示波器作为“工程师的眼睛”之应用案例

ScopeArt按语：

又是一个和探头，接地相关的真实调试案例!

有些电路本来没有问题，连接上探头就有问题了;有些电路本来有问题，接上探头又没有问题了。两种情况下的根源可能大不一样，但一定是有一个没有被挖出来的根源。

来自西门子公司的李工和R&S的李工一起，追根溯源，搞明白了原来问题出在晶振的“来料不良”上。这令我想起有位老采购说的：最容易出问题的物料就三样：电源，晶振和接插件。在发现问题的过程中，我们可以看到示波器作为“工程师的眼睛”的价值。

2014年7月份，我们启动了电能质量高端设备开发项目。这个项目的技术需求是采样点多，数据率高，算法复杂，数据存储量大，网络接口多，高级应用多等。面临这样的情况，我们通过大量分析和评估，决定新构建硬件平台来满足产品需求。通过对多家处理器进行分析? 比对，最终一个全新的硬件架构出炉了：以双核CPU配上FPGA，Switch，DOM盘等来实现数据获取，传输，计算，存储，通信等功能。经过一番努力，很快我们的板卡打样回板，并完成了SMT，正式进入软硬件调试阶段。在完成小系统(CPU，DDR，Flash等)主要器件测试后，我们进入小系统外围器件的开发环节，在做SATA-DOM盘测试时，发现了DOM盘无法连接的问题。在软件工程师的配合测试下，很快定位出是差分晶振输出给CPU的差分LVDS参考时钟未能稳定锁定，导致控制器无法正常工作。在公司内部寻找测试高速信号的示波器，发现基本都是带宽很低的示波器，且不配有有源差分探头，根本无法看到波形，从而无法判断是原理设计问题，还是PCB，或器件焊接及其它问题，项目就此卡住了。接下来就是一顿满地找能用的示波器过程了，那个汗啊!

真是赶巧，我们公司早准备配置高端示波器了，由于采购流程很长，一直处于在Tek，R&S，Agilent三家联系和产品评估中。通过我们的采购很快联系上这三家公司的销售，R&S是在联系之后，以最快的速度，率先给我们发来测试示波器样机的厂家，正是雪中送碳，久旱逢甘霖啊!拿到示波器测试样机的当天，我就快速拆封上电，准备信号测试了。由于之前一直用另外两家的示波器，初始使用R&S的示波器，其软件界面及操作按钮均不是很熟悉，操作起来相对生涩。经过简单摸索后，基本能做简单测试了，但是要进行高速信号测量还不能快速搞定，只能求助技术支持了。通过采购顺利联系上销售工程师-杨毓，在其帮助下，又快速联系上了技术支持工程师-李星。在李工的远程协助下，很快可以进行高速信号测量，并抓到了时钟波形。李工担心我这边搞不好，又在第二天上午赶到我们公司，进行现场培训指导。基于抓到的时钟波形，我们展开全面分析，李工深厚的技术知识，对我这个诡异问题的分析提供了重要思路。

先是原理分析，初步结论是：硬件原理设计上不存在太多的问题。这是一个LVDS时钟晶振发出差分LVDS 时钟后，通过交流耦合连到CPU侧(图)。
  


原理上找不到问题，只能集中精力测量波形并进行详细分析了。通过R&S示波器，用有源差分探头(图1)和有源单端探头在CPU侧来捕获时钟输出波形(图2)。
  


图1差分探头测得图
  


图2单端探头测得图

从图可知：时钟质量在CPU端差，信号差分摆幅不够，而且共模电压超出范围，且波形畸变严重。CPU侧的PLL针对这个输入时钟信号无法锁定，也是理所但然的。难道是PCB设计有问题?PCB走线的截图如下：
  


图中：U2为差分晶振，晶振背面的C101和C102为交流耦合电容。PCB的走线为：线宽8mil，线间距16mil，差分等长控制在5mil，总线长1550mil(小于器件资料的2000mil)。

再仔细分析PCB设计，满足器件资料的布局布线要求，且也符合多年高速设计经验。理论上应该不存在问题，怎么会有这么奇怪的波形呢?难道是CPU负载侧有问题?联系CPU的技术支持，通过对原理图和PCB分析，很快得到一些可能存在问题的信息：末端跨接电阻是否焊接，芯片接地是否正确等等。通过实验，依次排除这些因素。

