05）：113.

作者简介

李金哲（1980-），男，河北邯郸人，讲师，本科，研究方向：电子电工教学与应用。

于海红（1979-），男，一级实习指导教师，本科，研究方向：机电一体化。endprint