是Clock太爛? 還是你量錯了?

  在上一篇「誰是誰非,還不知道咧!」文章的最後,我有提到,原本想要說一下示波器的事情。本篇就繼續延續「接地」的話題,來看看接地這件事情有多麼的.... 恩.... 重要。

  先說明一下,本文章並不是要教你怎麼使用示波器,而是要講一點點示波器量測上的小技巧,以協助工程師除錯。


  相信諸位工程師大德(或電資類的同學),應該或多或少都使用過示波器。示波器本機上會有幾個連接埠,讓你接上探棒(probe),然後你就可以拿這一根probe去探測電路中某個點的電壓波形。所量測到的波形,會顯示在示波器的螢幕上,讓你聞香一下。我們可以透過刻度、或是示波器的 measure 功能,進一步來度量波形。一般使用示波器的狀況,看起來會像下面這張借來的圖一樣 (來源):
Measuring frequency with the Digital Oscilloscope PCE-UT 2082C
Probe 長得像以下這樣 (圖片來源),右上角有一個勾勾,你可以勾住想探測的電路端點(針腳),你也可以把勾勾的套子拔掉!!!露出針頭,用針頭去觸碰待測的電路端點。然後,黑色的鱷魚夾,就要夾住電路板上的參考地(GND),讓示波器知道參考電壓。

 

故事來了....

之前在學校工作時,我的學生從事的實驗需要從 VSG(向量訊號產生器) 抓取 Digital I/Q,送到 FPGA 處理一下,再透過 DAC 丟給 Modulator (調制器)。所以,雖然是做RF,但還是得面對一下數位訊號的處理。既然面對數位訊號,難免會碰到 clock。那時候我們從 AWG 送的 clock 頻率多快我已經忘記了,可能是 20 MHz 吧!(我們的 scope 頻寬是 200 MHz)。

學生已經畢業許久,我想,就不再網誌中酸他們啦!! 畢竟以前被我酸的夠多了.... 所以下面我就描述一下類似的情境就好。

  當搭設的實驗有問題時,我們當然又要開始像無頭蒼蠅一樣,到處找屎吃!(喂~ 到處找問題啦!) 作為一個偉大的實驗者,你可能會拿起手邊的示波器,神之右手在桌上隨意一撈,就有幾支 probe!然後,夾上 Ground,就開始像個歐巴桑逛水果攤一樣,探棒就這裡探探、那裡刺刺的。 (頭家:免"Do"!保證脆!保證甜!)

學生:「靠北呀!找到 bug 了啦! 我就知道是 Clock 有問題!馬的 Clock 好爛喔.... 老師,你看啦!」 (心裡面想著這麼爛的 clock,會不會亂 trigger 電路,導致誤動作....)

  類似的圖,更嚴重的不是沒有.... 工程師有時候只是去廁所拉泡屎而已,回到實驗桌前,發現世界完全不同了!仿佛自己已經在廁所裡沉睡了三百年似的.... 此時,工程師一定要順便叫囂一下:「X!剛剛是誰動了我的東西.....」 此時,空氣一定凝結起來,變成所有人的一頭霧水。(反正就是要隨便找個人來牽拖一下就對了...)


好的!應學生要求!「我看!」....
當我看到上面那張圖的時候,我的眼角餘光已經帶到電路上去了.... (以下是示意圖)


以上,有什麼問題呢?看起來很正常啊!

  恩.... 是很正常!不過,我想確認的事情是:「Clock是不是真的那麼爛!」
特別在速度比較快的情況下(相信我,時脈在10來MHz以上你就很有機會碰到),我一定會做一件事情。這就跟我在「誰是誰非,還不知道咧!」文中談到的接地線電感效應有關了!

  當你 probe 下到電路時,探針是使用分壓的原理從待測端點抽出電壓訊號,再送給示波器 (從待側端點視入,可等效為戴維寧電路)。那麼經過這顆分壓電阻的電流,就會透過 probe 那條黑色鱷魚夾的路徑,流回板子。

  偏偏,這條接地線呢!真的還有點長.... 記得我們說過:「長短是一種相對的概念」嗎?這跟跑在上面的訊號頻率(或波長)有關。除了方波本身會帶有"基頻率"的整數倍頻,所以對高頻的成分而言,感受到這條線的效應將越明顯。另外,即便這條線可以視為短線,這條短線也會帶有電感效應(這部分我之後有時間再寫文章來談一下)。

  這個電感效應加上 probe 本身的輸入電容與輸入電阻,就會形成二階電路,訊號的響應將不再只是單純的阻尼衰減,還可能會有類似振盪的樣子發生,習慣上會稱作「Ringing現象」,中文也有人稱作「振鈴現象」。這其實沒有什麼好講的,就是電路學而已。控制系統中,我們設計二階回授系統,閉迴路響應就跟電路學的二階電路道理一樣。

我又要開始打臉了

基於以上的小小原理。為了確定板子跑的 clock 是不是真的很爛,我要做的事情,就是降低接地線的效應。怎麼做呢?像下圖這樣,脫掉 probe 的衣服,找到他的奶頭!.... ㄟㄟ... 最好是奶頭啦! 找到他上面有一圈接地金屬片,然後再從實驗桌上撈一條短一點的單芯線(或什麼導電性還OK的金屬類也可以)。然後呢,將探針下到待測點,同時將「短接地線」想辦法觸碰到電路上最近的接地處 (如果不好接,可以用烙鐵稍微點焊一下,或用膠帶暫時貼著也可,不要讓它亂動就好~)


這時候,你有很大的機會,會看到示波器上的圖形,會變得像下面的圖這樣:

