示波器入門手冊
評估示波器
易用性
示波器應該易於學習和使用，協助您以最高的效率和生產力運作。這意味著您可以專注於您的設計，而不是量測工具。正如沒有一個典型的汽車司機一樣，也沒有一個典型的示波器使用者。無論您喜歡傳統的儀器介面或是 Windows® 軟體介面，示波器操作的靈活性都非常重要。許多示波器透過提供多種操作儀器的方式在效能和簡單性之間取得平衡。典型示波器的前面板佈局 (圖 60) 提供專用的垂直、水平和觸發控制項。
圖 60: 傳統的類比式旋鈕控制位置、刻度、強度等——正如您所期望。
完整的量測系統探棒
即使是最先進的儀器也只能與輸入的資料一樣精確。探棒與示波器會一起作為量測系統的一部分運作。精密的量測始於探棒頭。與示波器和待測裝置 (DUT) 相相符的正確探棒不僅可以將訊號乾淨地傳送置示波器，還可以放大和保留訊號，以獲得最大的訊號完整性和量測準確度。如需更多有關探棒和探棒附件的資訊，請參閱 Tektronix《探棒 ABC 入門手冊》。
頻寬
頻寬決定了示波器量測訊號的基本能力。隨著訊號頻率的增加，示波器準確顯示訊號的能力會下降。頻寬規格表示示波器可以準確量測的頻率範圍。
示波器頻寬被指定為正弦輸入訊號衰減到訊號真實振幅的 70.7% 時的頻率，稱為 –3 dB 點，這是一個基於對數刻度的術語，如圖 44 所示。
圖 44: 示波器頻寬是正弦輸入訊號衰減到訊號真實振幅 70.7% 時的頻率，稱為 -3 dB 點。
如果沒有足夠的頻寬，示波器就無法分辨高頻變化。振幅失真。邊緣消失。細節遺失。示波器中的所有功能、附屬特性都將毫無意義。
若要確定在您的特定應用中準確地分析訊號振幅特性所需的示波器頻寬，請應用「5 倍法則」(5 Times Rule)：
示波器頻寬 ≥ 訊號的最高頻率分量 x 5
5 倍法則
使用「5 倍法則」選擇的示波器在您的量測中提供小於 ±2% 的誤差。這對於現今的應用來說通常已經足夠。但是，隨著訊號速度的增加，可能無法達成這一經驗法則。請記住，更高的頻寬可能會提供更準確的訊號再現，如圖 45 所示。
圖 45: 頻寬越高，訊號的再現就越準確，如在 250 MHz、1 GHz 和 4 GHz 頻寬水平擷取的訊號所示。
有些示波器提供了一種透過數位訊號處理 (DSP) 提高頻寬的方法。DSP 任意等化濾波器可用於改善示波器通道響應。此濾波器擴展了頻寬，使示波器的通道頻率響應變平坦，提高了相位線性度，並在通道之間提供了更好的相符性。同時還減少了上升時間並改善了時域步進響應。
上升時間
上升時間描述了示波器的有用頻率範圍。上升時間量測在數位世界中極為重要。當您希望量測數位訊號 (例如脈衝和步進) 時，上升時間可能是更合適的效能考慮因素。示波器必須有足夠的上升時間才能準確擷取快速轉換的細節 (圖 46)。
圖 46: 高速數位訊號的上升時間特性分析。
若要計算您的訊號類型所需的示波器上升時間，請使用以下公式：
示波器上升時間 ≥ 訊號的最快上升時間 x 1/5
示波器上升時間
使用此公式的情況類似於使用頻寬公式。與頻寬的情況一樣，考慮到現今訊號的極端速度，可能不一定能使用此經驗法則。永遠記住，具有更快上升時間的示波器將更準確地擷取快速轉換的關鍵細節。
在某些應用中，您可能只知道訊號的上升時間。常數允許您使用以下公式關聯示波器的頻寬和上升時間：
頻寬 = K/上升時間
頻寬和上升時間
其中 K 是介於 0.35 和 0.45 之間的值，具體取決於示波器頻率響應曲線和脈衝上升時間響應的形狀。頻寬 <1 GHz 的示波器通常具有 0.35 值，而頻寬 > 1 GHz 的示波器通常具有 0.40 和 0.45 之間的值。
有些邏輯分析儀系列原本就能比其他邏輯分析儀系列產生更快的上升時間 (圖 47)。
圖 47: 一些邏輯系列天生就比其他邏輯系列產生更快的上升時間。
取樣率
取樣率以每秒取樣數 (S/s) 為單位。此值定義了數位示波器拍攝訊號快照或取樣的頻率，類似於電影中的畫面。示波器取樣的速度越快 (即取樣率越高)，所顯示波形的解析度和細節就越高，關鍵資訊或事件遺失的可能性就越小 (圖 48)。
圖 48: 更高的取樣率提供更高的訊號解析度，確保您會看到間歇性事件。
