1、 深入瞭解示波器 入門手冊 入門手冊 2 .tw/oscilloscopes 目錄 前言.4 訊號完整性.56 訊號完整性的意義.5 為什麼訊號完整性是一個問題？.5 觀察數位訊號的類比信號源.6 示波器.712 瞭解波形和波形量測.7 波的類型.8 正弦波.9 方波和矩形波.9 鋸齒波和三角波.9 階梯波和脈衝形狀.9 週期訊號和非週期訊號.9 同步訊號和非同步訊號.9 複合波.10 波形量測.11 頻率和週期.11 電壓.11 振幅.11 相位.11 使用數位示波器進行波形量測.12 示波器的類型.1318 數位儲存示波器.13 數位螢光示波器.15 混合域示波器.17 混合訊號示波器.1
2、7 數位取樣示波器.18 示波器的系統和控制功能.1932 垂直系統和控制功能.20 位置和伏特/格.20 輸入耦合.20 頻寬限制.20 頻寬增強.21 水平系統和控制功能.21 擷取控制功能.21 擷取模式.21 常用的水平控制功能.21 擷取模式的類型.22 啟動和停止擷取系統.22 取樣.23 取樣控制功能.23 即時取樣方法.23 等時取樣方法.25 位置和秒/格.27 時基選擇.27 縮放/捲動.27 搜尋.27 XY 模式.27 Z 軸.27 XYZ 模式及 DPO 和 XYZ 記錄顯示.27 觸發系統和控制功能.28 觸發位置.30 觸發位準和斜率.30 觸發模式.31 觸發耦
3、合.31 觸發延遲.31 顯示系統和控制功能.32 其他示波器控制功能.32 數學運算和量測運算.32 數位時序和狀態擷取.32 深入瞭解示波器 .tw/oscilloscopes 3 完整的量測系統.3336 探棒.33 被動式探棒.34 主動式探棒和差動式探棒.35 邏輯探棒.35 專用探棒.36 探棒配件.36 效能術語和考慮因素.3643 頻寬.36 上升時間.37 取樣率.38 波形擷取速率.39 記錄長度.39 觸發功能.40 有效位元.40 頻率響應.40 垂直靈敏度.40 掃描速度.40 增益準確度.40 水平準確度(時基).40 垂直解析度(類比轉數位轉換器).40 時序解析
4、度(MSO).41 連接能力.41 擴展能力.42 簡便易用.43 操作示波器.4445 正確接地.44 設定控制功能.44 校驗儀器.45 連接探棒.45 補償探棒.45 示波器量測技術.4748 電壓量測.47 時間和頻率量測.48 脈波寬度和上升時間量測.48 相位偏移量測.49 其他量測技術.49 書面練習.5055 第一部分 A：辭彙練習.50 B：應用練習.51 第二部分 A：辭彙練習.52 B：應用練習.53 參考答案.55 術語表.5659 入門手冊 4 .tw/oscilloscopes 前言 不管是海浪、地震、音爆、爆炸、聲音通過空氣傳播、還是人體運動的自然頻率，自然界都以
5、正弦波的形式運動。能量、振動粒子及其他看不見的力分散在我們的物理空間中。即使是光線(部分是粒子、部分是波)也有基礎頻率，可以作為色彩進行觀察。感測器可以將這些力轉換成電訊號，然後可以使用示波器觀察和分析這些訊號。透過使用示波器，科學家、工程師、教育工作者等等可以看到隨時間變化的事件。對設計、製造或維修電子設備的任何人來說，示波器都是一種不可或缺的工具。在目前快節奏的世界中，工程師需要最優秀的工具，來迅速準確地解決面臨的量測挑戰。作為工程師的眼睛，示波器在迎接目前棘手的量測挑戰方面至關重要。示波器的用途並不僅限於電子領域。在安裝適當的感測器時，示波器可以量測各類現象。感測器是一種針對物理激勵產生
6、電訊號的裝置，如聲音、機械壓力、壓力、光或熱。麥克風就是一種感測器，它將聲音轉換成電訊號。圖 1說明了示波器可以蒐集的科學資料實例。從物理學家到維修技師，每個人都離不開示波器。汽車工程師使用示波器，將來自感測器的類比資料與來自引擎控制單元的串列資料關聯起來。醫學研究人員使用示波器量測腦電波。示波器的用途可以說是無窮無盡的。在瞭解本入門手冊中介紹的概念後，您可以初步瞭解示波器基礎知識和工作原理。圖 1.示波器蒐集的科學資料實例。本入門手冊後面的術語表提供使用者不熟悉的術語定義。另外，還提供與示波器原理和控制功能有關的辭彙表和多項可選的書面練習題，可以作為實用的教學輔助資料使用。閱讀本入門手冊的讀
