示波器作為「工程師的眼睛」之應用案例

　　ScopeArt按語：

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/266043.htm

　　又是一個和探頭，接地相關的真實調試案例!

　　有些電路本來沒有問題，連接上探頭就有問題了;有些電路本來有問題，接上探頭又沒有問題了。兩種情況下的根源可能大不一樣，但一定是有一個沒有被挖出來的根源。

　　來自西門子公司的李工和R&S的李工一起，追根溯源，搞明白了原來問題出在晶振的「來料不良」上。這令我想起有位老採購說的：最容易出問題的物料就三樣：電源，晶振和接插件。在發現問題的過程中，我們可以看到示波器作為「工程師的眼睛」的價值。

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　　2014年7月份，我們啟動了電能質量高端設備開發項目。這個項目的技術需求是採樣點多，數據率高，算法複雜，數據存儲量大，網絡接口多，高級應用多等。面臨這樣的情況，我們通過大量分析和評估，決定新構建硬體平臺來滿足產品需求。通過對多家處理器進行分析̖ 比對，最終一個全新的硬體架構出爐了：以雙核CPU配上FPGA，Switch，DOM盤等來實現數據獲取，傳輸，計算，存儲，通信等功能。經過一番努力，很快我們的板卡打樣回板，並完成了SMT，正式進入軟硬體調試階段。在完成小系統(CPU，DDR，Flash等)主要器件測試後，我們進入小系統外圍器件的開發環節，在做SATA-DOM盤測試時，發現了DOM盤無法連接的問題。在軟體工程師的配合測試下，很快定位出是差分晶振輸出給CPU的差分LVDS參考時鐘未能穩定鎖定，導致控制器無法正常工作。在公司內部尋找測試高速信號的示波器，發現基本都是帶寬很低的示波器，且不配有有源差分探頭，根本無法看到波形，從而無法判斷是原理設計問題，還是PCB，或器件焊接及其它問題，項目就此卡住了。接下來就是一頓滿地找能用的示波器過程了，那個汗啊!

　　真是趕巧，我們公司早準備配置高端示波器了，由於採購流程很長，一直處於在Tek，R&S，Agilent三家聯繫和產品評估中。通過我們的採購很快聯繫上這三家公司的銷售，R&S是在聯繫之後，以最快的速度，率先給我們發來測試示波器樣機的廠家，正是雪中送碳，久旱逢甘霖啊!拿到示波器測試樣機的當天，我就快速拆封上電，準備信號測試了。由於之前一直用另外兩家的示波器，初始使用R&S的示波器，其軟體界面及操作按鈕均不是很熟悉，操作起來相對生澀。經過簡單摸索後，基本能做簡單測試了，但是要進行高速信號測量還不能快速搞定，只能求助技術支持了。通過採購順利聯繫上銷售工程師-楊毓，在其幫助下，又快速聯繫上了技術支持工程師-李星。在李工的遠程協助下，很快可以進行高速信號測量，並抓到了時鐘波形。李工擔心我這邊搞不好，又在第二天上午趕到我們公司，進行現場培訓指導。基於抓到的時鐘波形，我們展開全面分析，李工深厚的技術知識，對我這個詭異問題的分析提供了重要思路。

　　先是原理分析，初步結論是：硬體原理設計上不存在太多的問題。這是一個LVDS時鐘晶振發出差分LVDS 時鐘後，通過交流耦合連到CPU側(圖)。

　　  

 

　　原理上找不到問題，只能集中精力測量波形並進行詳細分析了。通過R&S示波器，用有源差分探頭(圖1)和有源單端探頭在CPU側來捕獲時鐘輸出波形(圖2)。

　　  

 

　　圖1差分探頭測得圖

　　  

 

　　圖2單端探頭測得圖

　　從圖可知：時鐘質量在CPU端差，信號差分擺幅不夠，而且共模電壓超出範圍，且波形畸變嚴重。CPU側的PLL針對這個輸入時鐘信號無法鎖定，也是理所但然的。難道是PCB設計有問題?PCB走線的截圖如下：

　　  

 

　　圖中：U2為差分晶振，晶振背面的C101和C102為交流耦合電容。PCB的走線為：線寬8mil，線間距16mil，差分等長控制在5mil，總線長1550mil(小於器件資料的2000mil)。

　　再仔細分析PCB設計，滿足器件資料的布局布線要求，且也符合多年高速設計經驗。理論上應該不存在問題，怎麼會有這麼奇怪的波形呢?難道是CPU負載側有問題?聯繫CPU的技術支持，通過對原理圖和PCB分析，很快得到一些可能存在問題的信息：末端跨接電阻是否焊接，晶片接地是否正確等等。通過實驗，依次排除這些因素。