如果您需要在較長時間內查看緩慢變化的訊號，則最小取樣率也可能很重要。通常，顯示的取樣率隨著水平刻度控制項的變化而變化，以保持顯示的波形記錄中的波形點數不變。 您如何計算取樣率要求？ 方法會因您量測的波形類型和示波器使用的訊號重建方法而異。
為了準確地重建訊號並避免混疊，奈奎斯特 (Nyquist) 定理指出，訊號的取樣速度必須至少是其最高頻率分量的兩倍。然而，該定理是假設記錄長度無限且訊號連續。由於沒有示波器可提供無限的記錄長度，並且根據定義，突波並非連續，因此僅以最高頻率分量的兩倍速率進行取樣通常不夠。
實際上，訊號的準確重建取決於取樣率和用於填充取樣之間空間的內插法。某些示波器允許您選擇用於量測正弦訊號的 sin (x)/x 內插，或用於方波、脈衝和其他訊號類型的線性內插。
為了使用 sin (x)/x 內插法進行精確重建，示波器的取樣率應至少為訊號最高頻率分量的 2.5 倍。使用線性內插法時，取樣率應至少為最高頻率訊號分量的 10 倍。
某些取樣率高達 10 GS/s 和頻寬高達 3+ GHz 的量測系統經過最佳化，可透過高達 5 倍頻寬的過取樣來擷取非常快速的單次和暫態事件。
關於頻寬和取樣率的說明
數位方法意味著示波器可以穩定、明亮和清晰地顯示其範圍內的任何頻率。對於重複訊號，數位示波器的頻寬是示波器前端元件類比頻寬的函數，通常稱為 –3 dB 點。對於單次事件和暫態事件，例如脈衝和步進，頻寬可能受示波器取樣率的限制。
波形擷取率
所有的示波器都會「眨眼」。也就是說，他們每秒張眼一定次數以擷取訊號，然後在此動作之間閉眼。這就是波形擷取率，以每秒波形數 (wfms/s) 表示。取樣率表示示波器在一個波形或週期內對輸入訊號進行取樣的頻率，而波形擷取率是指示波器擷取波形的速度。
波形擷取率變化很大，這取決於示波器的類型和效能等級。具有高波形擷取率的示波器提供了對訊號行為的更直覺洞察，並顯著增加了示波器快速擷取暫態異常 (例如抖動、矮波脈衝、突波和轉換錯誤) 的可能性。 數位儲存示波器 (DSO) 採用串列處理架構以擷取 10 至 5,000 wfms/s。有些 DSO 提供了一種特殊模式，可將多次擷取突發到長記憶體中，暫時提供更高的波形擷取率，然後是較長的處理死區時間，進而降低擷取罕見、間歇性事件的可能性。
大多數的數位螢光示波器 (DPO) 是採用並行處理架構來提供更高的波形擷取率。一些 DPO 可以在短短幾秒鐘內擷取數百萬個波形，進而顯著增加擷取間歇性和難以捉摸的事件的可能性，並使您能夠更快地發現訊號中的問題 (圖 49)。
圖 49: DPO 為非重複、高速、多通道數位設計應用提供了理想的解決方案。
此外，DPO 能夠即時擷取和顯示訊號行為的三個維度 (振幅、時間和振幅隨時間的分佈)，進而可以更徹底地洞察訊號行為 (圖 50)。
圖 50: DPO 透過提供更高的波形擷取率和三維顯示，達成對訊號行為的更高等級的洞察力，使其成為適用於各種應用的最佳通用設計和疑難排解工具。
記錄長度
記錄長度，表示為組成完整波形記錄的點數，決定了每個通道可以擷取的資料量。由於示波器只能儲存有限數量的取樣，因此波形持續時間 (時間) 與示波器的取樣率將成反比：
時間間隔 = 記錄長度/取樣率
時間間隔
示波器允許您選擇記錄長度以最佳化應用所需的細節級別。如果您正在分析極其穩定的正弦訊號，您可能只需要 500 個點的記錄長度，但如果您要隔離複雜數位資料串流中時序異常的原因，對於給定的記錄長度，您可能需要一百萬個點或更多，如圖 51 所示。
圖 51: 擷取此調變 85 MHz 載波的高頻細節需要高解析度取樣 (100 ps)。而查看訊號的完整調變包絡則需要很長的時間 (1 ms)。若使用長記錄長度 (10 MB)，示波器將可以同時顯示兩者。
觸發能力
示波器的觸發功能在訊號的正確點同步水平掃描。這對於清晰的訊號特性分析至關重要。觸發控制項允許您穩定重複波形並擷取單次波形。
有效位元
E有效位表示數位示波器準確重建正弦波訊號形狀的能力的度量。此量測將示波器的實際誤差與理論上的「理想」數位轉換器的誤差進行比較。由於實際誤差包括雜訊和失真，因此必須指定訊號的頻率和振幅。