7、者不需有數學或電子知識。在閱讀本入門手冊之後，您將能夠：?描述示波器的工作方式?描述各種示波器之間的差異?描述電氣波形類型?瞭解基本示波器控制功能?進行簡單的量測 示波器隨附的手冊將提供如何在工作中使用示波器有關的更詳盡資訊。部分示波器製造商還提供大量的應用指南，協助您在專用量測中優化示波器。如果您需要進一步協助，或與本入門手冊中資料有關的建議 或 問 題，請 與 Tektronix 代 表 聯 絡，或 造 訪.tw。光伏電池 光源 深入瞭解示波器 .tw/oscilloscopes 5 訊號完整性 訊號完整性的意義 對任何優秀的示波器系統來說，準確重建波形的能力都是關鍵，這種能力稱為訊號完整
8、性。示波器類似於一台攝影機，它捕獲訊號影像，然後可以觀察和解釋訊號影像。訊號完整性的核心有兩個關鍵問題：?在拍攝時，拍到的是不是實際發生事件的準確影像？?影像清楚還是模糊？?每秒可以拍攝多少張這麼準確的圖片？示波器不同的系統和效能功能結合在一起，影響著其提供最高訊號完整性的能力。探棒也影響著量測系統的訊號完整性。訊號完整性影響著許多電子設計學科。但直到幾年前，它對數位設計人員來說還不是什麼大問題。設計人員可以依賴邏輯電路，像布林電路一樣操作。當時，有雜訊的、不確定的訊號發生在高速電路中，RF 設計人員還不用擔心這些問題。數位系統切換速度慢，訊號以可預測的方式穩定。此後，處理器的時脈速率提高了幾
9、個量級。三個維度影像、視訊和伺服器 I/O 等電腦應用需要大量的頻寬。目前大部分電訊設備都以數位方式為基礎，同樣要求大規模的頻寬。數位高畫質電視也不例外。新一代微處理器裝置以高達 2 GS/s、3 GS/s、甚至 5 GS/s(千兆樣點/秒)的速率處理資料，某些 DDR3 儲存設備則使用 2 GHz 以上的時脈及上升時間為 35 ps 的資料訊號。重要的是，汽車、消費電子、機械控制裝置及各類常使用IC 裝置的應用對速度的要求愈來愈高。在以 20 MHz 時脈速率運行的處理器中，訊號的上升時間與 800 MHz 處理器中的訊號類似。設計人員已經超越了效能門檻，事實上，幾乎每種設計都是高速設計。如
10、果沒有某些預防性措施，高速問題可能會鑽進其他傳統數位設計中。如果電路經歷間歇性故障，或在極端電壓和溫度時遇到錯誤，那麼可能存在某些隱藏的訊號完整性問題。這些問題會影響產品開發週期、產品可靠性、EMI合規性、等等。這些高速問題還可能會影響系統中串列資料串流的完整性，要求某種方法，將資料中的特定碼型與高速波形中觀察到的特性關聯起來。為什麼訊號完整性是一個問題？讓我們看一下目前數位設計中訊號劣化的部分具體成因。為什麼現在這些問題比過去幾年盛行得多了呢？答案是速度。在低速的舊時代，保持可以接受的數位訊號完整性只需注意細節就可以了，例如時脈分配、訊號路徑設計、雜訊容許度、負載影響、傳輸線效應、匯流排終端
11、、解耦和配電。所有這些規則仍然適用，但是 今天，匯流排週期時間比 20 年前快了 1000 倍！過去需要幾微秒的異動處理現在只需要幾納秒。為實現這種改進，邊緣速度也已經加快，其比 20 年前快了 100 倍。這一切還好。然而，某些實際物理狀況使得電路板技術不能跟上發展步伐。晶片間匯流排的傳播時間在過去幾十年中幾乎一直沒有變化。當然，其尺寸已經縮小，但仍需要為 IC 裝置、連接器、被動式裝置、當然還有匯流排軌跡本身提供電路板空間。這些空間彙聚成距離，而距離則意味著時間，這正是速度的天敵。入門手冊 6 .tw/oscilloscopes 必需指出的是，數位訊號的邊緣速度 上升時間承載的頻率成分可以
12、高於其重複速率表示的頻率。基於這一原因，某些設計人員故意尋求上升時間相對較慢的 IC裝置。集總電路模型一直是預測電路中訊號特性使用的大多數計算的依據。但是，在邊緣速度比訊號路徑延遲快 46倍時，簡單的集總模型將不再適用。在使用邊緣速率不到 46 納秒的訊號驅動時，不管週期速率是多少，長僅 6 英寸的電路板軌跡變成了傳輸線。事實上，其建立了新的訊號路徑。這些無形連接並沒有畫在示意圖上，然而卻為訊號提供了以不可預測的方式相互影響的手段。有時候，即使是探棒/儀器組合引入的錯誤也可能會為待測訊號帶來重大影響。但是，透過對實測值應用平方和的均方根公式，可以確定待測裝置是否接近上升時間/下降時間故障。此外
13、，最新的示波器工具採用專用濾波技術，去嵌入量測系統對訊號的影響，顯示邊緣時間及其他訊號特性。同時，預計的訊號路徑並沒有以預計的方式工作。地平面和電壓層(如上述訊號軌跡)變成電感，工作方式類似於傳輸線，電源解耦的效果大大降低。EMI 上升，因為邊緣速度越快，相對於匯流排長度產生的波長越短，串音越高。此外，快速邊緣速度需要整體產生更高的電流。更高的電流一般會導致地電平彈跳，特別是在一次切換多個訊號的寬匯流排上。而且，更高的電流會提高輻射的磁能量及串音。觀察數位訊號的類比信號源 這些特性有哪些共同點呢？它們都是典型的類比現象。為解決訊號完整性問題，數位設計人員需要步入類比領域。為邁出這一步，他們需要
