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選擇示波器十大考量

綜覽

相較於德國科學家 Karl Ferdinand Braun 於 1897 年所發明的陰極射線示波器,現代的數位儲存示波器已有極大不同。在科技進步的同時,新功能也隨之而生,讓示波器對工程師而言更為實用;不過示波器最重大的其中一項變化在於轉移至數位領域,因此能提供強大功能,例如數位訊號處理與波形分析等等。現在的數位示波器都包含高速且低解析度 (一般為 8 位元) 的類比轉數位轉換器 (ADC)、經定義的控制與顯示功能,並內建處理器,可針對常見量測作業執行軟體演算法。

由於示波器為 PC-Based,因此您可享有於軟體中定義儀器功能的優勢。這麼一來,示波器不但能用於一般量測,亦可用於客制化量測,甚至還可做為頻譜分析儀、頻率計數器、超音波接收儀或其他多種儀器使用。示波器具有開放的架構與靈活的軟體,因此能提供傳統獨立式示波器所缺少的數項優勢。選擇示波器時,需要謹記多項考量,以選擇適合應用的儀器。

本文討論在考慮採用新示波器時應謹記的十大考量。

內容

頻寬

「頻寬」代表能在最低振幅損耗下通過類比前端的輸入訊號頻率範圍,也就是從探針尖端或測試設備至 ADC 輸入。頻寬的定義是,當正弦輸入訊號衰減至原始振幅的 70.7% (亦即 -3 dB 點) 時的頻率。

一般而言,推薦使用頻寬可達訊號最高頻率分量 2 倍以上的示波器。

示波器通常用於量測訊號的上升時間,如數位脈衝或其他具尖銳邊緣的訊號。這類訊號皆由高頻訊號內容組成。若要擷取訊號的確實形狀,需要使用高頻寬的示波器。例如,10 MHz 方波是由一個 10 MHz 正弦波與此正弦波的無數個諧波所組成。若要擷取此訊號的確實形狀,所使用的示波器頻寬必須大到足以擷取其中數個諧波。否則訊號就會失真,量測也會錯誤。

 

 

利用開啟 20 MHz 雜訊濾波器的 NI PXI-5152 示波器所擷取到的 5 MHz 方波。

 

利用 NI PXI-5152 示波器的 300 MHz 頻寬所擷取到的 5 MHz 方波

圖 1:在擷取具高頻率分量的波形時,使用高頻寬示波器十分重要。

 


通常使用下列公式即可根據訊號的上升時間 (定義為訊號振幅從 10% 轉至 90% 所需的時間) 來求得其頻寬。

 

上升時間 = 0.35 / 頻寬

圖 2:上升時間定義了訊號從滿標值的 10% 上升至 90% 的所需時間。  上升時間與頻寬直接相關,因此使用上述方程式即可從其中一個值計算出另一個值。

 


在理想情況下,所使用的示波器頻寬應為上述方程式所得訊號頻寬的 3 至 5 倍。換句話說,示波器的上升時間應為訊號上升時間的 1/5 至 1/3,才能以最小誤差擷取訊號。只要反向計算,即可根據下列公式來判斷訊號的實際頻寬:



= 量測的上升時間,= 實際訊號上升時間,= 示波器的上升時間

 

取樣率

在前一段中說明了何謂頻寬,這是示波器中最重要的規格之一。不過,如果取樣率不足,高頻寬能提供的助益也不多。


頻寬代表能在最低衰減下數位化的最高頻率正弦波,而取樣率則是示波器的類比轉數位轉換器 (ADC) 透過設定時脈,將輸入訊號數位化的速率。請謹記,取樣率與頻寬之間並非直接相關。不過,這 2 項重要規格之間的理想關係,通常符合一項原則:

 

示波器即時取樣率 = 3 至 4 倍的示波器頻寬

 

