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Q1 gw_product_detail_bar.png gw_product_detail_bar.png 示波器原理基本介紹

什麼是示波器?

英文名稱:Oscilloscope(觀察振盪)

  1. Oscillo(振盪oscillation的縮寫)
  2. Scope(觀察)兩字的組合

主要功能:

  1. 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。
  2. 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

  1. 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
  2. 取樣率與記憶體的關係:Memory=Sample rate*Time 記憶體=取樣率*時間
  3. 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 gw_product_detail_bar.png gw_product_detail_bar.png 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。

Q3 gw_product_detail_bar.png gw_product_detail_bar.png 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。 

Calibration=Verify+Adjustment 
儀器的校正工作是確認規格加上調整
 
一般的二級實驗室只能做到確認規格,被校儀器不符出廠規格時只能在測報上說明超出規格,目前的儀器早已進入數位時代,許多的規格參數可以透過調整來回歸到新機出廠規格,而儀器製造商的二級實驗室才有這個調整的步驟與程序,也因此製造商的校正成本會較高,一旦有超規的現象,會提供incoming and outgoing兩次的報告,無法透過調整回歸新機出廠規格者則需要視情況盡早維修。
 
固緯電子校正實驗室電話 02-2268-0389ext308
 
而用戶端需要自己執行的校正包含:
1.被動式探棒的低頻補償校正,以避免振幅量測的誤差
2.垂直offset的校正,透過信號路徑補償SPC(Signal Path Compensation)以消弭垂直的offset誤差。此誤差會影響DC量測及電源電路的導通損失Conduction Loss。
Q4 gw_product_detail_bar.png gw_product_detail_bar.png 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

便宜

Q5 gw_product_detail_bar.png gw_product_detail_bar.png 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 gw_product_detail_bar.png gw_product_detail_bar.png 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。

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 注意FFT的記憶體是否超過1M。
  5. 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。
Q7 gw_product_detail_bar.png gw_product_detail_bar.png 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。

Q8 gw_product_detail_bar.png gw_product_detail_bar.png 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)
Q9 gw_product_detail_bar.png gw_product_detail_bar.png 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 gw_product_detail_bar.png gw_product_detail_bar.png 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 gw_product_detail_bar.png gw_product_detail_bar.png 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 gw_product_detail_bar.png gw_product_detail_bar.png 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)

 

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