示波器基本原理-1

2023/3/18

示波器基本原理
電子科技充斥我們的生活,每天都有數百萬人使用電子裝置,例如行動手、電視和電腦。隨著電子科技的進步,這些裝置的操作速度也變得更快。如今大多數的裝置都採用高速數位技術。工程人員需要可以準確設計與測試他們在高速數位裝置中所使用的元件的能力。他們用來設計與測試元件的儀器,必須特別適合處理高速與高頻的特性才行,而示波器正好是這樣的一種儀器。

示波器是一種功能強大的工具,在電子裝置的設計與測試上很有用。它們在您決定系統元件正常與否方面扮演極為重要的角色,而且還能幫助您確定新設計的元件是否如您預期的方式運作。示波器的功能遠比萬用電錶更為強大,因為它們可以讓您觀察電子信號實際的樣貌。示波器的使用範圍非常廣泛,從汽車工業到大學的研究實驗室及航太/國防產業等等。許多公司都依賴示波器來發現瑕疵,以便製造能夠正常運作的產品。示波器在滿足客戶生產新穎且更優質的電子產品的需求上,是絕對不可或缺的工具。

電子信號

示波器的主要用途在於顯示電子信號。藉由觀察示波器上顯示的信號,您便可以確定電子系統的某個元件是否正常運作。因此,為了瞭解示波器的運作方式,有必要先認識信號的基本原理。

波形的特性
電子信號會以波形或脈衝的形式表現。波形的基本特性包括:

振幅
在工程應用上經常使用的振幅定義主要有兩種。第一種通常稱為峰值振幅(peak amplitude),其定義為干擾信號的最大位移量。第二種是均方根(RMS)振幅。要計算波形的RMS 電壓,必須將波形值平方並求出平均電壓,然後再求 平方根。
以正弦波來說,RMS 振幅等於峰值振幅的0.707 倍。
相位差
相位差(phase shift)是指兩個其他條件皆相同的波形之間的水平平移量,以度或弧度為量測單位。就正弦波來說,一個週期以360 度來表示。因此,如果兩個正弦波相差半個週期,它們的相對相位差就是180 度。

週期
波形的週期(period)是指波形重複出現一次所花的時間,以秒為量測單位。
頻率
每個週期性波形都有一個頻率。頻率是指波形在一秒內重複出現的次數(如果您使用Hz為單位的話)。頻率與週期互為倒數。
波形
波形是指波的形狀或圖形再現(representation)。波形可提供許多有關信號的資訊,舉例來說,它可以透露出電壓是否突然改變、呈線性變化、或維持不變。標準的波形有很多種,本節只會介紹您最常碰到的幾種。

正弦波
正弦波通常與交流電流(AC)源有關,例如您屋內的電源插座。正弦波的峰值振幅並非永遠固定,如果峰值振幅會隨著時間不斷地下降,我們就稱這種波形為阻尼正弦波(damped sinewave)。

方波/矩形波
方波(square wave)會在兩個不同的值之間週期性地跳動,因此在高點和低點部分的長度會相等。矩形波rectangular wave)不同的地方在於高、低點部分的長度並不相等。

三角波/鋸齒波
在三角波(triangular wave)中,電壓會隨著時間呈線性變化。它的信號緣稱為斜波(ramp),因為波形不是斜升就是斜降到某個電壓。鋸齒波(sawtoothwave)看起來跟三角波很像,因為它前面或後面的信號緣會隨著時間產生線性的電壓響應,但對面的信號緣幾乎是直接往下掉。


脈衝
脈衝是指固定電壓中突然出現的一個干擾。您可以想像在一個房間中拍打開關將電燈打開,然後迅速將其關閉的情形。一連串的脈衝稱為脈衝串(pulse train),延續前面的比喻,這就好比不斷重複快速開燈與關燈的動作一樣。脈衝是信號中常見的突波或錯誤波形。如果信號只帶有一個資訊,脈衝也可以是一個波形。

複合波
波形也可以是以上各種波形的混合。它們不一定要具備週期性,而且可以是非常複雜的波形。

類比 vs. 數位信號
類比信號可以代表某個範圍內的任何值。您不妨想像一下類比時鐘,時針每12 個小時繞行鐘面一周,在這段期間時針會持續移動,並不會出現讀值跳動或不連續的情形。現在將它與數位時鐘比較一下。數位時鐘只會顯示小時和分鐘,因此是以分鐘作為間隔時間,它會一下子突然從11:54 跳到11:55。數位信號同樣具備非連續與數值化的特性。通常非連續信號會有兩個可能的值(高或低,1 或0 等),因此信號會在這兩個可能的值之間來回跳動。