奈奎斯特定理 (Nyquist Theorem) 指出,若要避免失真,示波器取樣率至少需達受測訊號最高頻率分量的 2 倍。然而,如果只以最高頻率分量的 2 倍進行取樣,並不足以準確重現時域訊號。若要準確地將輸入訊號數位化,示波器的即時取樣率至少應達其頻寬的 3 至 4 倍。請參見下圖以了解箇中原因,並思考您希望在示波器上看到哪一種數位化訊號。

 

 

圖 3:右圖顯示的示波器取樣率夠高,因此可以準確重建訊號,進而讓量測更為準確。

 

在這 2 種情況下,雖然通過前端類比電路的實際訊號都完全相同,但左圖的取樣偏低,因此數位化訊號會失真。相較之下,右圖則具有足夠的取樣點,因此可準確重建訊號,進而讓量測更為準確。對於時域應用 (上升時間、過衝或其他脈衝量測等) 而言,能否清晰呈現訊號至關重要,因此具備較高取樣率的示波器可為這類應用帶來更多助益。

 

 

取樣模式

主要的取樣模式 有 2 種:即時取樣與等時取樣 (ETS)。

在前述內容中所討論的是即時取樣率,即時取樣率除了說明 ADC 時脈率之外,也代表可在單次擷取內擷取輸入訊號時的最高速率。另一方面,等時取樣是重建訊號的方法,並以在單次擷取模式中分別取得的一系列觸發波形為基礎。ETS 的優勢在於,其可提供較高的有效取樣率。然而,缺點則是需要較長時間,而且僅適用於重複性訊號。請注意,ETS 不會增加示波器的類比頻寬,而是只適用於需要以較高取樣率重建訊號的情況。常見的 ETS 實作方式為隨機間隔取樣 (RIS),下表所列的大多數 NI 示波器均具備此功能。

 

解析度動態範圍

如上所述,數位示波器具有 ADC,可將訊號從類比訊號轉換為數位訊號。ADC 所傳回的位元數,即為示波器的解析度。針對任何特定的輸入範圍,以數位方式來呈現訊號的可能離散等級數為「2b」,此處「b」代表解析度。輸入範圍會劃分為「2b」步進,而示波器所能偵測的最小可能電壓則為「輸入範圍/2b」。例如,8 位元示波器會將 10 Vpp 輸入範圍劃分為 28 = 256 個等級,且每個等級為 39 mV;24 位元示波器則將同樣的 10 Vpp 輸入範圍劃分為 224 = 16,777,216 個等級,每個等級為 596 nV (大約為 8 位元示波器的 1/65000)。

使用高解析度示波器的其中一個原因,是為了量測較小的訊號。大家有時會問:「為什麼不乾脆使用解析度較低的儀器與較小的範圍來『放大』訊號,藉此量測較低電壓?」 然而,許多訊號皆同時具備小訊號分量與大訊號分量。雖然使用較大的範圍即可量測大訊號,但是小訊號就會落入大訊號的雜訊之中。另一方面,使用較小的範圍時就會截割大訊號,導致量測失真且無效。所以,針對包含動態訊號 (具有大小電壓分量的訊號) 的應用,需要使用高解析度儀器,因為其動態範圍較大 (讓示波器能在大訊號存在的情況下,同時量測小訊號)。

 

觸發

一般而言,示波器用於根據特定事件擷取訊號。此儀器的觸發功能可將該事件隔離,並擷取事件前後的訊號。大部分示波器皆包含類比邊緣、數位與軟體觸發功能。其他觸發功能選項則包含視窗、磁滯與視訊觸發。

高階示波器可在不同觸發之間快速重新設定,因此能提供多重記錄擷取模式,讓示波器能針對特定觸發擷取指定的點數量,接著快速重新設定並等待下一次觸發。快速重新設定的特性,可確保示波器不會錯過事件或觸發。多重記錄擷取模式非常適合用於只擷取與儲存所需資料的作業,因此能將內建記憶體的使用最佳化,同時限制 PC 匯流排的活動。

 

