充分發揮示波器效能的 6 個基本秘訣

2023/3/12

充分發揮示波器效能的 6 個基本秘訣

祕訣 1 - 從基本觸發開始


在終點為信號拍照
如果想要充分發揮示波器性能,您必須掌握示波器觸發這項重要功能。對當今更為複雜的高速信號進行量測時,此功能尤為重要。您可將示波器觸發想成在賽車跑道的終點拍照,這是不能再重新來過的事件,因此您須在第一輛車穿越終點線的瞬間按下相機快門。在示波器上檢視未觸發的波形,就像在賽車過程的任一時間點拍照,賽車會在起點和終點之間急駛,但您無法在這中間得到真正需要的資訊。

利用示波器的預設觸發設定,示波器可在信號的上升信號緣觸發,並將時間點顯示在螢幕中央(水平和垂直的中點)。 您可自由選擇想當作信號源的通道、觸發電壓位準設定、欲觸發的信號緣類型(上升、下降)以及水平與垂直位置控制,以幫助您擷取所需事件的「照片」。

【延伸閱讀:2分鐘導師-觸發基本原理】


祕訣 2 - 牢記探棒選擇要點


選擇合適的示波器探棒
探棒是連接示波器和待測裝置(DUT)的工具,對維持信號完整性至關重要。市面上的示波器探棒成千上百種,您要如何找到最適合的探棒呢?這個問題沒有標準答案,因為各種設計皆有不同之處。當您準備選購探棒之前,請考慮以下的探棒特性。

頻寬
探棒的頻寬描述了該探棒能將多高頻率的信號傳遞給示波器。您的探棒速度應比想觀察的信號至少快 3 倍到 5 倍

衰減比
每支探棒都有不同的衰減比(有時可切換),以便改變送入示波器的信號大小。衰減比較高的探棒能讓您觀察更高的電壓,但也會讓示波器內部放大器的雜訊變得更明顯。而衰減比較低意味著您觀察到的示波器雜訊更少,但系統負載效應更高,可能會讓您的信號變形失真。

探棒負載效應
沒有任何探棒能夠完美重現您的信號,因為當您將探棒連接到電路時,探棒便成為了電路的一部分。這種現象稱為負載。不必要的系統負載會造成不正確的量測結果,甚至會改變示波器顯示的波形形狀!

電阻負載:請確認探棒電阻比信號源電阻大 10 倍以上,以便讓振幅下降到小於 10%。
電容負載:請確認探棒的指定電容符合您的設計參數。
電感負載:儘可能使用最短的導線來降低電感負載(即信號中的振鈴)。

被動式與主動式探棒的比較
被動式探棒價格較低、易於使用,而且更為堅固,屬於多用途且精準的探棒。
它們通常會產生相對較高的電容負載和較低的電阻負載,十分適合用於探量頻寬低於 600 MHz 的信號。如果超過這個頻率,就需要用到主動式探棒。

主動式探棒使用主動元件來放大或調節信號,並需要有電源供應器才能運作。它們可支援更高的信號頻寬。主動式探棒比被動式探棒的價格要高得多,而且不像被動式探棒那樣堅固耐用。不過主動式探棒的負載通常比被動探棒小。

被動式探棒非常適合用於質化量測,例如檢查時脈頻率、尋找錯誤等。而主動式探棒則適合用於量化量測,例如輸出漣波或上升時間。雖然主動式探棒的成本高於被動式探棒,但它們的量測準確度也高出許多

  【延伸閱讀:8大祕訣幫助您更佳執行示波器探測】

祕訣 3 - 正確地設定信號縮放刻度


水平刻度
在進行與時間相關的量測時,水平刻度是一項重要考量。當您改變信號的水平刻度(每格時間)時,同時也會改變總信號擷取時間,而信號擷取時間又會影響到示波器的取樣率。這三者的關係可透過以下公式來表示:

取樣率 = 記憶體深度/擷取時間

記憶體深度為固定值,擷取時間可藉由調整示波器上的每格時間來設定。隨著擷取時間增加,取樣速率不得不降低,以便將所有擷取結果存入示波器記憶體。因此進行時間相關量測(頻率、脈衝寬度、上升時間等)時,請務必選擇適當的取樣速率。



垂直刻度
如同水平刻度對時間相關量測非常重要一樣,垂直刻度對於垂直相關量測也影響甚鉅(峰對峰值、RMS、最大值、最小值等)。您只需增加信號的垂直刻度,便可獲得更精確的量測,使量測的標準差變得更小。為什麼垂直刻度會對量測有影響?如同水平(時間相關)量測受到取樣率影響,垂直(振幅相關)量測受到解析度位元數的影響。

【延伸閱讀:執行出色的示波器量測1】


祕訣 4 - 使用合適的擷取模式


示波器有哪些擷取模式?
如果想對示波器的讀值更有信心,您需了解不同擷取模式的優缺點,這些模式包括:正常擷取、平均擷取、高解析度擷取和峰值檢測擷取。它們全都使用經過精密調整的取樣演算法。藉由改變示波器類比數位轉換器(ADC)的取樣率,並選擇性地繪製或組合取樣點,您可觀察信號的不同特性。

正常擷取模式
正常擷取模式是示波器的預設擷取模式。在 ADC 進行取樣後,示波器可抽取所需數目的取樣點並繪製波形。正常擷取模式是日常除錯工作的理想選擇,因為它可有效地重現信號的全貌。這種模式相當安全,不會出現重大的問題。

