又是一個(gè)和探頭，接地相關(guān)的真實(shí)調試案例！

　　

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。這令筆者想起有位老采購說(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)量高端設備開(kāi)發(fā)項目。這個(gè)項目的技術(shù)需求是采樣點(diǎn)多，數據率高，算法復雜，數據存儲量大，網(wǎng)絡(luò )接口多，高級應用多等。面臨這樣的情況，我們通過(guò)大量分析和評估，決定新構建硬件平臺來(lái)滿(mǎn)足產(chǎn)品需求。通過(guò)對多家處理器進(jìn)行分析？ 比對，最終一個(gè)全新的硬件架構出爐了：以雙核CPU配上FPGA，Switch，DOM盤(pán)等來(lái)實(shí)現數據獲取，傳輸，計算，存儲，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)入軟硬件調試階段。在完成小系統（CPU，DDR，Flash等）主要器件測試后，我們進(jìn)入小系統外圍器件的開(kāi)發(fā)環(huán)節，在做SATA-DOM盤(pán)測試時(shí)，發(fā)現了DOM盤(pán)無(wú)法連接的問(wèn)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(shí)鐘未能穩定鎖定，導致控制器無(wú)法正常工作。在公司內部尋找測試高速信號的示波器，發(fā)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(wú)法看到波形，從而無(wú)法判斷是原理設計問(wèn)題，還是PCB，或器件焊接及其它問(wèn)題，項目就此卡住了。接下來(lái)就是一頓滿(mǎn)地找能用的示波器過(guò)程了，那個(gè)汗??！

　　

真是趕巧，我們公司早準備配置高端示波器了，由于采購流程很長(cháng)，一直處于在Tek，R&S，Agilent三家聯(lián)系和產(chǎn)品評估中。通過(guò)我們的采購很快聯(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)測試示波器樣機的廠(chǎng)家，正是雪中送碳，久旱逢甘霖??！拿到示波器測試樣機的當天，筆者就快速拆封上電，準備信號測試了。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(lái)相對生澀。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單摸索后，基本能做簡(jiǎn)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(guò)采購順利聯(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。在李工的遠程協(xié)助下，很快可以進(jìn)行高速信號測量，并抓到了時(shí)鐘波形。李工擔心筆者這邊搞不好，又在第二天上午趕到我們公司，進(jìn)行現場(chǎng)培訓指導?；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，對筆者這個(gè)詭異問(wèn)題的分析提供了重要思路。

　　

先是原理分析，初步結論是：硬件原理設計上不存在太多的問(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（圖）。

原理上找不到問(wèn)題，只能集中精力測量波形并進(jìn)行詳細分析了。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側來(lái)捕獲時(shí)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(shí)鐘質(zhì)量在CPU端差，信號差分擺幅不夠，而且共模電壓超出范圍，且波形畸變嚴重。CPU側的PLL針對這個(gè)輸入時(shí)鐘信號無(wú)法鎖定，也是理所但然的。難道是PCB設計有問(wèn)題？

 

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(xiàn)為：線(xiàn)寬8mil，線(xiàn)間距16mil，差分等長(cháng)控制在5mil，總線(xiàn)長(cháng)1550mil（小于器件資料的2000mil）。

　　

再仔細分析PCB設計，滿(mǎn)足器件資料的布局布線(xiàn)要求，且也符合多年高速設計經(jīng)驗。理論上應該不存在問(wèn)題，怎么會(huì )有這么奇怪的波形呢？難道是CPU負載側有問(wèn)題？聯(lián)系CPU的技術(shù)支持，通過(guò)對原理圖和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，依次排除這些因素。

　　

那么此時(shí)，只能進(jìn)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(fā)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致晶振輸出異常。飛線(xiàn)取LDO輸出的3.3V（確認紋波小于10mv），再次測試發(fā)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(guò)程中偶然發(fā)現一個(gè)異常，就是用R&S單端無(wú)源探頭來(lái)測量晶振輸出側的信號電壓時(shí)，發(fā)現PLL竟然鎖上了。此時(shí)是將單端探頭的接地線(xiàn)接在LVDS信號的負端，探針頂住信號正端。這是個(gè)什么情況，百思不得其解啊……完全顛覆了我們的認識了?，F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)針對晶振，根據器件提供的廠(chǎng)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(xiàn)供上3.3V的電，斷開(kāi)現有負載，在差分PN信號間跨接100歐電阻，再進(jìn)行信號測量，發(fā)現晶振輸出確實(shí)有問(wèn)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(lèi)似）。由此，基本可以得出結論：那就是晶振通過(guò)非正規途徑購買(mǎi)的，其質(zhì)量之差，唉，無(wú)語(yǔ)??！ 根據上述測試情況，這里總結了有兩個(gè)問(wèn)題，分別制定驗證解決方案：

　　

　　

　　

針對方案二，模擬探頭標明的電阻，電容分布參數，又進(jìn)行了一些試驗：例如負端飛線(xiàn)，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(xiàn)接觸的現象。后來(lái)仔細分析發(fā)現，筆者的單板供電直流穩壓電源的輸出電壓的地線(xiàn)與市電電力線(xiàn)未共地（圖4），即圖中虛線(xiàn)未連接。此時(shí)，用萬(wàn)用表測試示波器探頭的地線(xiàn)與直流源（-端）輸出的GND 之間，發(fā)現有個(gè)很小的電壓壓差。

圖4 測試組網(wǎng)圖

當完成Earth共地后（接上虛線(xiàn)），采用下圖5組網(wǎng)測試，此時(shí)PLL仍無(wú)法鎖存，再用示波器探頭的地線(xiàn)連接差分信號負極時(shí)，PLL也無(wú)法鎖定了。

圖5 工地測試組網(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：由于探頭地接的是電力線(xiàn)準大地，與穩壓電源輸出地之間是浮空關(guān)系，存在一些電壓差。此時(shí)得出結論，在當前不良的晶振負端接入某個(gè)幅度的直流電壓時(shí)，相當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(gè)實(shí)驗，通過(guò)將差分晶振負端飛線(xiàn)到1.2V電壓上（圖6），人為提供1.2V共模電壓，這時(shí)發(fā)現PLL鎖定成功，DOM盤(pán)正常工作了。

圖6 差分信號負極飛線(xiàn)測試圖

　　

此時(shí)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(shí)的差分信號擺幅夠大見(jiàn)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(wèn)題的。當然，針對新的差分晶振，我們也進(jìn)行 了詳細的波形測試圖9和圖10，發(fā)現指標與器件資料一致，且符合LVDS 信號標準。且針對DOM盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)文件壓力測試，到目前為止工作正常，這個(gè)問(wèn)題也得到了圓滿(mǎn)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(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，對高速被測信號的準確測量，并拿到想要的波形，給我們分析問(wèn)題提供了有力的證據，方便迅捷的窗口界面觸摸操作，大大提升了測量的速度。