傑克!這真的是太神奇了~~~~

  如果,你真的看到這樣的圖,你可以鬆一口氣了!因為不是 Clock 真的爛,而只是因為量測的手法有點問題而已。

所以,學生又要被我打臉了:「自己不會生,還要牽拖隔壁鄰居....」

後記

當電路有問題時,第一時間,千萬不要相信你眼睛所看到的。務必要先確定自己的量測環境、條件等各方面的基本問題都有先保證好,假使工程師沒有這種 sense,我坦白說,很可能你拿給你老闆看的量測結果常常都會是錯的.... (例如,真實的訊號沒有 ringing,可是你認為它在 ringing,然後你就準備去亂加匹配、源電阻等等。又或者對寬頻的閉迴路系統,你想用量測到的ringing去推算它的阻尼或頻寬,可能就會有問題)。量測環境的保證,其實不用想的太難,通常只是把儀器設備先做一些交叉測試、高頻低頻測試、或是儀器要先校正、探棒要先校正這一類的事情而已,例如:

1. 儀器頻寬夠嗎?
2. Probe 的頻寬夠嗎?
3. 取樣率對嗎?
4. Probe 使用前有先校正過嗎? (Probe上有一個補償旋鈕可以調)
5. 等等等....

  這邊要補充一下,上面的圖不一定只針對 clock,對於數位訊號,或是上升率很高的波形都適用。同時要強調一下,並不是看到 ringing 現象,或是波形醜醜的,就一定是接地線的問題。有時候可能真的是電路本身的問題(諧振),有時候是訊號反射 (比較有機會在上升緣看到階梯狀的東西,但也有可能像 ringing),有時候是某個週期性的訊號干擾,有時候呢,又可能是頻寬不夠的問題(Gibbs現象,抖動看起來是在全週期中均勻、對稱的)。

  總歸而言,我這裡並不是要討論可能產生 ringing 或波形變差的問題啦!
而是要說:「先把量測的因素排除掉!不要認為看到什麼,就傻傻的覺得電路就一定怎樣!


今天,你有學到新招了嗎?
希望這個小技巧,能為你的工作或研究帶來一點幫助哦!

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4 則留言:

  1. 請教.. 目前遇到一個狀況... 2根探棒..其中一根量測 OSC CLK.. 另一根量測 POWER noise... 當有量測 CLK 時.. power noise 會浮高.. 當單純量測 power noise 時.. noise 則變得很小... 不知這可能會是怎麼造成的呢? 感恩

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    1. Hello,您提的問題,我過去似乎也有經驗(好像蠻常碰到的),但我無法很確切地說這是什麼原因所造成的,因為想要確認是不是clock切換時的洩電流而造成浮動地,進而造成電源量測起來也變得浮動,有其困難性。我記得過去曾跟聯發科一位工程師討論過這個問題,但因量測上很難有方法釐清出問題(主要是無法量測 ground),也就沒有再進一步去探討。但我猜測應該還是跟接地方式有關。我想應該會有某種方法可以量測確認(也許需要一些 de-embedding 的程序才行),只是我個人知識還未有所及。
       
      另一方面,我過去曾經在協助某公司量測直流馬達時(內部電路有切換式電源),發現探棒很容易接受到輻射,對量測上的影響也不小。但我想跟您所述的情況較不相同,提出來與您分享一下。

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  2. 感恩回覆...
    另請教... 我將 200MHz 拉一條 20cm trace 出來發現.. 振幅比原本 1.8V 還高..快到2.5V..
    但線短時.. 振幅會變小.. 感覺不像是反射造成..只是..源頭量到是方波..但 20cm trace 後卻是正弦波...不知這是甚麼原因呢? 會拉這麼常是因為要 Rework 線到另一塊 PCB

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    1. Hello, 不曉得您所說的線, 在量測時有沒有接上負載? 或是直接 open 呢? 我認為這是反射所造成的問題, 如果方便測試的話, 可將 probe 放在線上的不同位置, 觀察測得波形的變化, 如果隨不同位置有變化產生, 那八九不離十應該就是反射的問題. 
       
      您所提到振幅會發生變化的情況, 如果是因為反射的關係, 這樣的結果還蠻正常的(阻抗轉換)。
      那麼方波變弦波的問題, 可能有幾種原因, 但以我聽您這樣說, 我的猜測是您 20cm 的線長剛好是所有 200 MHz 奇數諧波的 n+(m/4) 波長, 如果量測時尾端又開路, 這些奇次諧波剛好都會被短路掉. (一個理想對稱的方波, 是由它的 fundamental freq 的 1, 3, 5, 7, 9,... 倍頻的弦波所組成的)
       
      我的建議是, 如果您需要留長線, 那麼可以在您的基板上算出 200 MHz 弦波的波長為何, 例如算出來是 10 公分, 那麼就以其 "半波長" 5公分為倍數, 例如留 5, 10, 15, 20, 25 公分做線長, 這樣子就可以避免波形失真的情況(但並不是沒有反射, 這樣的效果也是反射所造成的)。
       
      那如果你算出來的一個波長是 50 公分,半波長是 25 公分, 那麼就留 25 公分的線長囉~ ( 板子若不夠大, 可以走蛇行線也無妨)
       
      阿對了, 要確定是不是反射的問題, 您除了改變 probe 量測的位置來觀察. 您也可以固定量測位置, 然後改變訊號源的頻率 (如果可以的話, 例如200MHz 調降為 150MHz之類的, 理論上, 當頻率發生變化時, 該位置量測到的特性, 若隨頻率的改變而有相應且週期性的變化, 那麼必然是反射所造成的)

      (200 MHz 的方波, 聽起來您用的儀器應該是頗高貴的呀.. XDD)

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