示波器作為"工程師的眼睛"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D是有一個(gè)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。這令筆者想起有位老采購(gòu)說的：Z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(jià)值。
2014年7月份，我們啟動(dòng)了電能質(zhì)量高端設(shè)備開發(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，我們通過大量分析和評(píng)估，決定新構(gòu)建硬件平臺(tái)來滿足產(chǎn)品需求。通過對(duì)多家處理器進(jìn)行分析? 比對(duì)，Z終一個(gè)全新的硬件架構(gòu)出爐了：以雙核CPU配上FPGA，Switch，DOM盤等來實(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)外圍器件的開發(fā)環(huán)節(jié)，在做SATA-DOM盤測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)了DOM盤無法連接的問題。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，根本無法看到波形，從而無法判斷是原理設(shè)計(jì)問題，還是PCB，或器件焊接及其它問題，項(xiàng)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(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。通過我們的采購(gòu)很快聯(lián)系上這三家公司的銷售，R&S是在聯(lián)系之后，以Z快的速度，率先給我們發(fā)來測(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，筆者就快速拆封上電，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，操作起來相對(duì)生澀。經(jīng)過簡(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。通過采購(gòu)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(hào)測(cè)量，并抓到了時(shí)鐘波形。李工擔(dān)心筆者這邊搞不好，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)。基于抓到的時(shí)鐘波形，我們展開全面分析，李工深厚的技術(shù)知識(shí)，對(duì)筆者這個(gè)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(jì)上不存在太多的問題。這是一個(gè)LVDS時(shí)鐘晶振發(fā)出差分LVDS 時(shí)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(cè)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(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)無法鎖定，也是理所但然的。難道是PCB設(shè)計(jì)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(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)有問題?聯(lián)系CPU的技術(shù)支持，通過對(duì)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(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)量過程中偶然發(fā)現(xiàn)一個(gè)異常，就是用R&S單端無源探頭來測(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。現(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(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(gòu)買的，其質(zhì)量之差，唉，無語啊! 根據(jù)上述測(cè)試情況，這里總結(jié)了有兩個(gè)問題，分別制定驗(yàn)證解決方案：
o 通過正規(guī)渠道，再購(gòu)買差分晶振，準(zhǔn)備測(cè)試;
o 分析為什么在R&S示波器無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)，筆者的單板供電直流穩(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也無法鎖定了。
圖5 工地測(cè)試組網(wǎng)圖
由此可見，這個(gè)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(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D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盤進(jìn)行讀寫文件壓力測(cè)試，到目前為止工作正常，這個(gè)問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)問題定位解決過程中，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。
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