示波器作為“工程師的眼睛”之應(yīng)用案例

　　ScopeArt按語：

　　又是一個和探頭，接地相關(guān)的真實調(diào)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。這令我想起有位老采購說的：最容易出問題的物料就三樣：電源，晶振和接插件。在發(fā)現(xiàn)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。

　　2014年7月份，我們啟動了電能質(zhì)量高端設(shè)備開發(fā)項目。這個項目的技術(shù)需求是采樣點多，數(shù)據(jù)率高，算法復(fù)雜，數(shù)據(jù)存儲量大，網(wǎng)絡(luò)接口多，高級應(yīng)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(gòu)建硬件平臺來滿足產(chǎn)品需求。通過對多家處理器進(jìn)行分析? 比對，最終一個全新的硬件架構(gòu)出爐了：以雙核CPU配上FPGA，Switch，DOM盤等來實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取，傳輸，計算，存儲，通信等功能。經(jīng)過一番努力，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)主要器件測試后，我們進(jìn)入小系統(tǒng)外圍器件的開發(fā)環(huán)節(jié)，在做SATA-DOM盤測試時，發(fā)現(xiàn)了DOM盤無法連接的問題。在軟件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(wěn)定鎖定，導(dǎo)致控制器無法正常工作。在公司內(nèi)部尋找測試高速信號的示波器，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，根本無法看到波形，從而無法判斷是原理設(shè)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(zhǔn)備配置高端示波器了，由于采購流程很長，一直處于在Tek，R&S，Agilent三家聯(lián)系和產(chǎn)品評估中。通過我們的采購很快聯(lián)系上這三家公司的銷售，R&S是在聯(lián)系之后，以最快的速度，率先給我們發(fā)來測試示波器樣機(jī)的廠家，正是雪中送碳，久旱逢甘霖啊!拿到示波器測試樣機(jī)的當(dāng)天，我就快速拆封上電，準(zhǔn)備信號測試了。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，操作起來相對生澀。經(jīng)過簡單摸索后，基本能做簡單測試了，但是要進(jìn)行高速信號測量還不能快速搞定，只能求助技術(shù)支持了。通過采購順利聯(lián)系上銷售工程師-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)行高速信號測量，并抓到了時鐘波形。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)場培訓(xùn)指導(dǎo)?；谧サ降臅r鐘波形，我們展開全面分析，李工深厚的技術(shù)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(jié)論是：硬件原理設(shè)計上不存在太多的問題。這是一個LVDS時鐘晶振發(fā)出差分LVDS 時鐘后，通過交流耦合連到CPU側(cè)(圖)。

　　原理上找不到問題，只能集中精力測量波形并進(jìn)行詳細(xì)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(cè)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(zhì)量在CPU端差，信號差分?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針對這個輸入時鐘信號無法鎖定，也是理所但然的。難道是PCB設(shè)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(小于器件資料的2000mil)。

　　再仔細(xì)分析PCB設(shè)計，滿足器件資料的布局布線要求，且也符合多年高速設(shè)計經(jīng)驗。理論上應(yīng)該不存在問題，怎么會有這么奇怪的波形呢?難道是CPU負(fù)載側(cè)有問題?聯(lián)系CPU的技術(shù)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，芯片接地是否正確等等。通過實驗，依次排除這些因素。

　　那么此時，只能進(jìn)行全面信號測量詳細(xì)分析了。首先是晶振外圍電路測量。應(yīng)用R&S的示波器，選擇交流耦合測量方式，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，由于這個供電來自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)，再次測試發(fā)現(xiàn)PLL仍然不能鎖定，CPU側(cè)測試波形依然不符合LVDS信號標(biāo)準(zhǔn)。但是在測量過程中偶然發(fā)現(xiàn)一個異常，就是用R&S單端無源探頭來測量晶振輸出側(cè)的信號電壓時，發(fā)現(xiàn)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(fù)端，探針頂住信號正端。這是個什么情況，百思不得其解啊……完全顛覆了我們的認(rèn)識了?，F(xiàn)在開始懷疑，該差分晶振是否存在質(zhì)量問題。

　　那么接下來針對晶振，根據(jù)器件提供的廠家資料中描述的測試方式進(jìn)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(xiàn)有負(fù)載，在差分PN信號間跨接100歐電阻，再進(jìn)行信號測量，發(fā)現(xiàn)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(yán)重(與圖1和圖2類似)。由此，基本可以得出結(jié)論：那就是晶振通過非正規(guī)途徑購買的，其質(zhì)量之差，唉，無語啊! 根據(jù)上述測試情況，這里總結(jié)了有兩個問題，分別制定驗證解決方案：

　　? 通過正規(guī)渠道，再購買差分晶振，準(zhǔn)備測試;

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

　　針對方案二，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：例如負(fù)端飛線，通過串聯(lián)電阻，電容等方式接地，均無法匹配探頭底線接觸的現(xiàn)象。后來仔細(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，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(fā)現(xiàn)有個很小的電壓壓差。

　　圖4 測試組網(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(fù)極時，PLL也無法鎖定了。

　　圖5 工地測試組網(wǎng)圖

　　由此可見，這個問題與示波器及探頭本身沒有關(guān)系。通過分析發(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。此時得出結(jié)論，在當(dāng)前不良的晶振負(fù)端接入某個幅度的直流電壓時，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信號的質(zhì)量。因此，做了另外一個實驗，通過將差分晶振負(fù)端飛線到1.2V電壓上(圖6)，人為提供1.2V共模電壓，這時發(fā)現(xiàn)PLL鎖定成功，DOM盤正常工作了。

　　圖6 差分信號負(fù)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：盡管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，我們采購到了臺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)一步驗證了初始使用的差分晶振是存在質(zhì)量問題的。當(dāng)然，針對新的差分晶振，我們也進(jìn)行 了詳細(xì)的波形測試圖9和圖10，發(fā)現(xiàn)指標(biāo)與器件資料一致，且符合LVDS 信號標(biāo)準(zhǔn)。且針對DOM盤進(jìn)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(zhǔn)確測量，并拿到想要的波形，給我們分析問題提供了有力的證據(jù)，方便迅捷的窗口界面觸摸操作，大大提升了測量的速度。同時，感謝楊毓和李星的大力支持。