頻率響應
僅憑頻寬不足以確保示波器能夠準確地擷取高頻訊號。示波器設計的目標是特定類型的頻率響應：最大平坦包絡延遲 (MFED)。這種類型的頻率響應可提供出色的脈衝完整性，同時將過衝和振鈴降至最低。由於數位示波器由真正的放大器、衰減器、ADC、互連和繼電器組成，因此 MFED 響應是一個只能接近的目標。脈衝完整性因型號和製造商而異。
垂直靈敏度
垂直靈敏度指示垂直放大器可以放大微弱訊號的程度。這通常以每分區毫伏特 (mV) 為單位進行量測。通用示波器偵測到的最小電壓通常約為每垂直螢幕分區 1 mV。
掃描速度
掃描速度表示軌跡在示波器螢幕上的掃描速度，進而可以看到精細的細節。示波器的掃描速度以每分區時間 (秒) 表示。
增益準確度
增益準確度表示垂直系統衰減或放大訊號的準確程度，通常以百分比誤差表示。
水平準確度 (時基)
水平準確度或時基準確度表示水平系統顯示訊號時序的準確程度，通常以百分比誤差表示。
垂直解析度 (類比/數位轉換器)
類比/數位轉換器 (ADC) 以及數位示波器的垂直解析度指示可以將輸入電壓轉換為數位值的精確度。垂直解析度以位元為單位。計算技術可以提高有效解析度，例如高解析度擷取模式。
時序解析度混合訊號示波器 (MSO)
重要的 MSO 擷取規格是用於擷取數位訊號的時序解析度。以更好的時序解析度擷取訊號可提供更準確的訊號何時發生變化的時序量測。例如，500 MS/s 的擷取速率具有 2 ns 的時序解析度，而擷取的訊號邊緣不確定性即為 2 ns。60.6 ps (16.5 GS/s) 的較小時序解析度可將訊號邊緣不確定性降低至 60.6 ps，並擷取變化更快的訊號。
有些 MSO 會在內部同時使用兩種擷取類型來擷取數位訊號。第一次擷取採用標準時序解析度，第二次擷取則採用高速解析度。標準解析度用於更長的記錄長度，而高速時序擷取在感興趣的狹窄點周圍提供更高的解析度 (圖 52)。
圖 52: MSO 提供 16 個整合數位通道，能夠查看和分析與時間相關的類比和數位訊號。高速時序擷取提供了更高的解析度以揭示如突波等狹窄事件。
連線能力
分析量測結果的需要仍然是最重要的因素。輕鬆、頻繁地記錄和共享資訊和量測結果的需求也變得越來越重要。示波器的連線能力提供了進階分析功能並簡化了結果的記錄和共享。如圖 53 所示，標準介面 (GPIB、RS-232、USB 和乙太網路) 和網路通訊模組使某些示波器能夠提供大量的功能和控制。
圖 53: 現今的示波器提供多種通訊介面，例如標準 Centronics 連接埠和可選的乙太網路/RS-232、GPIB/RS-232 和 VGA/RS-232 模組。前面板上甚至還有一個 USB 連接埠 (未顯示)。
有些進階示波器還可以讓您：
- 在示波器上建立、編輯和共享文件，同時在您的特定環境中使用儀器
- 存取網路列印和檔案共享資源
- 存取 Windows® 桌面
- 執行第三方分析和文件軟體
- 網路連結
- 存取網路
- 傳送和接收電子郵件
可擴展性
示波器應該要能夠適應您不斷變化的需求。某些示波器允許您：
- 為通道新增記憶體以分析更長的記錄長度
- 新增特定於應用的量測功能
- 用全系列探棒和模組補充示波器的功能
- 使用熱門的第三方分析和生產力
- Windows 相容軟體
- 新增配件，如電池組和機架安裝
應用模組和軟體可讓您將示波器轉變為高度專業化的分析工具，能夠執行抖動和時序分析、微處理器記憶體系統驗證、通訊標準測試、磁碟機量測、視訊量測、功率量測等功能。圖 54 到 59 強調顯示了其中的一些範例。
圖 54: 分析軟體套件專為滿足現今高速數位設計人員的抖動和眼圖量測需求而設計。
圖 55: 串列匯流排分析透過串列資料封包內容的自動觸發、解碼和搜尋加速。
圖 56: 進階 DDR 分析工具可自動執行複雜的記憶體任務，例如分離讀/寫突發和執行 JEDEC 量測。
圖 57: 視訊應用模組使示波器成為用於視訊疑難排解的快速、萬能的工具。
圖 58: 進階分析和生產力軟體，例如 MATLAB®，可以安裝在搭載 Windows 的示波器中以完成本機訊號分析。