14、能夠顯示數位訊號和類比訊號如何相互影響的工具。數位錯誤通常源於類比訊號完整性問題。為追蹤數位問題的成因，通常必須打開示波器，示波器可以顯示波形細節、邊緣和雜訊，可以偵測和顯示暫態訊號，可以協助您準確量測時序關係，如建立和保持時間。透過觸發並列或串列資料串流中的具體碼型，顯示在時間上與特定事件對應的類比訊號，現代示波器可以協助簡化除錯過程。瞭解示波器內部的每個系統及如何應用這些系統，有助於有效地應用示波器，處理具體的量測挑戰。深入瞭解示波器 .tw/oscilloscopes 7 圖 2.顯示的波形的 X、Y 和 Z 成分。示波器 什麼是示波器？示波器如何工作？本節將解答這些基本問題。示波器基本
15、上是一種圖形顯示設備，它繪製一個電訊號的圖形。在大多數應用中，這個圖形顯示訊號如何隨時間變化，其中縱軸(Y)表示電壓，橫軸(X)表示時間。顯示亮度或強度有時稱為 Z 軸，如圖 2 所示。在 DPO 示波器中，Z 軸可以用顯示顏色等級表示，如圖 3 所示。這個簡單的圖形可以告訴您與訊號有關的許多東西，如：?訊號的時間值和電壓值?振盪訊號的頻率?訊號表示電路的移動部分?訊號特定部分相對於其他部分發生的頻率?有故障的元件是否會使訊號失真?多少訊號是直流(DC)？多少訊號是交流(AC)？?多少訊號是雜訊？雜訊是否隨時間變化？圖 3.兩個偏移時脈碼型，支援 Z 軸亮度階層。瞭解波形和波形量測 波是隨時間
16、推移重複出現的碼型的通用術語，例如聲波、腦電波、海浪和電壓波都是重複的碼型。示波器量測電壓波。如前所述，感測器可以將物理現象(如振動或溫度)或電氣現象(如電流或功率)轉換成電壓。波的一個週期是重複波的組成部分。波形是波的圖形表示。電壓波形在橫軸上顯示時間，在縱軸上顯示電壓。Y(電壓)X(時間)Z(亮度)X(時間)Y(電壓)Z(亮度)入門手冊 8 .tw/oscilloscopes 圖 4.常見的波形。波形形狀揭示了訊號的大量資訊。在任何時候，在您看到波形高度變化時，您就知道電壓已經變化。在任何時候，在有一條平坦的橫線時，您就知道在這段時間內沒有任何變化。平直的對角線表示線性變化，表示電壓以穩定
17、的速率上升或下降。波形上的銳角表明突然變化。圖 4 顯示常見的波形，圖 5 顯示常見波形的來源。圖 5.常見波形的來源。波的類型 您可以將大多數波分成下面幾類：?正弦波?方波和矩形波?鋸齒波和三角波?階梯波和脈衝形狀?週期訊號和非週期訊號?同步訊號和非同步訊號?複合波 正弦波 阻尼正弦波 方波 矩形波 鋸齒波 三角波 階梯波 脈衝 深入瞭解示波器 .tw/oscilloscopes 9 正弦波 基於多種原因，正弦波是基礎波形。它擁有和諧的數學特性，在三角形教學中，您可能已經學過同樣的正弦形狀。牆上插座中的電壓以正弦波形式變化。訊號產生器的振盪器電路產生的訊號通常是正弦波。大多數 AC 電源產生
18、正弦波。(AC 表示交流，當然電壓也會交替。DC 表示直流，意味著穩定的電流和電壓，如電池產生的電流和電壓。)阻尼正弦波是電路中可能會看到的一個特例，它會振盪，但隨著時間推移而逐漸減小。方波和矩形波 方波是另一種常見的波形。基本上，方波是一種以定期間隔開關(或變高和變低)的電壓。它是放大器測試使用的標準波，好的放大器會以最小的失真提高方波的振幅。電視、廣播和電腦電路通常在時序訊號中使用方波。矩形波與方波類似，但高低的時間間隔長度不等。在分析數位電路時，矩形波特別重要。鋸齒波和三角波 鋸齒波和三角波來自為線性控制電壓設計的電路，如類比示波器的水平掃描或電視的光柵掃描。這些波電壓位準之間的轉態會以
19、恆定速率變化。這些轉態稱為斜波。階梯波和脈衝形狀 發生很少或非定期發生的訊號(如階梯波和脈衝)稱為單次訊號或暫態訊號。階梯波表示電壓突然變化，與打開電源開關時看到的電壓變化類似。脈衝表示電壓突然變化，與打開電源開關、然後再關上電源開關時看到的電壓變化類似。脈衝可能表示經過電腦電路傳送的一位元資訊，也可能是電路中的一個突波或缺陷。一起傳送的脈衝集合會構成一個脈衝串。電腦中的數位裝置使用脈衝互相通訊。這些脈衝可以採取串列資料串的形式，也可以使用多條訊號線，表示並列資料匯流排中的值。脈衝在 X 射線、雷達和通訊設備中也十分常見。週期訊號和非週期訊號 重複的訊號稱為週期訊號，一直變化的訊號則稱為非週期
