既是量測相位的利器又能展現工程師浪漫的X-Y模式
關鍵字：示波器；李沙士圖形；相位差量測； Deskew 時滯校正；磁滯曲線；V-I Curve；B-H Curve；Oscilloscope Art
前言
示波器是顯示時間與振幅關係的儀器，主要的功能是量測時間、量測振幅及觀察波形，除了用來觀察訊號隨時間的變化的關係外， X-Y 模式則將時間軸置換為另一個通道的振幅，是類比示波器時代便有的功能，到了數位示波器時代還可透過快速傅立葉轉換顯示頻率與振幅間的關係，再到後來的時頻譜或稱頻譜瀑布圖（英語：Spectrogram）可顯示頻率對時間的變化關係，所以現代的數位示波器已是橫跨三域(時域Y-T、頻域FFT、調變域Spectrogram)的量測高手。本文將探討歷史悠久的X-Y模式，詳述其應用以及如何利用這項功能進行極具創意的視覺呈現。
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什麼是 X-Y 模式？
傳統示波器的水平軸（X軸）為時間軸；而在 X-Y 模式 下，水平軸置換為其他通道的振幅，以雙通道示波器為例：通道1為X，通道2為Y。 這意味著螢幕上的點坐標定義為 VCH1, VCH2。
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應用1：李沙士圖形 (Lissajous Figures)
當我們將兩個正弦波分別輸入 X 與 Y 通道時，螢幕上會出現獨特的幾何圖形，稱為李沙士圖形 (Lissajous Figures)。這是判定兩個訊號之間頻率比與相位差最直觀的方法。
頻率與相位的判讀
• 頻率比： 透過計算圖形與水平及垂直邊界的切點數，可以得知頻率比。
• 相位差： 當頻率相同時，圖形會根據相位差變化：
o 0°： 一條斜率為正的直線。如圖三
o 90°： 一個正圓（若兩軸增益一致）。如圖四
o 180°： 一條斜率為負的直線。如圖五
圖一：MPO-2204P內建信號產生器1輸出100 kHz正弦波；產生器2輸出200 kHz正弦波的時域及兩倍頻的X-Y模式顯示結果
圖二：MPO-2204P內建信號產生器1輸出100 kHz正弦波；產生器2輸出400 kHz正弦波的時域及四倍頻的X-Y模式顯示結果
圖三：MPO-2204P內建信號產生器1輸出100 kHz正弦波；產生器2輸出100 kHz正弦波，相位差為0度的時域及X-Y模式顯示結果
圖四：MPO-2204P內建信號產生器1輸出100 kHz正弦波；產生器2輸出100 kHz正弦波，相位差為90度的時域及X-Y模式顯示結果
圖五：MPO-2204P內建信號產生器1輸出100 kHz正弦波；產生器2輸出100 kHz正弦波，相位差為180度的時域及X-Y模式顯示結果
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應用2：相位準確度
在Y-T模式中，當通道1與通道2訊號間存在微小的時間差，肉眼往往無法觀察出差異，而 X-Y 模式可以得到較佳的相位解析度，即使輸入完全相同的訊號，如果示波器兩個通道之間的印刷電路板(PCB)走線路徑不一致，便會在螢幕上看到一個細長的橢圓而非直線(如圖六)。
X-Y模式規格範例：
範例1：GOS-6112 100 MHz類比示波器：DC到50 kHz相位誤差小於3度；X軸頻寬 DC至500 kHz(-3dB)
範例2：GDS-3104A 1 GHz數位示波器：正負3度在100 kHz
圖六：MPO-2204P內建信號產生器1輸出100 kHz正弦波；產生器2輸出100 kHz正弦波，相位差為2度的時域及X-Y模式顯示結果
在進行精密功率運算（如 P = V*I）時，極小的相位誤差都會導致巨大的功率計算錯誤，這也是為什麼接下來的電壓與電流探棒的時滯校正「Deskew」應用至關重要。
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應用3：電壓與電流探棒的 Deskew (時滯校正)
在電源測試中，我們常用 CH1 接電壓探棒，CH2 接電流探棒，透過運算功能便可得到功率波形，或用X-Y Mode來繪製功率元件的 SOA（安全工作區）圖形。然而，電流探棒因為含互感器與放大電路或長度與電壓探棒不同造成的傳導延遲，這個時差如果不進行校正便會導致量測誤差。化合物半導體碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)的切換速度較傳統的MOSFET快，可有效降低切換損失，探棒間的延遲時差如果沒有校正，可能會導致極大的切換損失量測誤差。
如何進行 Deskew：
1. 使用專用治具： 使用 Deskew Fixture(如圖七)，它能同時輸出高頻且上升沿陡峭的電壓與電流訊號。
2. 觀察 X-Y 疊合： 將兩通道訊號輸入，切換至 X-Y 模式。
3. 調整延遲： 在示波器選單中調整 Deskew 參數，直到原本的橢圓形縮減成一條最窄的直線。
這一步驟能補償通常在 10ns 到 50ns 之間的傳輸延遲差。
圖七：GKT-100 Deskew 治具
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應用4：半導體 V-I Curve 或磁性元件 B-H Curve
使用電壓探棒與電流探棒量測後可透過X-Y 模式來觀察半導體的V-I曲線，透過運算將電壓波形及電流波形轉為磁通密度(B)與磁場強度(H)便可觀察磁性元件的B-H曲線。
電壓、電流轉換為磁通密度(B)與磁場強度(H)的公式可參考以下連結
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應用5：創意應用：用示波器畫圖 (Oscilloscope Art)
X-Y 模式不僅是量測工具，也能成為數位藝術的畫布。其原理是將圖像的坐標點轉換為隨時間變化的電壓序列，透過任意波形產生器將這些電壓序列轉為波形，將波形輸入示波器後再設定為X-Y模式，以下範例是心心相映的繪製結果，所以X-Y模式不但是量測相位的利器又能展現專屬於工程師的浪漫。
圖八：MPO-2204P內建信號產生器，透過產生兩組任意波形，產生心心相映及 i LOVE YOU字樣的X-Y模式顯示結果
執筆之時洽為2026年情人節前夕，最後讓AI寫一段對電子工程師的情人節溫馨祝福
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