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選擇對的示波器 讓測試事半功倍吧
正確考慮各種因素

【作者: 王岫晨】   2017年05月22日 星期一

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在當今的科技領域中,示波器是一種功能非常強大的工具,它們適用於各種不同的領域,並提供勝過其他量測與測試設備的許多優點。然而對於許多工程師來說,選擇一台合適的示波器是很不容易的。因為示波器種類繁多,規格各異,價格也不盡相同。如何正確考慮各種因素,避免選購不適用而又昂貴的示波器,已經成為工程師的一大課題。


一般來說,選擇示波器時,顧及到的問題包括:


●一次需要測量多少信號?


●待測信號的最大和最小振幅是多少?


●待測信號的最大頻率是多少?


●待測信號是重複發生的還是單次發生?


●是否需要在頻域(頻譜分析)和時域內分析信號?


事實上,隨著技術的進展,示波器(Digitizer)的特性正不斷地提升,成為讓工程師使用更為便利的量測工具。現階段示波器最顯著功能提升,正是邁入了數位領域,這包括導入數位訊號處理與波形分析等強大功能。數位示波器包含了高速、低解析度(如8位元)的類比數位轉換器(ADC),已定義的控制元與顯示功能,且內建的處理器也可執行常見的量測軟體演算法。


此外,示波器也可利用電腦最新的處理功能與高解析度顯示,來達到高速示波器(Oscilloscope)的其他功能。然而,示波器與高速示波器有許多相似之處,因此在選擇時亦需要考慮多項要點。


頻寬

頻寬(Bandwidth)說明了示波器的類比前端在最小振幅喪失前提下,將外界訊號傳導至ADC(從探針尖端或測試治具傳導到ADC輸入)的能力。示波器頻寬定義為「正弦輸入訊號振幅衰減至70.7%原始振幅時的頻率」,亦大家所熟知的-3dB點。在一般情況下,推薦使用頻率能超過訊號最高頻率的2倍以上的示波器。



圖一
圖一

示波器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。此種訊號均由高頻訊號組成。為了擷取訊號的確實形狀,則需選用高頻寬示波器。舉例來說,10MHz方波是由10MHz正弦波與無數諧波所組成。若要取得該訊號的實際形狀,則所選擇示波器的頻寬必須能夠擷取數個諧波。否則將造成訊號失真與錯誤量測。


取樣率

頻寬為示波器的重要規格之一。但若取樣率不足,頻寬再高也是枉然。頻寬代表以最小衰減而數位化的最高頻率正弦波,而取樣率則為示波器中ADC數位化輸入訊號的定時速率。需注意取樣率與頻寬並無直接的相關性。但此2項重要規格之間存在著必要關係:


示波器的即時取樣率=示波器頻寬的3至4倍


Nyquist定理則表明,為了避免失真,示波器取樣率至少為受測訊號最高頻率要素的2倍。然而,僅達最高頻率的2倍取樣率,仍不足以精確重新產生時域訊號。為了精確數位化輸入的訊號,應挑選即時取樣率至少為頻寬的3至4倍的示波器。對時域應用 (如上升時間、過衝,或其他脈衝測量) 而言,能否清楚呈現訊號極為重要,所以推薦取樣率高、於此類應用中能提供更佳優勢的示波器。


取樣模式

取樣模式主要可分為2種:即時取樣與等效時間取樣(ETS)。


即時取樣率如上所述,除了代表ADC時脈之外,亦表示單次擷取所能取得訊號的最高速率。而ETS則屬於訊號重建方法,是以單次擷取模式所取得的觸發波形為基礎。ETS的優點在於其具備更高的有效取樣率,但缺點卻是耗時更長,且僅適用於重複性訊號。需注意,ETS並不會提高示波器的類比頻寬,且僅適用以更高取樣率重現訊號。


解析度與動態範圍

如上所述,示波器所具備的ADC可將類比訊號轉為數位訊號。ADC所回傳的位元數就是示波器解析度。挑選高解析度示波器的原因之一,就是要測量更小訊號。


有時我們不禁有所一問:為什麼不使用低解析度儀器與較小範圍的訊號,就可以「縮放」訊號而測得低電壓呢?問題在於,很多訊號同時具有小型訊號與大型訊號。使用大範圍雖可量測大型訊號,但小型訊號將藏在大型訊號的雜訊中。換句話說,使用小範圍就必須壓縮大型訊號,而造成量測失真與錯誤。


因此,針對動態訊號的應用 (同時具備大、小型電壓的訊號),就需要較大動態範圍的高解析度儀器,以測出大型訊號中的小型訊號。


傳統示波器通常使用8位元解析度的ADC,但較難以滿足頻譜分析或動態訊號的應用(如調變波形),此類應用則推薦選用高解析度示波器。


觸發

一般來說,示波器均用以擷取特定事件的訊號。儀器的觸發功能則可獨立出特定事件,以擷取事件發生前後的訊號。高階示波器可於2次觸發之間迅速重啟(Re-arm),可進入多重記錄的擷取模式。示波器將根據既定觸發而擷取特定數量的點,並迅速重啟以等待下次觸發。快速重啟功能可確保示波器不致錯過事件或觸發。若僅需擷取並儲存特定資料,則多重記錄模式可達極高效能;除了可最佳化內建記憶體使用狀態之外,並可限制電腦匯流排的活動。