20、訊號。靜態照片可以比作週期訊號，而動畫則相當於非週期訊號。同步訊號和非同步訊號 在兩個訊號之間存在時序關係時，這些訊號稱為同步訊號。電腦內部的時脈、資料和位址訊號都是同步訊號。非同步訊號用來描述之間不存在時序關係的訊號。由於觸摸電腦鍵盤上的鍵這種操作與電腦內部的時脈之間沒有時間相關，因此這些操作被視為非同步訊號。入門手冊 10 .tw/oscilloscopes 圖 6.NTSC 合成視訊訊號是一種複合波實例。複合波 某些波形將正弦波、方波、階梯波和脈衝的特性結合在一起，得到複雜的波形。訊號資訊嵌入的形式可以是振幅、相位和(或)頻率變化。例如，儘管圖 6 中的訊號是普通的合成視訊訊號，但它由嵌
21、入到低頻包封中的多個高頻波形週期組成。在這個實例中，通常最為重要的是要瞭解階梯波之間的相對位準和時序關係。為觀察這個訊號，您需要一台示波器，擷取低頻包封，採取亮度階層方式混合到高頻波中，從而可以作為目視解釋的圖像，看到整體組合。數位螢光示波器最適合觀察複合波，如視訊訊號，如圖 6 所示。其顯示畫面提供必要發生的頻率資訊或亮度階層，這對瞭解波形實際操作至關重要。圖 7.822 Mb/s 串列資料眼狀圖。某些示波器允許以特定方式顯示特定的複合波形類型。例如，電訊資料可以顯示為眼狀圖或星座圖。電訊數位資料訊號可以在示波器上顯示為特殊類型的波形，稱為眼狀圖。眼狀圖這一名稱源於波形類似於一串眼睛，如圖
22、7 所示。在來自接收器的數位資料被取樣，並應用到垂直輸入時，會產生眼狀圖，同時資料速率用來觸發水平掃描。眼狀圖顯示一個位元或一個單位間隔的資料，所有可能的邊緣轉態和狀態都疊加在一個全面的視圖中。星座圖表示數位調變方案調變的訊號，如正交振幅調變或相移按鍵。深入瞭解示波器 .tw/oscilloscopes 11 圖 8.正弦波的頻率和週期。波形量測 許多術語用來描述使用示波器可以進行的量測類型。本節介紹部分最常用的量測和術語。頻率和週期 如果訊號重複，那麼它就有頻率。頻率用赫茲(Hz)表示，等於訊號本身在一秒鐘內重複的次數，稱為每秒週期數。重複的訊號還有週期，即訊號完成一個週期所需的時間。週期和
23、頻率是倒數關係，因此頻率=1/週期，週期=1/頻率。例如，圖 8 中的正弦波的頻率是 3 Hz，週期是1/3 秒。電壓 電壓是電路中兩點之間的電位量或訊號強度。通常情況下，其中一個點是接地或零伏特，但並非一直是。您可能要量測波形從最大峰值到最小峰值的電壓，這稱為峰對峰值電壓。振幅 振幅指電路中兩點之間的電壓量。振幅通常指從接地或零伏特測得的訊號的最大電壓。圖9所示的波形的振幅為1 V，峰對峰值電壓為 2 V。圖 9.正弦波的振幅和度。圖 10.相移。相位 觀察正弦波最適合解釋相位。正弦波的電壓位準以圓形運動為基礎。由於一個圓有 360，所以一個正統波的週期有 360，如圖 9 所示。在想描述週
24、期經過多少量時，您可以使用度描述正弦波的相角。相移描述了兩個類似訊號之間的時序差。圖 10 中標為current(電流)的波形與標為voltage(電壓)的波形異相 90，因為這兩個波在週期中到達類似點相距一個週期的 1/4(360/4=90)。相移在電子裝置中十分常用。頻率 每秒 3 個週期=3 Hz 電壓電流 相位=90入門手冊 12 .tw/oscilloscopes 使用數位示波器進行波形量測 現代數位示波器擁有多種功能，可以更簡便地進行波形量測。它們有前面板按鈕和(或)以螢幕為基礎的功能表，您可以使用這些按鈕或功能表，選擇全自動量測，包括振幅、週期、上升/下降時間等等。許多數位儀器還
25、提供中間值和 RMS 計算、工作週期(duty cycle)和其他數學運算。自動量測作為螢幕上字母數字讀數顯示。一般來說，這些讀數要比直接格線解釋獲得的資料更準確。全自動波形量測實例：?週期?正工作週期(duty cycle)?高?頻率?負工作週期(duty cycle)?低?正脈波寬度?延遲?最小?負脈波寬度?相位?最大?上升時間?資料組(burst)寬度?正過激量?下降時間?峰對峰值?負過激量?振幅?平均值?RMS?消光比?週期平均值?週期RMS?平均光功率?週期面積?抖動 深入瞭解示波器 .tw/oscilloscopes 13 圖 11.類比示波器追蹤訊號，數位示波器對訊號取樣，建置顯
