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功能攀升 示波器以更強大姿態面世
進步技術賦予全新特性

【作者: 王岫晨】   2016年08月29日 星期一

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現今各種電子裝置蓬勃發展,從消費型電子、到汽車電子,甚至高階的通訊與國防,我們的身邊,早已伴隨著各式各樣的電子信號。而日新月異的功能不斷被開發出來,設備本身的運算速度也不斷提升。更快速更多元的產品設計趨勢,讓研發人員也必須升級手上的測試儀器,才有辦法分析更複雜的電路設計與電子訊號。


為了要擷取訊號,就必須要透過示波器。示波器這種測試儀器,主要是用於顯示某個變數與另一個變數間的函數關係。舉例來說,它可以在顯示器上繪製一個電壓與時間的XY軸圖表。如果工程師是想測試某個電子元件是否正常運作,這項功能會很有用。倘若想知道移除元件之後會出現何種信號波形,就可以使用示波器來查看元件是否可正常輸出正確信號。最新的示波器都能自動執行大部分的量測,當然也給予測試工程師自行調整的彈性。


信號完整性

示波器主要的用途,在於準確地再現電氣信號,因此信號完整性顯得非常重要。信號完整性是指示波器重建波形,準確再現原始信號的能力。信號完整性太低的示波器,是沒有價值的。因為當示波器的波形形狀或特性,與真正的信號不一樣時,執行測試便毫無意義。


但不論示波器的品質有多好,也無法完全重現真正的信號。這是因為當示波器連接到電路時,示波器就會變成電路的一部分。換言之,會有一些負載效應產生。儘管儀器製造商盡可能將這樣的負載效應減到最小,但就某種程度上,這些效應將會一直存在。


示波器雖然不同的種類與品牌非常多,但大部分的示波器都還是具有一些基本的特性。示波器的面板大致可以分成幾個主要區塊:通道輸入、顯示器、水平控制、垂直控制、以及觸發控制等。而如果示波器未配備Windows作業系統,很可能還另外提供一組按鍵,讓工程師可以控制螢幕上的功能表。而許多示波器也都具備了PC的連接功能,包括光碟機、USB埠、串列埠,以及外接式監視器、滑鼠與鍵盤輸入等。


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。使用者可以用相當合理的價格,買到非常實用的示波器。


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。高效能示波器主要的優點,是可以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。但價格昂貴且體積較大,是高效能示波器主要缺點。


強化的示波器

隨著電子設備頻繁採用射頻和數位元件,測試儀器也開始整合高級測量工具,應用於高速信號的測試用途。

現代示波器不再只是一個時域測量工具。它已演變成為能夠進行頻域測量,因此能夠滿足LTE和WLAN等無線通信系統的信號驗證和調試需求。示波器使用快速傅立葉變換(FFT)功能或頻譜分析軟體,可透過儀器內置的多種增強測試功能,來執行這些測量。


示波器依據特性,又分為類比示波器,與數位儲存示波器(DSO)。隨著電子設備越來越多頻繁採用射頻和數位元件,測試設備也開始整合更多高級的測量工具,應用於高速信號的測試用途。而數位示波器當然也緊跟著這樣的趨勢,整合了更多不同的功能,例如波形發生器、邏輯分析儀,以及串行協議和頻譜分析功能等。


在某些情況下,對於射頻信號測試,數位示波器可能比信號分析儀等頻域儀器更便利。這對於頻率在3.1GHz至10.6GHz、數據速率高達1024Mb/s的新興超寬頻(UWB)通信系統來說,更為重要。雖然信號分析儀具有更好的動態範圍和更小的失真,但對於信號分析來說,現代示波器卻具有更高測量頻寬和更多自動化功能的優勢。


與德國科學家Karl Ferdinand Braun於1897年發明的陰極射線示波器(Cathode ray oscilloscope)相較,現有的數位儲存示波器已大不相同。進步的技術不斷提升示波器的新特性,更適合讓工程師使用。其中最顯著提升的功能之一,便是示波器進入數位領域,導入數位訊號處理與波形分析等強大功能。


