晶振不起振某某伺服驱动控制板上电无显示原因分析.docx

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晶振不起振某某伺服驱动控制板上电无显示原因分析

某某伺服驱动控制板上电无显示原因分析

张道勇

一、现象：

生产车间在生产至出厂检测流程中，某某伺服驱动系统出现上电无显示，或显示异常，显示板按键无反应现象。

二、原因

控制板晶振不起振或晶振与DSP内部谐振电路谐振不起来，导致伺服驱动上电无显示。

三、结论

晶振电路动态阻抗不匹配是导致晶振未起振，即上电无显示的主要原因。

四、措施

方案一、在现有PCB板不做改动的情况下，可在晶振的电路中，增加一个阻值为1M欧姆的电阻。

电阻手工焊接。

方案二、修改PCB板。

晶振电路延用无源晶振，需增加1M欧姆的电阻一个。

方案三、修改PCB板。

晶振电路改用有源晶振，成本预计将会提升2元左右RMB。

注1：

某某伺服由于光耦等器件的采购问题，已由以前的直插封装改为贴片或直插、贴片兼容的封装，晶振电路也已改用有源晶振。

新版本的某某伺服控制板预计六月份可批量生产。

附：

实验数据

某某伺服驱动控制板上电无显示原因分析

一、实验现象：

生产车间在生产至出厂检测流程中，某某（保密需要，敬请谅解）伺服驱动系统出现上电无显示，或显示异常，显示板按键无反应现象。

二、实验仪器：

示波器：

TDS2024B

数字电桥：

TH2817型LCR数字电桥

万用表：

FLUKE111

热风枪：

帕尔850-A

某某伺服驱动，三台，编号：

三、实验相关电路：

四、显示板上电无显示的原因分析：

正常显示的波形CH1：

XTAL1波形CH2：

XTAL2波形

显示板无显示的波形CH1：

XTAL1波形CH2：

XTAL2波形

显示板无显示的上电瞬间波形CH1：

XTAL1波形CH2：

XTAL2波形

显示板无显示的上电瞬间波形（上图的放大）CH1：

XTAL1波形CH2：

XTAL2波形

注：

CH1、CH2示波器探头采用×10档。

对应示波器探头带宽200M。

结论：

控制板晶振不起振或晶振与DSP内部谐振电路谐振不起来，导致伺服驱动上电无显示。

五、晶振不起振原因分析：

上图为较全面的无源晶振电路应用原理图。

电阻R623常用来防止晶振被过分驱动。

电容C300为晶振相位调节电容；电容C301为晶振增益调节电容。

晶振匹配电容的主要作用是匹配晶振和振荡电路，使电路易于起振，并处于合理的激励态下，对频率也有一定的“微调”作用。

正确选择晶振的匹配电容，关键是微调晶体的激励状态，避免过激励或欠激励，前者使晶体容易老化，影响使用寿命并导致振荡电路EMC特性变劣，而后者则不易起振，工作亦不稳定。

在许可范围内，电容C300、C301容值越低越好。

容值偏大有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间；C301容值大于C300容值，可使上电时，加快晶振起振。

