示波器作為“工程師的眼睛”之應(yīng)用案例

　　ScopeArt按語(yǔ)：

　　又是一個(gè)和探頭，接地相關(guān)的真實(shí)調(diào)試案例!

　　有些電路本來(lái)沒(méi)有問(wèn)題，連接上探頭就有問(wèn)題了;有些電路本來(lái)有問(wèn)題，接上探頭又沒(méi)有問(wèn)題了。兩種情況下的根源可能大不一樣，但一定是有一個(gè)沒(méi)有被挖出來(lái)的根源。

　　來(lái)自西門(mén)子公司的李工和R&S的李工一起，追根溯源，搞明白了原來(lái)問(wèn)題出在晶振的“來(lái)料不良”上。這令我想起有位老采購(gòu)說(shuō)的：最容易出問(wèn)題的物料就三樣：電源，晶振和接插件。在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的過(guò)程中，我們可以看到示波器作為“工程師的眼睛”的價(jià)值。

　　2014年7月份，我們啟動(dòng)了電能質(zhì)量高端設(shè)備開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目的技術(shù)需求是采樣點(diǎn)多，數(shù)據(jù)率高，算法復(fù)雜，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，網(wǎng)絡(luò)接口多，高級(jí)應(yīng)用多等。面臨這樣的情況，我們通過(guò)大量分析和評(píng)估，決定新構(gòu)建硬件平臺(tái)來(lái)滿足產(chǎn)品需求。通過(guò)對(duì)多家處理器進(jìn)行分析? 比對(duì)，最終一個(gè)全新的硬件架構(gòu)出爐了：以雙核CPU配上FPGA，Switch，DOM盤(pán)等來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取，傳輸，計(jì)算，存儲(chǔ)，通信等功能。經(jīng)過(guò)一番努力，很快我們的板卡打樣回板，并完成了SMT，正式進(jìn)入軟硬件調(diào)試階段。在完成小系統(tǒng)(CPU，DDR，F(xiàn)lash等)主要器件測(cè)試后，我們進(jìn)入小系統(tǒng)外圍器件的開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，在做SATA-DOM盤(pán)測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)了DOM盤(pán)無(wú)法連接的問(wèn)題。在軟件工程師的配合測(cè)試下，很快定位出是差分晶振輸出給CPU的差分LVDS參考時(shí)鐘未能穩(wěn)定鎖定，導(dǎo)致控制器無(wú)法正常工作。在公司內(nèi)部尋找測(cè)試高速信號(hào)的示波器，發(fā)現(xiàn)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(wú)法看到波形，從而無(wú)法判斷是原理設(shè)計(jì)問(wèn)題，還是PCB，或器件焊接及其它問(wèn)題，項(xiàng)目就此卡住了。接下來(lái)就是一頓滿地找能用的示波器過(guò)程了，那個(gè)汗啊!

　　真是趕巧，我們公司早準(zhǔn)備配置高端示波器了，由于采購(gòu)流程很長(zhǎng)，一直處于在Tek，R&S，Agilent三家聯(lián)系和產(chǎn)品評(píng)估中。通過(guò)我們的采購(gòu)很快聯(lián)系上這三家公司的銷(xiāo)售，R&S是在聯(lián)系之后，以最快的速度，率先給我們發(fā)來(lái)測(cè)試示波器樣機(jī)的廠家，正是雪中送碳，久旱逢甘霖啊!拿到示波器測(cè)試樣機(jī)的當(dāng)天，我就快速拆封上電，準(zhǔn)備信號(hào)測(cè)試了。由于之前一直用另外兩家的示波器，初始使用R&S的示波器，其軟件界面及操作按鈕均不是很熟悉，操作起來(lái)相對(duì)生澀。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單摸索后，基本能做簡(jiǎn)單測(cè)試了，但是要進(jìn)行高速信號(hào)測(cè)量還不能快速搞定，只能求助技術(shù)支持了。通過(guò)采購(gòu)順利聯(lián)系上銷(xiāo)售工程師-楊毓，在其幫助下，又快速聯(lián)系上了技術(shù)支持工程師-李星。在李工的遠(yuǎn)程協(xié)助下，很快可以進(jìn)行高速信號(hào)測(cè)量，并抓到了時(shí)鐘波形。李工擔(dān)心我這邊搞不好，又在第二天上午趕到我們公司，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)指導(dǎo)?；谧サ降臅r(shí)鐘波形，我們展開(kāi)全面分析，李工深厚的技術(shù)知識(shí)，對(duì)我這個(gè)詭異問(wèn)題的分析提供了重要思路。