現在的數位示波器包含高速、低解析度(一般為8位元)的類比數位轉換器(ADC),已定義的控制元與顯示功能,且內建的處理器可執行常見量測作業的軟體演算法。


另外來說,示波器可利用電腦最新的處理功能與高解析度顯示,並保留高速示波器的其他功能。由於示波器屬於電腦架構,讓使用者能透過軟體而定義儀器功能。因此,示波器不僅能夠用於示波器量測,亦可用於客制化量測,甚至用於頻譜分析器、頻率計數器、超音波接收器,或更多儀器。


相較於傳統的獨立示波器,開放架構與靈活軟體,均讓示波器具備更多優勢。然而,示波器(Digitizer)與高速示波器(Oscilloscope)有許多相似之處,因此在選擇時亦需要考慮多項要點。


  • ‧ 頻寬


  • ‧ 取樣率


  • ‧ 取樣模式


  • ‧ 解析度與動態範圍


  • ‧ 觸發


  • ‧ 內建記憶體


  • ‧ 通道密度


  • ‧ 多重儀器同步化


  • ‧ 混合訊號功能


  • ‧ 軟體、分析功能,與可客制化特性



結語

雖然模組化示波器與獨立示波器均可擷取電壓,但不同儀器具備不同優點。而上述的考慮因素均極為重要。使用者應先考慮應用需求、成本限制、效能,與未來的可擴充性,再選出可滿足需求的儀器。


羅德史瓦茲RTO示波器


台灣羅德史瓦茲總經理蔡吉文:「RTO擁有最廣泛的應用範圍!」

羅德史瓦茲RTO示波器提供達128位元的序列資料觸發,因此能提供精確的個別位元序列觸發;透過升級時脈資料回復硬體選配,則成為嵌入式時脈訊號測試的理想選擇。


蔡吉文說,RTO示波器系列的應用範圍,還可以擴大至車用乙太網路介面測試。此外,由於在工業、資訊科技及汽車領域,都必須使用乙太網路交換技術,因此R&S也為RTO數位示波器系列提供了乙太網路介面自動化測試方案,其高動態範圍將提供使用者精確的測試結果。



圖1 :  羅德史瓦茲RTO示波器
圖1 : 羅德史瓦茲RTO示波器圖片來源:rohde-schwarz.com

太克科技DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器


太克科技大中華區產品技術總監陳湘俊:「對於技術絕不妥協,才能滿足高頻測試應用。」

在示波器市場上,必須面對兩個重要的趨勢,分別是高速通訊與寬頻射頻的發展。高速通訊需求載波在收發器設計中尋求 更多網路容量、由於時間餘裕小因此需要全新的抖動分離法、以及光調變分析、和精確的低雜訊量測功能。


陳湘俊說,太克推出DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器,正是為了要滿足這樣的需求。這台示波器提供了超高頻寬即時示波器中,最低的雜訊和最高的有效位元。而一系列創新技術,可以有效滿足開發高速相干光系統,或進行尖端研究的工程師和科學家的目前和未來需求。



圖2 :  太克科技DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器
圖2 : 太克科技DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器圖片來源:tektronix.com

是德科技Infiniium V系列示波器


是德科技台灣區總經理張志銘:「我們讓開發工程師能夠精準洞察所量測到的信號。」

全球示波器擁有12億美元的市場規模,如此大的一塊餅,當然也吸引了許多廠商競相開發更好的產品,來獲取更大的商機。而在高階示波器市場上,是德科技也持續扮演著領導者的角色。面對高速數位訊號測試需求不斷提升的情況下,是德科技也推出全新的Keysight Infiniium V系列示波器,來補足高階示波器市場的最後一塊拼圖。


張志銘說,Keysight Infiniium V系列問世後,工程師便可又快又準確地執行所有測試,進而更快將新產品推出上市,並且增強對設計品質的自信度。



圖3 :  是德科技Infiniium V系列示波器
圖3 : 是德科技Infiniium V系列示波器圖片來源:keysight.com

NI高速示波器


國家儀器技術行銷經理潘建安:「PXI架構可大幅縮短測試時間。」

NI 高速示波器具有強大的儀器整合,再加上高輸出 PXI 匯流排有助於縮短測試時間,非常適合高頻寬自動化量測作業。這些示波器搭載了 NI 專利 T-Clock 同步化技術,可藉此建置高達 34 個相位同步 1 GS/s 通道所組成的系統,並且進一步整合其他 NI 硬體,打造出完整的自動化混合式訊號測試系統。



圖4 :  NI PXI架構儀器
圖4 : NI PXI架構儀器圖片來源:ni.com
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