平均擷取模式
平均模式會擷取多個波形並進行平均運算。平均擷取模式的主要好處在於,它可透過平均運算去除信號中的隨機雜訊,讓您只看到底層的乾淨信號。平均擷取模式只能在具有穩定示波器觸發的情況下,對週期性信號使用,因此很適合用來檢視或分析非常穩定的週期性信號。

正常擷取模式  日常除錯工作的理想選擇。
平均擷取模式 有助於去除穩定的同步信號中的隨機雜訊。
高解析度模式 可增加解析度位元數,並可對同步或非同步信號進行除錯。
峰值檢測擷取模式 可幫助您深入了解通常看不到的異常高點或低點。



高解析度模式
高解析度模式是另一種形式的平均擷取模式。但此模式並不是進行波形對波形平均,而是點對點平均。ADC 會對信號倍增取樣,並將相鄰點進行平均。此模式採用即時 boxcar 平均演算法,有助於減少隨機雜訊,並可提供更高的解析度位元數。在降低隨機雜訊方面,高解析度模式不如先前討論的平均模式那樣有效,但它有一些顯著的優勢。高解析度模式無需進行多次擷取,因此很適合用於無週期性信號和不穩定的觸發,在進行一般除錯時,它的效果比平均模式更佳。

峰值檢測擷取模式
峰值檢測擷取模式的原理類似高解析度模式,ADC 會對信號進行倍增取樣,並選擇性地挑出想要顯示的點。但峰值檢測模式不是將這些點平均,而是將最高點和最低點平均,藉以繪製波形。這樣的做法十分有用,因為它可提供對異常高點或低點的分析,這些點在其他模式下可能無法看到。峰值檢測模式最適合用來檢測突波或查看非常窄的脈衝。

【延伸閱讀:2分鐘導師-古怪的擷取模式】


【延伸閱讀:執行出色的示波器量測2】

祕訣 5 - 使用進階觸發獲得更多資訊


祕訣 1 中,我們討論了基本觸發,其實,示波器還有更多的觸發模式可供選擇。

上升/下降時間觸發 如果系統出現阻抗不匹配或是負載,導致您的信號緣變得太慢時,可以採用這個擷取模式。
設定和保持時間觸發 通常用於對設定和保持時間違反情形進行觸發。
內建協定觸發 如果您的工作需處理串列匯流排,協定觸發將十分有用

上升/下降時間觸發
上升/下降時間觸發可尋找在大於或小於一段指定時間內,從一個位準轉變到另一個位準的上升或下降信號緣。它會針對狀態改變得太快或太慢的信號進行觸發。此觸發模式有助查看系統是否有阻抗不匹配或其他額外負載,導致信號緣速度過慢。

設定和保持時間觸發則可用於各種資料和時脈信號。它使用一個示波器通道來探量時脈信號,並使用另一個通道來探量資料信號。設定時間是在時脈信號緣之前,資料信號位準必須出現的時間。保持時間是在時脈信號緣之後,資料信號位準必須保持的時間。這是一種很重要的觸發模式,因為在數位設計中,傳輸線的狀態(0 或1)必須要在時脈信號緣出現之前的一段時間內設定好。依您指定的設定和保持時間來設定觸發條件,便可檢查設計中是否有違反情形發生。



協定觸發
當今許多示波器均配備內建的協定觸發功能。如果您的工作需處理各種串列匯流排,協定觸發將非常有用。示波器針對不同的匯流排格式,提供一系列不同的觸發模式(開始條件、停止條件、遺失 Ack、無 Ack 位址等)。

航太與國防 ARINC 429、MIL-STD 1553 等。
汽車 CAN、I2C、SPI 等。
電腦 USB 等。

您可從觸發起始條件來開始進行除錯,以便穩定地檢視通過的封包,並深入分析系統的運作狀況。如果發現系統錯誤,或想要證實一切都正常運作,您甚至可針對錯誤進行觸發。如此一來,您便能專注於發生問題的區域,而不用浪費時間檢查數百個封包。如果您的示波器配有分段式記憶體,您也可以開啟此功能,在長時間內僅對錯誤進行擷取。

【延伸閱讀:進階觸發】


祕訣 6 - 使用整合式協定解碼器分析串列匯流排


協定解碼
視您所測試的裝置類型而定,您可能需要對一些串列匯流排進行測試(例如汽車的CAN 和 LIN 匯流排,以及嵌入式設計中採用的 I²C 和 RS-232 匯流排)。示波器可藉由進行實體層量測,來分析這些信號的類比品質。

如祕訣 5 中所述,協定觸發有助於擷取匯流排中的特定資訊或事件,是非常實用的功能。然而,當今多數串列匯流排採用較難理解的十六進位格式編碼,使用整合式協定解碼器可將這些事件轉換成更易理解的格式。

硬體式解碼
硬體式解碼提供解碼軌跡的即時更新,進而提高了示波器擷取和顯示偶發性串列匯流排通訊錯誤的機率(如位元填充錯誤、格式錯誤、Ack 錯誤、CRC 錯誤和錯誤訊框)。


範例:您可在上圖看到示波器對 CAN 匯流排進行觸發與解碼,並將訊框 0x201 以十六進位格式顯示。解碼結果還能以兩種方式呈現,分別是符號解碼和原始的十六進位格式解碼。

在本例中,示波器對十六進位 ID 為 0x201 的訊框進行觸發,並將其轉換為 0100000 0001 二進位。解碼器將擷取到的資料轉成有用的資訊,例如「速度 = 852.52rpm」,而不是僅只顯示位元。

【延伸閱讀:協定解碼】


【延伸閱讀:對串列匯流排進行除錯】



【Keysight 各系列示波器之產品資訊】(請點選)
延伸閱讀相關應用文章:
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