　　先是原理分析，初步結(jié)論是：硬件原理設(shè)計(jì)上不存在太多的問(wèn)題。這是一個(gè)LVDS時(shí)鐘晶振發(fā)出差分LVDS 時(shí)鐘后，通過(guò)交流耦合連到CPU側(cè)(圖)。

　　原理上找不到問(wèn)題，只能集中精力測(cè)量波形并進(jìn)行詳細(xì)分析了。通過(guò)R&S示波器，用有源差分探頭(圖1)和有源單端探頭在CPU側(cè)來(lái)捕獲時(shí)鐘輸出波形(圖2)。

　　圖1差分探頭測(cè)得圖

　　圖2單端探頭測(cè)得圖

　　從圖可知：時(shí)鐘質(zhì)量在CPU端差，信號(hào)差分?jǐn)[幅不夠，而且共模電壓超出范圍，且波形畸變嚴(yán)重。CPU側(cè)的PLL針對(duì)這個(gè)輸入時(shí)鐘信號(hào)無(wú)法鎖定，也是理所但然的。難道是PCB設(shè)計(jì)有問(wèn)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(zhǎng)控制在5mil，總線長(zhǎng)1550mil(小于器件資料的2000mil)。

　　再仔細(xì)分析PCB設(shè)計(jì)，滿足器件資料的布局布線要求，且也符合多年高速設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。理論上應(yīng)該不存在問(wèn)題，怎么會(huì)有這么奇怪的波形呢?難道是CPU負(fù)載側(cè)有問(wèn)題?聯(lián)系CPU的技術(shù)支持，通過(guò)對(duì)原理圖和PCB分析，很快得到一些可能存在問(wèn)題的信息：末端跨接電阻是否焊接，芯片接地是否正確等等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，依次排除這些因素。

　　那么此時(shí)，只能進(jìn)行全面信號(hào)測(cè)量詳細(xì)分析了。首先是晶振外圍電路測(cè)量。應(yīng)用R&S的示波器，選擇交流耦合測(cè)量方式，發(fā)現(xiàn)晶振的供電電源紋波很大，3.3V直流電的紋波達(dá)到100mv左右，由于這個(gè)供電來(lái)自DC/DC電源，存在這么大的紋波有可能導(dǎo)致晶振輸出異常。飛線取LDO輸出的3.3V(確認(rèn)紋波小于10mv)，再次測(cè)試發(fā)現(xiàn)PLL仍然不能鎖定，CPU側(cè)測(cè)試波形依然不符合LVDS信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。但是在測(cè)量過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)一個(gè)異常，就是用R&S單端無(wú)源探頭來(lái)測(cè)量晶振輸出側(cè)的信號(hào)電壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)PLL竟然鎖上了。此時(shí)是將單端探頭的接地線接在LVDS信號(hào)的負(fù)端，探針頂住信號(hào)正端。這是個(gè)什么情況，百思不得其解啊……完全顛覆了我們的認(rèn)識(shí)了?，F(xiàn)在開(kāi)始懷疑，該差分晶振是否存在質(zhì)量問(wèn)題。

　　那么接下來(lái)針對(duì)晶振，根據(jù)器件提供的廠家資料中描述的測(cè)試方式進(jìn)行裸片供電測(cè)量。其圖紙：(圖3)

　　圖3 推薦測(cè)試電路

　　將晶振直接飛線供上3.3V的電，斷開(kāi)現(xiàn)有負(fù)載，在差分PN信號(hào)間跨接100歐電阻，再進(jìn)行信號(hào)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)晶振輸出確實(shí)有問(wèn)題，其差分信號(hào)和單端信號(hào)輸出擺幅小，信號(hào)畸變嚴(yán)重(與圖1和圖2類(lèi)似)。由此，基本可以得出結(jié)論：那就是晶振通過(guò)非正規(guī)途徑購(gòu)買(mǎi)的，其質(zhì)量之差，唉，無(wú)語(yǔ)啊! 根據(jù)上述測(cè)試情況，這里總結(jié)了有兩個(gè)問(wèn)題，分別制定驗(yàn)證解決方案：