因每一种晶振都有各自的特性，所以最好按制造厂商所提供的数值选择外部元器件。

TI公司提供的晶振谐振电容参数：

C300=20pF、C301=20pF。

晶振不起振或晶振时振时不振的情况，主要是晶振的活力不足，可考虑以下几种原因：

●晶振两端在工作时的动态阻抗问题，此阻抗有一定的范围，因而可在设计时，并联一个阻值达几百K及以上的电阻来稳定动态阻抗；

●晶体的负载电容匹配问题；

●焊接时，波峰焊（针对直插器件）、回流焊（针对表面贴器件）或烙铁的温度太高；

●给晶振供电的电源纹波是否过大或主芯片的电源纹波是否过大；

●外界环境的影响，比如温度等；

●如果测试起振，后再不振了，多半是晶振已损坏，这主要是晶振装配不良造成。

六、实验数据

●考虑电源的波动对晶振起振的影响：

显示板正常显示时的波形CH3：

3V3电压测试点

显示板无显示的波形

显示板无显示时，电源3V3纹波电压的测量

显示板正常显示时，电源3V3纹波电压的测量

小结：

测量电源的波动对晶振起振的影响，电源稳定，基本无波动。

●考虑DSP锁向环PLL回路对晶振起振的影响：

◆重焊PLL相关的R300电阻、C302电容、C303电容，现象依旧；

◆烙铁拿掉R300电阻、C302电容、C303电容，用数字电桥测量，电容：

15nF电容为15.016nF、680nF电容为722.5nF；用万用表测量电阻，测量为11.3欧姆。

此几种数据都在器件偏差范围内。

◆焊上新的相同容值的电容与相同阻值的电阻，上电无显示现象依然出现。

小结：

晶振不起振与PLL回路相关性基本没有。

●考虑温度对晶振起振的影响

◆用热风枪加热DSP与晶振的区域后，上电，下电，基本上没有出现无显示的现象。

◆待DSP与晶振的加热区域冷却后，无显示的现象依旧出现。

◆上电出现无显示的现象后，加热DSP与晶振的区域，晶振依然不起振。

小结：

晶振或DSP芯片内晶振的起振电路受温度的影响，温度高，易起振。

●考虑生产工艺，比如助焊剂、波峰焊接温度对晶振起振的影响

◆用烙铁重新焊接晶振的管脚，待晶振冷却后，上电无显示的现象依旧出现。

排除晶振虚焊的可能。

◆用烙铁重新焊接C300、C301电容，冷却后，上电无显示的现象依旧出现。

排除电容被虚焊的可能。

◆生产车间用波峰焊焊接晶振，焊接仪器工作温度在250度左右，松香为助焊剂，波峰焊接后，不用再清洗PCB板，只是目检有无短路等缺陷。

排除焊接温度过高，导致晶振失效的可能。

●考虑晶体的负载电容匹配问题；

◆烙铁拿掉C300电容、C301电容，用数字电桥测量，电容容值分别为22.9nF、21.9nF。

此几种数据都在器件偏差范围内。

重新焊上C300、C301电容，现象依旧。

交换两个电容的控制板上的焊接位置，上电无显示的现象依旧出现。

◆C300=10pF，C301=47pF，出现上电无显示的现象；

◆C300=10pF，C301=33pF，出现上电无显示的现象；

◆C300=10pF，C301=22pF，出现上电无显示的现象。

●考虑晶振动态阻抗匹配问题

◆在晶振的两端，标号XTAL1与标号XTAL2之间，焊上R622电阻，1M欧姆。

上电、下电百余次，未发现上电无显示，即晶振未起振的现象。

◆焊掉R622电阻后，上电无显示的现象依旧出现。

◆上电出现无显示的现象后，用镊子或电阻R622触碰一下电容C300的标号XTAL1的管脚与电容C301的标号XTAL2的管脚，晶振立即起振。

这是因为此时晶振的电路有足够的扰动，很容易建立振荡。

◆晶振两端没有焊上R622电阻的波形

◆晶振两端焊上R622电阻的波形

小结：

◆晶振电路动态阻抗不匹配是导致晶振未起振，即上电无显示的主要原因。

◆在晶振的两端增加1M欧姆的电阻，晶振的波形（幅值、频率）基本没有改变。

七、实验结论

晶振电路动态阻抗不匹配是导致晶振未起振，即上电无显示的主要原因。

在TI官网上，下载TMS320LF2407的资料，在PDF文件中，有如下的一段文字：

此段文字，建议增加一个1M欧姆的电阻在晶振的两端，以使晶振稳定谐振。

八、实验室验证

在实验室与生产车间，进行高低温实验，考虑温度对晶振起振、谐振稳定性的影响。

样机均为生产车间高温老化室出现过多次上电无显示现象的某某伺服驱动系统（上电无显示的概率约为10%）在此伺服驱动系统中，增加一个1M欧姆的电阻在晶振的两端，之后，进行如下的高低温实验：

实验方案

样机数量

实验结果

实验室高温实验：

高温试验箱温度为60度，试品不上电，24小时后，对试品进行通断电实验1小时，每次通断电间隔时间5至10秒。

记录试品有无上电异常现象。

3台

PASS

没有出现上电异常现象

实验室低温实验：

低温试验箱温度为零下20度（-20℃），试品不上电，24小时后，对试品进行通断电实验1小时，每次通断电间隔时间5至10秒。

记录试品有无上电异常现象。

3台

PASS

没有出现上电异常现象

生产车间高温实验：

高温试验箱温度为60度，试品不上电，温度到达后，再过2小时，对试品进行通断电实验1小时，每次通断电间隔时间5至10秒。

记录试品有无上电异常现象。

10台左右

PASS

没有出现上电异常现象

生产车间低温实验：

低温试验箱温度为零下20度（-20℃），试品不上电，温度到达后，再过2小时，对试品进行通断电实验1小时，每次通断电间隔时间5至10秒。

记录试品有无上电异常现象。

10台左右

PASS

没有出现上电异常现象

九、解决方案

方案一、在现有PCB板不做改动的情况下，可在晶振的电路中，增加电阻R622，阻值1M欧姆。

电阻手工焊接。

方案二、修改PCB板。

晶振电路延用无源晶振，需增加1M欧姆的电阻一个。

方案三、修改PCB板。

晶振电路改用有源晶振，成本预计将会提升2元左右RMB。

注：

某某伺服由于光耦等器件的采购问题，已由以前的直插封装改为贴片或直插、贴片兼容的封装，晶振电路也已改用有源晶振。

新版本的某某伺服控制板预计六月份可批量生产。

报告人：

张道勇