26、示畫面。示波器的類型 電子裝置可以分成兩類：類比裝置和數位裝置。類比裝置適用於連續變化的電壓，數位裝置則適用於表示電壓樣點的離散二進位數字。傳統留聲機是一種類比裝置，而唱片播放機則是一種數位裝置。示波器可以按類似方式分類，分成類比示波器和數位示波器。與類比示波器相比較，數位示波器採用類比轉數位轉換器(ADC)，將測得的電壓轉換成數位資訊。它作為一串樣點擷取波形，然後儲存這些樣點，直到累積足夠的樣點，描述波形。然後，數位示波器會重組波形，顯示在螢幕上，如圖 11 所示。數位示波器可以分成數位儲存示波器(DSO)、數位螢光示波器(DPO)、混合訊號示波器(MSO)和數位取樣示波器。數位方法意味著示
27、波器可以相對穩定性、亮度和清晰度來顯示範圍內的任何頻率。對重複的訊號，數位示波器的頻寬與示波器前端裝置的類比頻寬有關，通常稱為 3 dB 點。對單次和暫態事件(如脈衝和階梯波)，頻寬會受到示波器的取樣率限制。如需詳細資訊，請參閱效能術語和考慮因素下的取樣率部分。數位儲存示波器 傳統數位示波器稱為數位儲存示波器(DSO)。其顯示一般依賴光柵類螢幕，而不是舊式類比示波器中的發光螢光。數位儲存示波器(DSO)可以擷取和觀察可能只發生一次的事件，稱為暫態訊號。由於波形資訊以數位形式存在，作為一串儲存的二進位值，因此可以在示波器內部或使用外部電腦分析、歸檔、列印及以其他方式處理這些波形資訊。波形不需要是
28、連續的；在訊號消失時，甚至可以顯示這些波形。與類比示波器不同，數位儲存示波器提供永久的訊號儲存功能及全面的波形處理功能。然而，DSO一般沒有即時亮度階層，因此，它們不能表示即時訊號中變化的亮度。類比示波器 追蹤訊號 數位示波器對訊號取樣，建置顯示畫面 入門手冊 14 .tw/oscilloscopes 圖 12.數位儲存示波器(DSO)的串列處理架構。構成 DSO 的部分子系統與類比示波器中類似。但是，DSO 包含額外的資料處理子系統，用來收集和顯示整個波形的資料。DSO 採用串列處理架構，在螢幕上擷取和顯示訊號，如圖 12 所示。下面介紹一下這種串列處理架構。串列處理架構 與類比示波器類似，
29、DSO 的第一個(輸入)階段是垂直放大器。垂直控制功能允許在這個階段調整振幅和位置範圍。然後，水平系統中的類比轉數位轉換器(ADC)在離散的時點上對訊號取樣，將這些時點上的電壓轉換成數位值，稱為樣點。這個過程稱為訊號數位化。水平系統的取樣時脈決定著 ACD 取樣的頻次。這一速率稱為取樣率，用每秒樣點數(S/s)表示。來自 ADC 的樣點作為波形點儲存在擷取記憶體中。多個樣點可能會構成一個波形點。多個波形點結合在一起，構成一條波形記錄。建立波形記錄使用的波形點數量稱為記錄長度。觸發系統決定著記錄的開始點和結束點。DSO 的訊號路徑包括一個微處理器，實測訊號經過這個微處理器傳送到顯示器上。這個微處
30、理器處理訊號，協調顯示活動，管理前面板控制功能等等。然後訊號傳送透過顯示記憶體，顯示在示波器螢幕上。圖 13.數位儲存示波器在多個通道中提供高速單次擷取功能，提高了擷取難以捉摸的突波和暫態事件的可能性。視示波器的功能，可能會對樣點進行額外的處理，增強顯示。還可能會提供預觸發功能，可以看到觸發點前面的事件。目前大多數數位示波器還可以選擇自動參數量測，簡化了量測過程。如圖 13 所示，DSO 在單次多通道儀器中提供了非常高的效能。DSO 特別適合重複率低的應用或單次高速多通道設計應用。在實際數位設計環境中，工程師通常同時檢視四個或四個以上的訊號，使得 DSO 成為關鍵儀器。放大器 類比轉數位 轉換
31、器 解多工器 擷取記憶體微處理器 顯示記憶體 顯示器 深入瞭解示波器 .tw/oscilloscopes 15 圖 14.數位螢光示波器(DPO)的並列處理架構。數位螢光示波器 數位螢光示波器(DPO)提供一種新的示波器架構方法。透過這種架構，DPO 可以提供獨特的擷取和顯示功能，準確地重建訊號。DSO 採用串列處理架構擷取、顯示和分析訊號，DPO 則採用並列處理架構執行這些功能，如圖 14 所示。DPO 架構要求使用獨特的 ASIC 硬體擷取波形影像，提供高波形擷取速率，達成更高的訊號檢視水準。這種效能提高了看到數位系統中發生暫態事件的機率，如矮波、突波和轉態錯誤，實現了進一步的分析功能。下