　　? 通過(guò)正規(guī)渠道，再購(gòu)買(mǎi)差分晶振，準(zhǔn)備測(cè)試;

　　? 分析為什么在R&S示波器無(wú)源探頭地線接到差分信號(hào)負(fù)端的情況，能使信號(hào)質(zhì)量改善;

　　針對(duì)方案二，模擬探頭標(biāo)明的電阻，電容分布參數(shù)，又進(jìn)行了一些試驗(yàn)：例如負(fù)端飛線，通過(guò)串聯(lián)電阻，電容等方式接地，均無(wú)法匹配探頭底線接觸的現(xiàn)象。后來(lái)仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，我的單板供電直流穩(wěn)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(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)試示波器探頭的地線與直流源(-端)輸出的GND 之間，發(fā)現(xiàn)有個(gè)很小的電壓壓差。

　　圖4 測(cè)試組網(wǎng)圖

　　當(dāng)完成Earth共地后(接上虛線)，采用下圖5組網(wǎng)測(cè)試，此時(shí)PLL仍無(wú)法鎖存，再用示波器探頭的地線連接差分信號(hào)負(fù)極時(shí)，PLL也無(wú)法鎖定了。

　　圖5 工地測(cè)試組網(wǎng)圖

　　由此可見(jiàn)，這個(gè)問(wèn)題與示波器及探頭本身沒(méi)有關(guān)系。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：由于探頭地接的是電力線準(zhǔn)大地，與穩(wěn)壓電源輸出地之間是浮空關(guān)系，存在一些電壓差。此時(shí)得出結(jié)論，在當(dāng)前不良的晶振負(fù)端接入某個(gè)幅度的直流電壓時(shí)，相當(dāng)于提高了差分晶振輸入的共模電壓，一定程度上改善LVDS信號(hào)的質(zhì)量。因此，做了另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)將差分晶振負(fù)端飛線到1.2V電壓上(圖6)，人為提供1.2V共模電壓，這時(shí)發(fā)現(xiàn)PLL鎖定成功，DOM盤(pán)正常工作了。

　　圖6 差分信號(hào)負(fù)極飛線測(cè)試圖

　　此時(shí)用有源差分和有源單端探頭測(cè)得波形：

　　圖7 有源差分探頭測(cè)得圖

　　圖8 有源單端測(cè)得圖

　　從上兩張圖可得：盡管PLL鎖定了，但是還能看出P，N信號(hào)不是180度交叉的，共模電壓也不對(duì)，但是此時(shí)的差分信號(hào)擺幅夠大見(jiàn)圖7，能夠使LVDS的PLL工作。針對(duì)第一種方案，我們采購(gòu)到了臺(tái)灣某家公司的差分晶振，焊接完后，SATA-DOM直接就能穩(wěn)定工作了，進(jìn)一步驗(yàn)證了初始使用的差分晶振是存在質(zhì)量問(wèn)題的。當(dāng)然，針對(duì)新的差分晶振，我們也進(jìn)行 了詳細(xì)的波形測(cè)試圖9和圖10，發(fā)現(xiàn)指標(biāo)與器件資料一致，且符合LVDS 信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。且針對(duì)DOM盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)文件壓力測(cè)試，到目前為止工作正常，這個(gè)問(wèn)題也得到了圓滿的解決。

　　圖9 有源差分探頭測(cè)得圖

　　圖10 有源單端測(cè)得圖

　　在整個(gè)問(wèn)題定位解決過(guò)程中，R&S示波器確實(shí)起到了”工程師眼睛”的作用，對(duì)高速被測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量，并拿到想要的波形，給我們分析問(wèn)題提供了有力的證據(jù)，方便迅捷的窗口界面觸摸操作，大大提升了測(cè)量的速度。同時(shí)，感謝楊毓和李星的大力支持。