示波器使用实例

上一篇文章示波器的功能介绍示波器的基本功能，本文将结合以下在工程中常见的例子，使用示波器分析其波形：

• 测试电源
• 测试晶振
• LVDS差分信号观察
• 串行通信协议解码
  • UART
  • I2C

注意在使用示波器探头测量时，需要先接探头鳄鱼夹端到地线，再将探头放置到测试点。以下实验默认在使用示波器时，探头已经做好了补偿。

 

实验一：测试电源

测试FII-PRA006 FPGA开发板上的电源VCC3V3，因为RT8068是一个电压转换器，所以，在1 MHz的开关频率下，会产生电源纹波（ripple）。纹波可以看作是直流电压中的交流部分。注意在使用示波器观察纹波的时候需要将示波器的带宽调至20 MHz，避免有高频率的噪音出现，影响示波器结果。

图1 电源原理图

 

观察VCC3V3的波形时，注意将示波器的耦合模式调整为DC耦合（既显示直流成分，也显示交流成分），波形如下图所示。可以看出加上示波器自动测量的电压平均值为3.3V左右。虽然截图上电压看起来是稳定输出。但实际上，示波器测量峰-峰值仍然有80 mV左右。

图2 电源测量图

 

通过选择示波器AC耦合模式，将VCC3V3电压的直流成分去除。可以看出电源电压其实并不是稳定的直流，还是存在一定的波纹。

图3 电源中的交流成分

实验二：测量晶振

FII-PRA006上50 MHz晶振原理图如下图所示：

图4 晶振原理图

 

FII-PRA006上晶振测量，注意这里测量晶振时，添加了Trigger，使用的是边沿触发，注意将触发线移到晶振波形的边沿上。示波器的自动测量中，频率栏显示的是50 MHz，测量结果说明晶振的运行正常，如下图所示：

图5 晶振测量图

 

改变示波器横坐标的比例，放大晶振的波形，如下图所示：

图6 晶振测量图细节

 

实验三：LVDS差分信号

在之前的串行高速通讯系列文章高速通信分层设计—PRX100-D开发板实验(Xilinx)中，观察过LVDS信号，如下图所示。注意如果是观察LVDS差分信号需要两根表笔分别接在信号的p端和n端。

图7 差分信号测量

 

加上Edge Trigger后，可以清晰的观察到LVDS差分对信号

图8 Trigger条件设置后的LVDS信号

 

可以看出，对于高速的信号（尤其在示波器带宽不高的情况下），使用无源探头，效果不是很好（有过冲和振铃）。但是这里可以作两个channel之间的减法运算，进行观察。

图9 减法运算LVDS信号

 

实验四：串行通信协议

1.UART波形分析

在准备分析UART波形的时候，需要知道UART的波特率，是否有奇偶校验位，有1个或是2个停止位等等。下图所示为UART的波形，想要捕捉到UART波形，需要先设置Trigger，因为UART的协议中有明确的规定start位和stop位分别是下降沿/上升沿，所以这里设置Trigger类型为Edge，即边沿触发，如下图所示，边沿触发包括上升沿，下降沿，或者任意边沿。这里因为UART既有上升沿，也有下降沿，这三种trigger设置后都是能抓到波形的。

图10 Trigger条件设置后的UART信号

示波器捕捉到的UART波形如下图所示：

图11-1  解读UART数据

 

图11-2 解读UART数据

放大图像，已知UART的波特率115200，可以使用(1/115200) X 10 = 86.8 us（start + 8位数据 + stop，共10位数所占的时间长度）的横轴测量光标来读UART数据。如上图所示，将光标之间的delta（x）调整约为86.8 us，可以读出是0_11_00000_11。注意UART协议中是低位在前，所以去掉start位和stop位后，UART发出的第一个数是8’b1000_0011，即0x83。（如果碰到连续的长1或是长0不确定怎样读数，可以将光标调成更小的间隔，确认是多长的时间，再根据波特率进行读数，比如连续长0的时间持续了44us，那么对于波特率为115200的数据，大搞使用了5个8.6us的间隔，即大致有5个0）使用相同的方法，也可以继续读出之后的数据。