32、面介紹了這種並列處理架構。並列處理架構 DPO 的第一個(輸入)階段與類比示波器類似，也是垂直放大器，第二個階段與 DSO 類似，是一個 ADC。但是，在類比轉數位之後，DPO 與前幾代產品有著明顯的差別。對任何示波器來說，不管是類比示波器、DSO 還是DPO，總有一個觸發延遲時間，在這段時間內，儀器處理最新擷取資料，重定系統，等待下一個觸發事件。在這段時間內，示波器看不見所有訊號活動。看到偶發事件或低重複率事件的機率會隨著觸發延遲的時間提高而下降。值得一提的是，只看顯示更新速率，是不可能確定擷取機率的。如果您只依賴更新速率，那麼很容易誤認為示波器正在擷取與波形有關的所有資訊，但事實上卻沒有。
33、數位儲存示波器以串列方式處理擷取的波形。在這個過程中，微處理器的速度是瓶頸，因為它限制著波形擷取速率。DPO 將數位化的波形資料光柵化到數位螢光資料庫中。每 1/30 秒(大約和人眼能夠感受到的速度一樣)，儲存在資料庫中的訊號影像螢幕擷取畫面，會透過管線直接傳送到顯示系統。這種波形資料直接光柵化及從資料庫直接拷貝到顯示記憶體，消除了其他架構中固有的資料處理瓶頸。其結果，增強即時顯示更新功能。它即時擷取訊號細節、間歇性事件及訊號的動態特性。DPO 的微處理器與這個整合擷取系統並列工作，實現顯示管理、量測自動化和儀器控制，從而不會影響示波器的擷取速度。DPO 忠實地模擬類比示波器的最佳顯示屬性，用
34、三個維度顯示訊號：時間、振幅和振幅在時間上的分佈，而且所有資訊都是即時顯示的。放大器 類比轉數位 轉換器 數位螢光顯示器微處理器 數位螢光內容的螢幕擷取畫面被定期直接發送到顯示器上，而不用停止擷取。與整合擷取/顯示系統並列的微處理器執行波形 數學運算、量測和前面板控制。入門手冊 16 .tw/oscilloscopes 圖 15.某些 DPO 可以在幾秒鐘內擷取數百萬個波形，明顯提高擷取間歇性難以捉摸事件的機率，揭示動態訊號特性。與類比示波器依賴化學螢光不同，DPO 採用純電子數位螢光，其實際上是一個連續更新的資料庫。對示波器顯示畫面中的每一個圖元，這個資料庫有一個單獨的資訊 單元。每次在擷取
35、波形時，換句話說，每次在示波器觸發時，它都映射到數位螢光資料庫的單元中。表示螢幕位置、波形接觸的每個單元都會使用亮度資訊加強，而其他單元則不會。這樣，亮度資訊會在波形最經常傳送的單元中累積。在數位螢光資料庫輸送到示波器的顯示器時，顯示器會揭示加強的波形區域，且與每個點上的訊號發生頻率成比例，這和類比示波器的亮度階層特性很類似。DPO 還允許作為對比顏色在顯示器上顯示發生頻率變化的資訊，這一點不同於類比示波器。在 DPO 中，可以很容易看到幾乎每次觸發都發生的波形與每 100 次觸發才發生一次的波形之間的差別。數位螢光示波器(DPOs)清除了類比示波器技術與數位示波器技術之間的障礙。它們都同樣適
36、合即時觀察高頻和低頻、重複波形、暫態訊號及訊號變化。只有 DPO 即時提供了 Z(亮度)軸，而傳統 DSO 中則沒有這個軸。DPO 特別適合需要一般性設計和除錯工具的多種應用客戶，如圖 15 所示。DPO 多用於高級分析、通訊遮罩測試、間歇性訊號的數位除錯、重複的數位設計和時序應用。深入瞭解示波器 .tw/oscilloscopes 17 圖16.Zigbee無線電的微處理器PI(MOSI)和(MISO)控制線的時間相關顯示，量測到無線電 IC 的汲極電流和電壓及啟動期間的頻譜。圖 17.MSO 提供 16 個整合的數位通道，能夠觀察和分析時間相關的類比訊號和數位訊號。混合域示波器 混合域示波
37、器(MDO)將RF頻譜分析儀與MSO或DPO結合在一起，實現從數位域、類比域到 RF 域的訊號相關視圖。例如，MDO 可以查看嵌入式設計內部協定、狀態邏輯、類比訊號和 RF 訊號的時間相關顯示，大大縮短獲得資訊所需的時間，降低跨域事件之間的量測不確定度。瞭解嵌入式 RF 設計內部微處理器命令與 RF 事件之間的時間延遲簡化了測試設定，可以在工作台上完成複雜的量測。對嵌入式無線電，如圖 16 所示的 Zigbee 設計，您可以觸發 RF 事件啟動，觀察微處理器控制器解碼的 SPI控制線的命令行時間延遲、啟動過程中的汲極電流和電壓以及發生的任何頻譜事件。您現在可以在一個畫面中，以時間相關的方式觀察
38、無線電的所有域：協定(數位)、類比和 RF。混合訊號示波器 混合訊號示波器(MSO)將 DPO 的效能與 16 通道邏輯分析儀的基本功能結合起來，包括並列/串列匯流排協定解碼和觸發。MSO 的數位通道將數位訊號視作邏輯值高或邏輯值低，就像數位電路觀察訊號一樣。也就是說，只要振鈴、過激量和接地雜訊位準(ground bounce)沒有導致邏輯轉態，那麼這些模擬特性對 MSO 就不成問題。與邏輯分析儀一樣，MSO 使用臨界電壓，確定訊號是邏輯值高還是邏輯值低。在使用強大的數位觸發、高解析度擷取功能和分析工具迅速除錯數位電路方面，MSO 是首選的工具。透過分析訊號的類比和數位表示，可以更迅速地確定許