內建記憶體

一般狀態下,資料均由示波器傳輸至電腦,以利量測與分析作業。儘管這些儀器能達最大取樣率(可達數個GS/s),但到達電腦的傳輸率均將受到匯流排(如PCI、LAN,與GPIB)的頻寬限制。目前這些匯流排均難以達到數個GS/s的速率,但PCI Express與PXI Express卻可輕鬆達成。


若匯流排介面無法達到等同於取樣率的連續資料傳輸,儀器內建的記憶體將以最高速率擷取資料,等待電腦進行後續處理。


大容量記憶體不僅可延長擷取時間,亦具備頻域的相關優勢。最常見的頻域量測為高速傅利葉轉換(FFT),可顯示訊號的頻率內容。若FFT可達更高頻率解析度,亦可輕鬆偵測離散頻率。


透過上述方程式,共有2種方式可提升頻率解析度:降低取樣率或增加 FFT 中的取樣點。由於降低取樣率將同時降低頻率帶寬,因此並不屬於理想的解決方案。因此,最好是能擷取更多資料點進行 FFT,而這時應挑選有更大容量記憶體的示波器。


通道密度

購買示波器的考量要素之一即為儀器通道數,或是否可同步多組儀器以提升通道數。多款示波器除了具備2或4個通道之外,亦可透過特定取樣率進行同步取樣。當使用示波器的所有通道時,必須注意取樣率所受影響的程度。目前常見的所謂分時取樣 (Time-interleaved sampling),即是交叉多個通道而達到較高取樣率。若示波器使用此技術並搭配所有通道時,就較難以達到最高擷取速率。


所需通道數完全根據特定應用而有所不同。傳統2或4通道產品已經難以滿足目前的應用需求,而此時有2種解決方法。首先是選擇高通道密度的產品。若找不到可滿足解析度、速率,與頻寬等需求的儀器,則選用的平台應可精密同步,並可共用觸發與時脈,以隨時調整測試系統。由於GPIB或LAN具備高潛時、傳輸量受限,並需要額外接線,因此實際上難以同步化多組箱型示波器;此時PXI匯流排則可為較佳的解決方案。PXI已成為工業級標準,並針對現有的高速匯流排(如PCI與PCI Express)新增世界級水準的同步技術。


軟體、分析功能,與可客制化特性

當選擇模組化示波器或獨立示波器時,軟體與分析功能亦為考量要點。獨立示波器是由製造商所定義,而一般示波器可由使用者於應用中彈性定義之。箱型示波器具備多項標準功能,可滿足工程師的常見需求。而這些標準功能不一定適用於所有應用,針對自動化測試應用尤為如此。若使用者必須定義示波器所將進行的量測作業,則推薦使用模組化的示波器,可透過電腦架構進而客制化,以滿足特殊需求,不致受限於獨立示波器的固定功能。


結語

測試條件百百種,最昂貴或者最多功能的示波器,往往並不見得是最適合。在購置一台示波器之前,重要的是先瞭解自己的需求,仔細想想所需要的頻寬、取樣率、以及記憶體大小等。特別是除了箱型式的示波器之外,更有廠商以PXI平台來提供客戶更高的示波器使用彈性。


本文針對了示波器的使用,列出了許多關鍵的考量點,讓企業可以先行檢視自身的需求,不至於浪費了不必要的金錢,購置了不夠用,或者功能過剩的示波器。


(本文參考資料:選用示波器所需考慮的10大要素)


解決方案--羅德史瓦茲RTO示波器

台灣羅德史瓦茲:「RTO擁有最廣泛的應用範圍!」



圖二 :  羅德史瓦茲RTO示波器
圖二 : 羅德史瓦茲RTO示波器圖片來源:rohde-schwarz.com

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。


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。


解決方案--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:「最低雜訊和最高有效位元,才能滿足高頻測試應用。」



圖三 :  太克科技DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器
圖三 : 太克科技DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器圖片來源:tektronix.com

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。


解決方案--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。」



圖四 : 是德科技Infiniium V系列示波器
圖四 : 是德科技Infiniium V系列示波器圖片來源:keysight.com

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。


解決方案--NI PXI架構高速示波器

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。」



圖五 :  NI PXI架構儀器
圖五 : NI PXI架構儀器圖片來源:ni.com

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。NI高速示波器搭載了NI專利T-Clock同步化技術,可藉此建置高達34個相位同步1GS/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。


大多數的自動化測試與多重工作台應用,均需要多類型的儀器,如示波器、訊號產生器、數位波形分析器、數位波形產生器,與切換器等。


PXI與NI模組化儀器既有的時序與同步化功能,可同步上述的所有儀器,且不需額外接線。PXI的模組化特性大幅提升了速度,且使用者不需再耗時操作,進而提高效率。


此外,T-Clock同步化技術僅需單一PXI機箱達到136個同步化通道,或以多組機箱達到最多5,000個通道;當然,該技術亦可同步化不同類型的儀器。另外亦可挑選模組化PXI示波器搭配任意波形產生器,或數位波形產生器/分析儀,以建構完整的混合式訊號應用,可達到示波器與邏輯分析器的優點,而不會僅限於數位化功能的示波器。


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