　　那麼此時，只能進行全面信號測量詳細分析了。首先是晶振外圍電路測量。應用R&S的示波器，選擇交流耦合測量方式，發現晶振的供電電源紋波很大，3.3V直流電的紋波達到100mv左右，由於這個供電來自DC/DC電源，存在這麼大的紋波有可能導致晶振輸出異常。飛線取LDO輸出的3.3V(確認紋波小於10mv)，再次測試發現PLL仍然不能鎖定，CPU側測試波形依然不符合LVDS信號標準。但是在測量過程中偶然發現一個異常，就是用R&S單端無源探頭來測量晶振輸出側的信號電壓時，發現PLL竟然鎖上了。此時是將單端探頭的接地線接在LVDS信號的負端，探針頂住信號正端。這是個什麼情況，百思不得其解啊……完全顛覆了我們的認識了。現在開始懷疑，該差分晶振是否存在質量問題。

　　那麼接下來針對晶振，根據器件提供的廠家資料中描述的測試方式進行裸片供電測量。其圖紙：(圖3)

　　  

 

　　圖3 推薦測試電路

　　將晶振直接飛線供上3.3V的電，斷開現有負載，在差分PN信號間跨接100歐電阻，再進行信號測量，發現晶振輸出確實有問題，其差分信號和單端信號輸出擺幅小，信號畸變嚴重(與圖1和圖2類似)。由此，基本可以得出結論：那就是晶振通過非正規途徑購買的，其質量之差，唉，無語啊! 根據上述測試情況，這裡總結了有兩個問題，分別制定驗證解決方案：

　　• 通過正規渠道，再購買差分晶振，準備測試;

　　• 分析為什麼在R&S示波器無源探頭地線接到差分信號負端的情況，能使信號質量改善;

　　針對方案二，模擬探頭標明的電阻，電容分布參數，又進行了一些試驗：例如負端飛線，通過串聯電阻，電容等方式接地，均無法匹配探頭底線接觸的現象。後來仔細分析發現，我的單板供電直流穩壓電源的輸出電壓的地線與市電電力線未共地(圖4)，即圖中虛線未連接。此時，用萬用表測試示波器探頭的地線與直流源(-端)輸出的GND 之間，發現有個很小的電壓壓差。

　　  

 

　　圖4 測試組網圖

　　當完成Earth共地後(接上虛線)，採用下圖5組網測試，此時PLL仍無法鎖存，再用示波器探頭的地線連接差分信號負極時，PLL也無法鎖定了。

　　  

 

　　圖5 工地測試組網圖

　　由此可見，這個問題與示波器及探頭本身沒有關係。通過分析發現：由於探頭地接的是電力線準大地，與穩壓電源輸出地之間是浮空關係，存在一些電壓差。此時得出結論，在當前不良的晶振負端接入某個幅度的直流電壓時，相當於提高了差分晶振輸入的共模電壓，一定程度上改善LVDS信號的質量。因此，做了另外一個實驗，通過將差分晶振負端飛線到1.2V電壓上(圖6)，人為提供1.2V共模電壓，這時發現PLL鎖定成功，DOM盤正常工作了。

　　  

 

　　圖6 差分信號負極飛線測試圖

　　此時用有源差分和有源單端探頭測得波形：

　　  

 

　　圖7 有源差分探頭測得圖

　　  

 

　　圖8 有源單端測得圖

　　從上兩張圖可得：儘管PLL鎖定了，但是還能看出P，N信號不是180度交叉的，共模電壓也不對，但是此時的差分信號擺幅夠大見圖7，能夠使LVDS的PLL工作。針對第一種方案，我們採購到了臺灣某家公司的差分晶振，焊接完後，SATA-DOM直接就能穩定工作了，進一步驗證了初始使用的差分晶振是存在質量問題的。當然，針對新的差分晶振，我們也進行 了詳細的波形測試圖9和圖10，發現指標與器件資料一致，且符合LVDS 信號標準。且針對DOM盤進行讀寫文件壓力測試，到目前為止工作正常，這個問題也得到了圓滿的解決。

　　  

 

　　圖9 有源差分探頭測得圖

　　  

 

　　圖10 有源單端測得圖

　　在整個問題定位解決過程中，R&S示波器確實起到了」工程師眼睛」的作用，對高速被測信號的準確測量，並拿到想要的波形，給我們分析問題提供了有力的證據，方便迅捷的窗口界面觸摸操作，大大提升了測量的速度。同時，感謝楊毓和李星的大力支持。