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示波器原理基本介紹 |
什麼是示波器?
英文名稱：Oscilloscope(觀察振盪)
- Oscillo(振盪oscillation的縮寫)
- Scope(觀察)兩字的組合
主要功能：
- 顯示信號時間(秒)與振幅(電壓)關係的儀器。只要能將物理量(光、電流、壓力等)透過探棒或轉換器轉為電壓信號都可以被示波器觀測。示波器是時域(Time Domain)量測儀器的一種。
- 電子信號是不可見光，需透過示波器將不可見光轉為可見光，工程師方能觀察信號，示波器就是電子工程師觀察信號的眼睛。
運用數位示波器需要知道的知識
- 取樣原理與技術：正弦波需兩個點以上方能還原(理論值)，實際應用上的參考原則為，正弦波(取樣率大於信號頻率的5倍)，方波(取樣率大於信號頻率的10倍)；取樣技術包含等時取樣，即時取樣
- 取樣率與記憶體的關係：Memory=Sample rate*Time 記憶體=取樣率*時間
- 波形更新率與記憶體的關係：波形更新率與記憶體呈反比，最高的波形更新率規格是在短記憶體下定義的。
| Q2 |
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我需要多久校驗一次我的示波器？ |
所有的示波器建議的校驗期限為 12 個月，但使用者可以自行評估測試環境及所需準確度，以決定標準校驗期限是否符合您特定的需求。
| Q3 |
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頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)與示波器(Oscilloscope)的基本差異？ |
如果以時間、頻率、振幅三個軸可以定義出三個領域(Domain)
頻譜分析儀是頻域(Frequency domain)的儀器代表(頻率與振幅的關係)，顯示器的縱軸是振幅(功率)，單位是dBm，橫軸是頻率，單位是Hz。
示波器顯示的是時域(Time domain)的儀器代表(時間與振幅的關係)，顯示器的縱軸是振幅(電壓)，單位是V，橫軸是時間，單位是S（秒）。
數位示波器可以透過快速傅立葉轉換，將時域信號轉為頻域，但由於示波器的垂直動態範圍(通常是8位元)不足，所以要準確量測諧波與雜訊的振幅還是得用頻譜分析儀。
調變域分析儀(Modulation domain)顯示的是時間與頻率的關係，量測速度快的計頻器可透過電腦描繪出調變域波形，頻譜分析儀或示波器的進階FFT也有顯示時間與頻率的功能。
| Q4 |
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主動式探棒與被動式探棒的差異 |
主動式探棒與被動式探棒的比較如下
| 種類/比較項目 | 主動式探棒 | 被動式探棒 |
| 量測動態範圍 |
高壓主動式探棒較被動式探棒高 高頻主動式探棒較被動式探棒低 |
較高壓主動式探棒低 較高頻主動式探棒高 |
| 頻寬 | 目前業界的頻寬可達30GHz | 除了45歐姆Zo探棒外，多半僅達500MHz |
| 電容負載效應 | 電容值低，觀察高速信號時對上升時間的負載效應小 | 電容值高，觀察高速信號時對上升時間的負載效應大 |
| 電阻負載效應 |
因輸入阻抗較低，易對High Z電路電阻負載效應高 |
與示波器搭配後的輸入阻抗為10M歐姆，低頻時電阻負載效應低 |
| 電感負載效應 |
高壓主動式探棒需將測試導線雙絞來降低電感負載效應。 高頻主動式探棒接地線短，方波前緣產生振鈴的電感負載效應低。 |
較高壓主動式探棒低 較高頻主動式探棒高 |
| 價格 |
貴 |
便宜 |
| Q5 |
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Oscilloscope – 示波器量測單位解釋 |
示波器量測單位上面有許多的單位，這些單位有時候會讓使用者混淆，下面透過一個展開後的方波來解釋這些單位，讓使用者了解這些單位所含的意義。
| Q6 |
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Oscilloscope – 示波器頻寬的定義 |
頻寬決定了示波器量測訊號的基本能力。訊號頻率增加時，示波器準確顯示訊號的能力就會下降。透過此規格可確認示波器可以準確量測的頻率範圍。示波器頻寬的定義是，正弦輸入訊號衰減至訊號真實振幅的70. 7 % 之頻率，稱為-3 dB 點(半功率點)，以對數等級為準。
| Q7 |
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Oscilloscope – 示波器探棒 – 探棒的種類 |
常見的示波器探棒的種類，依照特性大概可分成以下的種類：
電壓探棒：
- 被動式電壓型探棒(10:1或10:1/1:1可切換，標配的探棒通常是這兩種倍率)，其他被動式高壓探棒可提供更大的衰減倍率。