何謂示波器,為什麼你需要使用示波器

示波器外觀
一般來說,最新型的數位示波器的外觀就如圖8 所示。示波器的種類繁多,您的示波器看起來或許截然不同,但儘管如此,大部分的示波器都具有一些基本的特性。示波器的面板上大致可以分成幾個區塊: 通道輸入、顯示器、水平控制、垂直控制、以及觸發控制。如果您的示波器未配備Microsoft Windows 作業系統,很可能還會提供一組軟鍵讓您控制螢幕上的功能表。

您可以將探棒插入通道輸入接頭,把信號傳到示波器。顯示器是用來顯示這些信號的螢幕。水平與垂直控制區塊包含了一些旋鈕與按鍵,可用來控制顯示器上的信號的水平軸(通常代表時間)和垂直軸(代表電壓)。透過觸發控制,您可以指示示波器在何種條件下讓時基開始進行掃描(sweep)。


示波器的背板就如圖9所示。
如您所見,許多示波器都具備個人電腦的連接功能,包括CD-ROM光碟機、CD-RW光碟機、DVD-RW光碟機、USB埠、串列埠,以及外接式監視器、滑鼠與鍵盤輸入等。

示波器的用途
示波器是一種量測與測試儀器,可以顯示某個變數為另一個變數的函數之關係。舉例來說,它可以在顯示器上繪製一個電壓(y 軸)vs 時間(x 軸)的圖表,圖10 便是這類圖表的一個例子。如果您想測試某個電子元件是否正常運作,這項功能會很有用。倘若您知道移除元件之後應該會出現何種信號波形,就可以使用示波器來查看元件是否真的輸出正確的信號。請注意,x 和y 軸會以格線劃成一些格子。您可以利用這些格線來進行手動量測,但最新的示波器都能自行執行大部分的量測。

示波器的功用不只是繪製電壓vs. 時間圖而已。示波器提供多個稱為通道的輸入,每個通道都可以獨立運作。因此,您可以將通道1 連接到某個裝置,將通道2 連接到另一個,如此示波器便能繪出通道1 測得的電壓與通道2 測得的電壓之間的比較圖。此模式稱為示波器的XY模式,在繪製I-V 圖或Lissajous 圖時很有用,從Lissajous 圖的形狀可以得知兩個信號之間的相位差與頻率比。圖11 為Lissajous 圖及它們所代表的相位差和頻率
示波器的類型
類比示波器
第一種是類比示波器,其使用陰極射線管來顯示波形。電子束在閘極開啟和關閉時,會沿著水平線方向掃描。螢幕塗有螢光物質,只要被電子束擊中就會發光,當連續的螢光點亮起時,您便可以看到信號的再現圖形。為了讓示波器穩定地顯示波形,必須使用觸發。當顯示器上的整個波形軌跡完成時,示波器會等到特定的事件發生(例如越過某個電壓值的上升緣)後才再開始顯示軌跡。未經觸發的顯示畫面是沒有用處的,因為顯示的波形並不穩定(對DSO 和MSO 示波器來說的確是如此,這部分稍後會加以討論)。

類比示波器很有用,因為螢光點會繼續發光一段時間而不會馬上消失。從幾個彼此重疊的示波器軌跡,可以看到信號的突波或不規則性。由於當電子束擊中螢幕時波形便會顯示,所以顯示信號的亮度與實際信號的亮度有關。這使得顯示器就像一個3D 圖一樣(換言之,x 軸代表時間,y 軸代表電壓,z 軸則是亮度)。

類比示波器的缺點是顯示畫面無法固定不動,好讓波形停留較長的時間。當螢光物質不再發光,該部分的信號也會跟著消失,再者您也無法自動執行波形量測。相反地,您必須使用顯示器上的格線,以手動方式來進行量測。類比示波器可以顯示的信號類型也很有限,因為電子束執行水平與垂直掃描的速度設有上限。雖然目前還是有很多人在使用類比示波器,但這類產品在市場上並不多見,反之數位示波器成了廣受歡迎的最新工具。