內建記憶體

通常資料會從示波器傳輸至 PC,以供量測與分析之用。雖然這些儀器能以達數 GS/s 範圍的最高速率取樣,然而,將資料傳輸至 PC 的速率,卻會受到 PCI、LAN、GPIB 等連接匯流排的頻寬限制。雖然上述匯流排的速率目前皆無法達到數 GS/s,不過隨著 PCI Express 與 PXI Express 的資料速率不斷提升,可達數 GB/s,前述情況將不再是問題。

若介面匯流排無法持續以擷取取樣率進行資料傳輸,此時可透過儀器的內建記憶體,以最高速率擷取訊號,隨後再將資料提取至 PC 以供進行後續處理。

 

內建記憶體不但能拉長取得時間,也具備頻域優勢。最常見的頻域量測為快速傅利葉轉換 (FFT),可顯示訊號的頻率內容。如果 FFT 具有較精細的頻率解析度,即可更輕鬆地偵測離散頻率。

 

 

在上述方程式中,有 2 種方式可改善頻率解析度:降低取樣率,或增加 FFT 中的取樣點。降低取樣率通常並非理想解決方案,因為這項做法也會降低頻展。在這種情況下,唯一的解決方案為針對 FFT 擷取更多點,而如此一來,就需要更多內建記憶體。


 
圖 4:更多內建記憶體,意味著能持續以高取樣率進行更長時間的取樣,以擷取更多點。  若能使用較多點計算 FFT,即可達到較高的頻率解析度。

 

通道密度

在判斷是否購買示波器時,其中一項重要考量因素為儀器的通道數,或是能否藉由同步多個儀器以增加通道。大多數示波器皆具備 2 至 4 個通道,每個通道皆能以特定速率同步取樣。在使用示波器的所有通道時,必須注意取樣率會受到何種影響。這是因為一種名為「分時取樣」的常用技巧使然,也就是將多個通道交叉以達到較高的取樣率。如果示波器使用此方法,且您使用所有通道,那麼就可能無法以最高擷取率進行擷取作業。

所需通道數完全需視您的特定應用而定。通常來說,傳統的雙通道或 4 通道可能已不足以因應特定應用;而在這種情況下,有 2 種選項可供選擇。第一種為使用通道密度較高的產品,例如 8 通道 (同步) NI PXIe-5105 這款 12 位元、60 MS/s、60 MHz 的示波器。 如果您無法找到符合解析度、速度與頻寬需求的儀器,應考慮使用可提供緊密同步功能以擴充測試系統的平台,同時還要能分享觸發與時脈。由於 GPIB 或 LAN 的潛時高、傳輸量受限且需要外接連接線,因此實際上無法透過 GPIB 或 LAN 將數個箱型示波器同步;不過,PXI 可為此提供優異的解決方案。PXI 為業界標準,可將世界級的同步化技術新增至 PCI 與 PCI Express 等現有的較高速匯流排中。

圖 5:使用同步化技術,即可建立高通道數的示波器。  上圖所示為提供高達 68 個通道的系統。  其也能同步多個機箱,以進一步增加通道數。

 

多裝置的同步化是許多應用的關鍵需求,通常可能會因此延長軟體的開發時間。 不過,利用同步化與記憶體核心 (SMC) 架構建置而成的 NI 示波器,則能利用 NI-TClk,以最少的開發作業實現精確同步化。 NI-TClk 提供高階介面,可針對多個 NI 示波器、任意波形產生器與高速數位 I/O 介面卡的同步化進行程式設計。 此外,還有多種預先撰寫的範例可執行這類同步化作業,讓操作更易上手。 在 LabVIEW 環境中進行程式設計時,以下所示的 3 項函式 (niTClk Configure for Homogeneous Triggers、niTClk Synchronize 與 niTClk Initiate) 是對多個 PXI 示波器執行同質同步化時的所需函式。

  

儀器同步化

幾乎所有自動化測試應用與許多工作台應用皆涉及多種類型儀器,如示波器、訊號產生器、數位波形分析儀、數位波形產生器與切換器等。

運用 PXI 與 NI 模組化儀器內建的時序與同步化功能,即可將上述所有類型的儀器同步化,並且無需外部連接線。 例如,我們可整合 PXI 示波器PXI 波形產生器以執行參數掃頻,在對受測裝置的頻率與相位響應進行特性分析時,這項功能十分實用。整段掃頻作業皆可自動化,因此無需手動設定示波器與產生器的參數,還能繼續進行離線分析。採用 PXI 的模組化方式可大幅提升速度,讓您能將焦點放在結果上,不需要花費額外心力在為獲得前述結果所需的麻煩步驟上,因此也能改善效率。