39、多數位問題的根本原因，如圖 17 所示，使得 MSO 特別適合核對總和除錯數位電路。入門手冊 18 .tw/oscilloscopes 圖 18.數位螢光示波器(DPO)的並列處理架構。數位取樣示波器 與數位儲存示波器和數位螢光示波器架構相比較，在數位取樣示波器的架構中，衰減器/放大器和取樣橋接器的位置顛倒，如圖 18 所示。它先對輸入訊號取樣，然後執行衰減或放大。然後在取樣橋接器後面，可以使用低頻寬放大器，因為訊號已經被取樣閘轉換成較低的頻率，從而大大提高儀器頻寬。然而，這種高頻寬的代價是取樣示波器的動態範圍有限。由於取樣閘前面沒有衰減器/放大器。因此沒有工具對輸入定標。取樣橋接器必須能夠在
40、任何時間處理輸入的整個動態範圍。因此，大多數取樣示波器的動態範圍限定在大約 1 Vp-p。而數位儲存示波器和數位螢光示波器則可以處理 50 100 V。此外，保護二極體不能放在取樣橋接器的前面，因為這會限制頻寬。將取樣示波器的安全輸入電壓限定在大約3 V，相較之下，其他示波器上的安全輸入電壓為 500 V。圖 19.數位取樣示波器的時域反射儀(TDR)顯示。在量測高頻訊號時，DSO 或 DPO 可能不能在一次掃描中擷取足夠的樣點。在準確地擷取頻率成分遠遠高於示波器取樣率的訊號時，數位取樣示波器提供了理想的工具，如圖 19 所示。這種示波器量測訊號的速度要比任何其他示波器快一個量級。對重複訊號，
41、它實現的頻寬和高速時序要比其他示波器高 10 倍。市場上提供了頻寬高達 80 GHz 的串列等時取樣示波器。50 輸入(3 V 最大值)取樣橋接器放大器 深入瞭解示波器 .tw/oscilloscopes 19 示波器的系統和控制功能 本節簡要介紹和數位示波器上的基本系統和控制功能。某些控制功能在和數位示波器之間是不同的，您的示波器可能擁有本文沒有提到的其他控制功能。基本示波器由四種不同的系統組成：垂直系統、水平系統、觸發系統和顯示系統。透過瞭解每個系統，您可以有效運用示波器，處理特定的量測挑戰。回憶一下，每個系統都會影響示波器準確重建訊號的能力。示波器的前面板分成三個主要區域，分別標為垂直、
42、水平和觸發。您的示波器可能會有其他區域，端視示波器的型號和類型而定。在閱讀本節時，看看您是否能從圖 20 中的這些前面板區域，找到您示波器上相應的功能。在使用示波器時，您需要調整三個基本設定，適應輸入訊號：?垂直：訊號的衰減或放大程度。使用伏特/格控制功能，將訊號振幅調整到所需的量程。?水平：時基。使用秒/格控制功能，設定螢幕中水平方向表示的每格時間數量。?觸發：觸發示波器。使用觸發位準穩定重複的訊號，或觸發單個事件。圖 20.示波器的前面板控制功能區域。常用的垂直控制功能包括：?終端 1M 50?耦合 DC AC GND?頻寬 限制 增強?位置?偏移?顛倒 開/關?刻度 固定階梯波 可變 入
43、門手冊 20 .tw/oscilloscopes 圖 21.AC 和 DC 輸入耦合。垂直系統和控制功能 可以使用垂直控制功能，在垂直方向定位和定標波形，設定輸入耦合，調整其他訊號條件。位置和伏特/格 垂直位置控制功能允許在螢幕上想要的具體位置上下移動波形。伏特/格設定(通常寫作 volts/div)是一個在螢幕上改變波形尺寸的刻度因數。如果 volts/div 設定為 5 V，那麼每8 個垂直格線表示 5 V，整個螢幕從下到上能夠顯示 40 V，其中假設一個格線有 8 個大格。如果設定是 0.5 volts/div，那麼螢幕從下到上能夠顯示 4 V，依此類推。在螢幕上可以顯示的最大電壓是 v
44、olts/div 設定乘以垂直格線數量。注意，使用的探棒(1X 或 10X)也會影響刻度因數。如果示波器沒有這種運算功能，那麼必須將volts/div 刻度除以探棒的衰減因數。通常情況下，volts/div 刻度擁有可變增益或精細增益控制功能，將顯示的訊號定標為特定數量的格。可以使用這個控制功能，協助進行上升時間量測。輸入耦合 耦合指將電訊號從一條電路連接到另一條電路使用的方法。在這種情況下，輸入耦合是從測試電路到示波器的連接。耦合可以設定成 DC、AC 或接地。DC 耦合顯示輸入訊號的所有資訊。AC 耦合封鎖訊號的 DC 成分，因此可以看到以零伏特為中心的波形。圖 21 說明了這種差異。AC
