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)：

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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