混合訊號功能

T-Clk 技術讓您可在單一 PXI 中,建立具備多達 136 個同步化通道的系統,或是使用多個機箱建立通道多達 5,000 個系統 (如前段所述);而這項相同技術也能讓您將不同類型的儀器同步化。例如,可透過 T-Clk 技術將 NI 示波器以及訊號產生器、數位波形產生器與數位波形分析儀同步化,以建立混合訊號系統。

 

 
圖 6:上方 VI 所示的應用,已設定為適用於混合訊號示波器 (類比與數位輸入) 功能。 此外,也可將數位或類比輸出功能新增至應用,而且所有儀器仍可進行同步化。


與其勉強選擇數位功能受限的混合訊號示波器,您可選擇使用具有任意波形產生器與數位波形產生器/分析儀的模組化 PXI 示波器,以建立完整的混合訊號應用,同時享有示波器與邏輯分析儀的優勢。

 

軟體、分析功能功能

為應用選擇模組化示波器或獨立式示波器時,判斷軟體與分析功能至關重要,且這項因素可協助您在 2 種儀器間做出選擇。

獨立式示波器是由廠商定義,模組化示波器則為使用者定義,可在其能因應的應用中靈活調整。箱型示波器提供多種標準功能,這些功能皆是許多工程師的常見需求。標準功能自然無法解決所有應用問題,尤其是自動化測試應用的問題。如果您需要定義示波器執行的量測作業,則可選擇模組化示波器,如此不但能善用 PC 架構,還能依您的需求客制化應用,無需受限於獨立式示波器的固定功能。

NI 示波器皆使用免費的 NI-SCOPE 驅動程式軟體進行程式設計。此驅動程式具有超過 50 個預先撰寫的範例程式,並特別著重於 NI 示波器的完整功能;而隨附的 NI-SCOPE 軟體人機介面,則提供近似於示波器的熟悉介面。此外,也可使用 NI LabVIEW、LabWindows/CVI、Visual Basic 與 .NET 等程式設計語言,針對多種應用中的一般量測與客制化量測作業,進行前述硬體的程式設計。驅動程式也支援 LabVIEW 的 Express 組態架構函式。

 

圖 7:您可將 NI 示波器搭配 NI LabVIEW 抖動分析工具組一併使用,以在 NI LabVIEW 中執行訊號完整性量測作業

 

  

「Oscilloscope」「Digitizer」這 2 種示波器之間差異為何?

如果需要優於 Oscilloscope 的客制化功能,例如要進行行內 FPGA 處理作業,那麼相較於 Oscilloscope,Digitizer 可能較為適合您的應用。例如,FlexRIO digitizer 也具備高效能類比至數位轉換器,但提供更高程度的客制化。Oscilloscope 可做為通用測試設備,並具備靈活的前端與可選的輸入範圍與設定;而 Digitizer 通常則是較為特定的解決方案,適用於特定應用,例如在進行科學或醫療儀器的設計或原型製作作業時,即適合使用 Digitizer。

不同於模組化的 Oscilloscope,FlexRIO Digitizer 具有固定式類比前端、最低程度的開箱即用軟體功能,以及一般/量測規格 (相對於 NIST 認證)。這類裝置通常具備擷取速度,並可經由 FPGA 達到更高程度的客制化,或進行行內訊號處理作業。

執行一個步驟

雖然模組化示波器與獨立式示波器皆可用於擷取電壓,但這些儀器所具備的優點各不相同。 不過,無論打算購買哪一種儀器,皆務必注意上述的考量。  事先考慮應用需求、成本限制、效能與未來擴充性,有助選擇最能滿足所有需求的儀器。