那么此时，只能进行全面信号测量详细分析了。首先是晶振外围电路测量。应用R&S的示波器，选择交流耦合测量方式，发现晶振的供电电源纹波很大，3.3V直流电的纹波达到100mv左右，由于这个供电来自DC/DC电源，存在这么大的纹波有可能导致晶振输出异常。飞线取LDO输出的3.3V(确认纹波小于10mv)，再次测试发现PLL仍然不能锁定，CPU侧测试波形依然不符合LVDS信号标准。但是在测量过程中偶然发现一个异常，就是用R&S单端无源探头来测量晶振输出侧的信号电压时，发现PLL竟然锁上了。此时是将单端探头的接地线接在LVDS信号的负端，探针顶住信号正端。这是个什么情况，百思不得其解啊……完全颠覆了我们的认识了。现在开始怀疑，该差分晶振是否存在质量问题。

那么接下来针对晶振，根据器件提供的厂家资料中描述的测试方式进行裸片供电测量。其图纸：(图3)
  


图3 推荐测试电路

将晶振直接飞线供上3.3V的电，断开现有负载，在差分PN信号间跨接100欧电阻，再进行信号测量，发现晶振输出确实有问题，其差分信号和单端信号输出摆幅小，信号畸变严重(与图1和图2类似)。由此，基本可以得出结论：那就是晶振通过非正规途径购买的，其质量之差，唉，无语啊! 根据上述测试情况，这里总结了有两个问题，分别制定验证解决方案：

· 通过正规渠道，再购买差分晶振，准备测试;

· 分析为什么在R&S示波器无源探头地线接到差分信号负端的情况，能使信号质量改善;

针对方案二，模拟探头标明的电阻，电容分布参数，又进行了一些试验：例如负端飞线，通过串联电阻，电容等方式接地，均无法匹配探头底线接触的现象。后来仔细分析发现，我的单板供电直流稳压电源的输出电压的地线与市电电力线未共地(图4)，即图中虚线未连接。此时，用万用表测试示波器探头的地线与直流源(-端)输出的GND 之间，发现有个很小的电压压差。
  


图4 测试组网图

当完成Earth共地后(接上虚线)，采用下图5组网测试，此时PLL仍无法锁存，再用示波器探头的地线连接差分信号负极时，PLL也无法锁定了。
  


图5 工地测试组网图

由此可见，这个问题与示波器及探头本身没有关系。通过分析发现：由于探头地接的是电力线准大地，与稳压电源输出地之间是浮空关系，存在一些电压差。此时得出结论，在当前不良的晶振负端接入某个幅度的直流电压时，相当于提高了差分晶振输入的共模电压，一定程度上改善LVDS信号的质量。因此，做了另外一个实验，通过将差分晶振负端飞线到1.2V电压上(图6)，人为提供1.2V共模电压，这时发现PLL锁定成功，DOM盘正常工作了。
  


图6 差分信号负极飞线测试图

此时用有源差分和有源单端探头测得波形：
  


图7 有源差分探头测得图
  


图8 有源单端测得图

从上两张图可得：尽管PLL锁定了，但是还能看出P，N信号不是180度交叉的，共模电压也不对，但是此时的差分信号摆幅够大见图7，能够使LVDS的PLL工作。针对第一种方案，我们采购到了台湾某家公司的差分晶振，焊接完后，SATA-DOM直接就能稳定工作了，进一步验证了初始使用的差分晶振是存在质量问题的。当然，针对新的差分晶振，我们也进行 了详细的波形测试图9和图10，发现指标与器件资料一致，且符合LVDS 信号标准。且针对DOM盘进行读写文件压力测试，到目前为止工作正常，这个问题也得到了圆满的解决。
  


图9 有源差分探头测得图
  


图10 有源单端测得图

在整个问题定位解决过程中，R&S示波器确实起到了”工程师眼睛”的作用，对高速被测信号的准确测量，并拿到想要的波形，给我们分析问题提供了有力的证据，方便迅捷的窗口界面触摸操作，大大提升了测量的速度。同时，感谢杨毓和李星的大力支持。