45、耦合設定適合用於整個訊號(AC+DC)對volts/div設定太大的情況。接地設定將輸入訊號從垂直系統斷開，讓您看到零伏特位於螢幕上哪個地方。在接地輸入耦合和自動觸發模式下，您在螢幕上會看到一條橫線，這條橫線表示零伏特。從DC 切換到接地、然後再切換回去，增益可以方便地量測相對於接地的訊號電壓位準。頻寬限制 大多數示波器有一條電路，限制示波器的頻寬。透過限制頻寬，可以降低顯示的波形上有時出現的雜訊，得到更乾淨的訊號畫面。注意，在消除雜訊的同時，頻寬限制還會降低或消除高頻訊號成分。具有 2V DC 成分的 Vp-p 正弦波的 DC 耦合 同一訊號的 AC 耦合 深入瞭解示波器 .tw/oscil
46、loscopes 21 頻寬增強 某些示波器可能會提供 DSP 任意平衡濾波器，可以用來改善示波器通道回應。這個濾波器擴展了頻寬，使示波器通道頻率響應平坦化，改善相位線性度，在通道之間提供更好的匹配度。它還會降低上升時間，改善時域階梯波回應。水平系統和控制功能 示波器的水平系統與輸入訊號擷取關係最為密切，這裡要考慮的因素包括取樣率和記錄長度。水平控制功能用來在水平方向定位和定標波形。擷取控制功能 數位示波器擁有設定功能，允許控制擷取系統如何處理訊號。在閱讀本說明時，看一下數位示波器上的擷取選項。圖 22 顯示了擷取功能表實例。擷取模式 擷取模式控制著如何從樣點中產生波形點。樣點是直接從類比轉數
47、位轉換器(ADC)中導出的數位值。取樣間隔指這些樣點之間的時間。波形點是記憶體中儲存的、顯示建構波形的數位值。波形點之間的時間值差稱為波形間隔。常用的水平控制功能包括：?時基?解析度?XY?取樣率?刻度?觸發位置?軌跡分隔?縮放/捲動?記錄長度?搜尋 圖 22.擷取功能表實例。取樣間隔和波形間隔可以相同，也可以不同。因此存在著多種不同的擷取模式，其中一個波形點由多個順序擷取的樣點組成。此外，可以從多次擷取獲得的複合樣點中建立波形點，這提供了另一套擷取模式。下面介紹了最常用的擷取模式。入門手冊 22 .tw/oscilloscopes 圖 23.取樣率隨時基變化：時基設定越慢，取樣率越慢。某些數
48、位示波器提供峰值偵測模式，以較低的掃描速度擷取快速暫態訊號。擷取模式的類型?取樣模式：這是最簡單的擷取模式。透過在每個波形間隔期間保存一個樣點，示波器產生一個波形點。?峰值偵測模式：示波器保存兩個波形間隔期間獲得的最小值樣點和最大值樣點，使用這些樣點作為兩個對應的波形點。即使在時基設定非常低(低速時基設定意味著長波形間隔)時，峰值偵測模式的數位示波器仍很快的取樣率運行 ADC，能夠擷取取樣模式下波形點之間發生的快速訊號變化，如圖 23 所示。峰值偵測模式特別適合觀察時間上相距很遠的窄脈衝，如圖 24 所示。?高解析度模式：與峰值偵測一樣，在 ADC 的取樣率超過時基設定要求時，高解析度模式可以
49、獲得更多的資訊。在這種情況下，在一個波形間隔內部獲得的多個樣點被平均，產生一個波形點。其結果，可以降低雜訊，改善低速訊號的解析度。高解析度模式較平均模式的優勢在於，即使在單次事件上，仍可以使用高解析度模式。?包封模式：包封模式與峰值偵測模式類似。但是，在包封模式下，來自多個擷取的最小波形點和最大波形點結合在一起，構成一個波形，顯示 min/max 隨時間累積情況。峰值偵測模式通常用來擷取組合構成包封波形的記錄。圖 24.峰值偵測模式使得示波器能夠擷取非常短的暫態異常訊號。?平均模式：在平均模式下，示波器像取樣模式一樣，在每個波形間隔期間保存一個樣點。但是，它平均來自多個連續擷取的波形點，產生最
50、後顯示的波形。平均模式可以降低雜訊，而又不會損失頻寬，但要求重複的訊號。?波形資料庫模式：在波形資料庫模式下，示波器累積一個波形資料庫，波形資料庫提供由振幅、時間和數量組成的三個維度陣列。啟動和停止擷取系統 數位示波器最大的優勢之一是能夠儲存波形，以後再查看波形。為此，前面板上通常有一個或多個按鈕，可以啟動和停止擷取系統，從而可以在方便時分析波形。此外，您可能希望示波器在一個擷取完成後或在一個記錄集合已經轉換成包封或平均波形後自動停止擷取。這一功能通常稱為單一掃描或單一序列，其控制功能通常會和其他擷取控制功能或觸發控制功能一起提供。DSO 顯示 的樣點 您看不到的突波 深入瞭解示波器 .tw/