- 450歐姆Zo探棒，用於50歐姆系統儀器的10:1衰減
- 主動式高壓差動探棒
- 主動式高頻單端/差動式探棒
電流探棒
- 被動式電流探棒(僅能量測交流電流)
- 主動式電流探棒(能量測直流及交流電流)
其他
- 邏輯探棒(用於邏輯分析儀或混合信號示波器)
- 光/電轉換探棒
- 其他轉換器(只要能將物理量轉為電壓的信號皆能用示波器量測)
| Q8 |
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Oscilloscope – 該怎樣選擇合適的示波器 |
示波器從開發到問世，一直是最重要也最常見的電子測試儀器之一。由於技術的進步，示波器的能力不斷提升，性能與價格也五花八門，從數千元到數百萬都有。如何選擇則是一門學問。
- 從應用面選擇：實驗室的信號驗證(示波器頻寬為待測信號的5~10倍)，典型應用範例：USB的實體層驗證；研發的設計驗證(示波器頻寬為待測信號的3~5倍)，維修的應用(示波器頻寬為待測信號的1~3倍)雖然1~3倍看到的可能是失真的波形，但對於有無信號可以做好壞判斷的維修應用是一種經濟實惠的選擇。
- 最高取樣率為示波器頻寬的兩倍以上即可。基於示波器的5倍頻寬法則，以100MHz示波器為例，觀察20MHz的正弦波振幅誤差3%以下，觀察20MHz的方波因為勉強可以看到被衰減的三次諧波(60MHz)，頻率比20MHz高的方波在100MHz的示波器上就只能看到一個被衰減的正弦波。觀察20MHz的信號用(100MHz*2=200MS/s)200M的取樣率綽綽有餘。
- 記憶體大於最快所需捕捉暫態信號的10倍乘上最長暫態時間。
- 注意FFT的記憶體是否超過1M。
- 最快波形更新率超過每秒1萬次以上就不至於遺漏太多信號細節。
| Q9 |
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長記憶體示波器對信號擷取的影響 |
在之前的文章【示波器種類介紹】中有提到不同示波器的資料處理方式，其中有提到，ARO不需經過數位A/D的處理，就直接將信號輸出到螢幕上，具備所見即所得的特性；而DSO則需要CPU的運算處理時間才能將信號輸出到螢幕上。這篇文章主要讓使用者了解，記憶體大小對於數位示波器(DSO)進行信號擷取時的影響。
Memory=Sample rate*Time
數位示波器長記憶體可從上述公式看出兩個應用優點
1.固定時間，記憶體長可以在中、低速時間檔位維持較好的取樣率
2.固定取樣率，記憶體長可以捕捉較長的暫態信號時間
記憶體長另一個優點是在FFT的應用，可以降低雜訊(Noise Floor)及提高頻率解析度
看起來記憶體長有需多優點，記憶體長有缺點嗎?
有的，長記憶體會需要較長的運算時間處理資料，所以會影響波形更新率
| Q10 |
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Oscilloscope-示波器取樣技術 |
取樣技術
- 等效取樣(ET)或等時取樣：又分為循序等時取樣與隨機等時取樣。
- 即時取樣(RT)
| Q11 |
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選擇示波器時，一般最常考慮的是頻寬，那在什麼情況下要考慮採樣速率？ |
取決於待測體，在頻寬滿足使用者的前提下，以最小採樣間隔 ( 採樣率的倒數 ) 能夠捕捉到您需要的信號細節。 業界有些關於採樣速率經驗公式，但基本上都是針對示波器頻寬導出的，但在實際應用中，最好不要用相同頻寬的示波器來測試相同頻率的信號。舉例來說，測試一個正弦波，選擇示波器頻寬最好是被測正弦信號頻率的 3 倍以上，採樣率是頻寬的4 到 5 倍；若是其它波形，要保證採樣率足以捕獲信號細節，則需要更高的頻寬與採樣率。若您正在使用示波器，可透過以下方法驗證採樣率是否夠用：將波形停下來，放大波形，若發現波形有變化（如某些幅值），採樣率就不夠，否則無礙。 也可用點顯示來分析，採樣率是否夠用。
| Q12 |
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Oscilloscope – 示波器種類介紹 |
示波器依據技術的發展分為下列三種：
- 類比即時式示波器 ART(Analog Realtime Oscilloscope)
- 類比/儲存二合一示波器 RSO(Realtime Storage Oscilloscope)或稱為Combiscope
- 數位儲存式示波器 DSO(Digital Storage Oscilloscope)
依據觀測信號的型態又有以下兩種示波器：
- 混合信號示波器 MSO (Mixed Signal Oscilloscope)：多了邏輯分析儀的功能
- 混合域示波器 MDO (Mixed Domain Oscilloscope)：可觀察時域、頻域的示波器，有些混合域示波器還具備觀察調變域的能力(例如固緯的GDS-3000A示波器)