數位儲存示波器(DSO)
數位儲存示波器(通常稱為DSO)是為了改正類比示波器的許多缺點而發明的。DSO 的輸入信號必須利用類比數位轉換器來進行數位轉換。圖12為是德科技數位示波器所採用的DSO 結構個一個例子。

衰減器會調整波形。垂直放大器會在波形傳到類比/數位轉換器(ADC)之前做進一步的調整。接著ADC 會對收到的信號進行取樣及數位轉換,然後將資料儲存到記憶體中。觸發會找尋觸發事件,而時基則會調整示波器的時間顯示。當微處理器系統完成您指定的後處理作業之後,信號便會在示波器上顯示。

以數位方式來顯示資料,可讓示波器執行各種波形量測。信號可以無限期地存放在記憶體中,也可以列印出來或透過隨身碟、LAN 或DVD-RW 傳到電腦。事實上,現在您還可以透過軟體提供的虛擬面板,從電腦來控制與監看您的示波器。

MSO混合信號示波器
DSO 的輸入信號屬於類比性質,必須透過數位類比轉換器來進行數位轉換。隨著數位電子技術的蓬勃發展,同時監測類比與數位信號的必要性愈來愈高。有鑑於此,示波器廠商開始生產能夠觸發及顯示類比與數位信號的混合信號示波器。這類儀器通常會提供少數幾個類比通道(2 或4 個)及較多的數位通道(詳見圖13)。

混合信號示波器的優點是可以在類比與數位信號組合上進行觸發,並顯示以相同時基產生關聯的所有這些信號。
可攜式/手持式示波器
顧名思義,可攜式示波器因為體積夠小而可以帶著到處跑。如果您必須在許多不同的地點或實驗室中的不同工作台之間搬動示波器,那麼可攜式示波器便很適合您使用。圖14 是Keysight InfiniiVisionX 系列示波器。

可攜式示波器的優點是輕便易攜,可以快速開啟和關閉,而且很容易使用。它們的效能通常比不上大型的示波器,但安捷倫InfiniiVision 2000和3000G/4000X 系列改變了這個事實。這些示波器提供可攜式示波器常見的便攜與容易操作特性,並且具備強大的性能,可因應當今高達6 GHz的除錯需求。

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   # Keysight InfiniiVision 4000X 示波器 (最大性價比) - 200/350/500 MHz & 1 / 1.5GHz 頻寬選擇
   # Keysight InfiniiVision 3000G X系列示波器 (熱門商品推薦) - 100/200/350/500 MHz & 1GHz 頻寬選擇

示波器的選擇
經濟型示波器
經濟型示波器的價格不貴,但效能比不上高效能示波器。這些示波器通常可在大學的實驗室裡看到,其主要優點就是低價。您可以用相當合理的價格,買到非常實用的示波器。

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   # Keysight InfiniiVision 2000X 系列示波器 (經濟型Scope首選) - 70/100/200MHz頻寬選擇(可升級)
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高效能示波器
高效能示波器可提供最佳的效能。凡是需要高頻寬、快速的取樣率和更新速率、較大的記憶體深度、以及廣泛的量測功能者,都會選用這種示波器。圖15 的Keysight Infiniium 90000A 系列示波器就是高效能示波器的一個例子。

高效能示波器主要的優點是可以讓您正確分析廣泛的信號,並且提供許多應用軟體和工具,使現有技術的分析變得更簡單而快速。價格昂貴且體積較大,是高效能示波器最大的缺點。

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示波器的使用範圍
需要測試或使用電子信號的公司,幾乎都會用到示波器,也因此示波器的使用範圍相當廣泛:
– 汽車技術人員可以使用示波器來診斷汽車的電氣問題。
– 大學實驗室可以使用示波器來教導學生有關電子的知識。
– 全球各大研究團體都有示波器可隨他們使用。
– 行動手機製造商可以使用示波器來測試信號的完整性。
– 軍事與航空產業可以使用示波器來測試雷達通訊系統。
– 研發工程師可以使用示波器來測試及設計新的技術。
– 示波器也可以用於認證測試。例如用來確保USB 和HDMI 的輸出達到某些標準。

示波器的應用廣泛,以上只是其中的幾種。示波器確實是一種多樣化且功能強大的儀器。

《待續》

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