如果示波器有自带的串行解码的trigger，也可以善于利用，下图所示是示波器直接接收到UART信号后，根据设置的Trigger捕捉并解码的波形。

图12 Serial decode UART数据

 

2.I2C波形分析

在观察I2C波形的时候，需要同时使用两支表笔，channel 1和channel 2。Channel 1（黄色波形）连接的是SDA，channel 2（红色波形）连接的是SCL。参考SCL，可以将SDA上的数据自行解码。

图13 I2C SDA和SCL

将得到的I2C波形图稍放大一些，找到起始位，并根据SCL读出数据，根据I2C协议，可以读出当前I2C操作是要对地址为7’b1010_000的设备作写操作，并且请求发出后，已经有了ACK回应，如下图所示：

图14 解读I2C信号

后续的波形可以按照I2C协议继续分析，这里不多做介绍。

有些示波器支持Serial decode，下图是I2C decode的示意图，可以看到红色波形是SCL，黄色波形是SDA。同样这里关于Serial decode的设置不过多介绍，因为不同的示波器支持的功能也不相同，包括设置也不大相同。

图15 Serial decode I2C

 

实验五：示波器补充说明

1. 自动测量

大部分示波器都支持自动测量，支持的测量项目如下图所示，比较常用的自动测量有峰峰值，极大值，极小值，峰值，均值，标准差，均方根，周期，频率，上升时间，下降时间，带宽等。可以通过切换channel选择需要自动测量的通道。注意Measure处显示的正是自动测量的选项。黄色的测量是针对channel 1，红色的测量值是channel 2的。这里最多一次性只能显示4项自动测量的值。

图16 示波器自动测量

 

2. 光标测量

示波器支持横坐标的光标测量和纵坐标的光标测量（测量的虚线可以通过示波器控制移动和固定位置）。可以选择不同的channel进行测量。如图17所示，同时使用横，纵光标测量，测量得到的值在图18中有显示，可以看到有X1，X2，Y1，Y2，以及X1 – X2 （ΔX），1/ΔX，ΔY。

图17 光标测量

 

图18 光标测量结果

3. Trigger设置

示波器中的Trigger设置很重要，因为有些特定波形是突然产生的，即使使用示波器的RUN/STOP，保留显示最新采样的波形也不一定能捕捉到完整的波形，所以这个时候需要设置好Trigger，等待信号满足Trigger条件后，示波器自动帮助保留波形。示波器可以选择的Trigger条件如下所示：

图19 可以设置的Trigger条件

 

以最常用的Edge Trigger为例，选择了Trigger类型是Edge，Trigger的channel是channel 2之后，还需要调整Trigger Level，使其刚好可以穿过想要观察信号的边沿（上升沿或是下降沿）。

图20 设置Trigger Level

 

图21所示为示波器控制按钮调整Trigger Level（以下图示波器举例说明，实际控制按钮根据示波器的不同可能略有区别）。

图21 控制旋钮调整Trigger Level

 

图22所示为在控制旋钮时，示波器屏幕上显示的Trigger Level，以及Trigger Level所在的电平（3.00 V），一般来说，如果示波器通过触发条件得到的波形不是很稳定，可以通过略微调整Trigger Level，来得到更清晰的波形。

图22 设置Trigger Level

Trigger 类型除了Edge之外，还有其它的选择，关于其具体的使用，可以参考相关的示波器说明书，这里不多做介绍。

总结

本文结合工程中常见的例子，对之前学习的示波器的基础功能使用进行了练习，当前，由于只选择了部分有代表性的实验，示波器的功能和使用场景远远不止于此。希望大家能从这篇文章中学习基础的示波器使用，并结合之后的工程经验，不断累积学习，也欢迎大家将示波器使用的小技巧，分享到评论区。