示波器作为“工程师的眼睛”之应用案例

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：
 

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[page]

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。