示波器基本原理 適用於大學部電子工程學系和物理系學生

Page 議程 − 什麼是示波器？ − 探測基礎 ( 低頻率模式 ) − 進行電壓及時序量測 − 在畫面上正確縮放波形 − 了解示波器觸發 − 示波器的操作原理和效能規格 − 重新探測 ( 動態 /AC 模式及負載的影響 ) − 實驗指南和教學課程 − 其他技術資源 2

Page 什麼是示波器？ − 示波器可將電子輸入信號轉換為畫面的可見軌跡，亦即將電力轉換成光。 − 示波器會隨著時間，依據兩個維度 ( 通常為電壓和時間 ) 間電子信號的變動 ，以動態方式繪出圖形。 − 通常工程人員和技術人員會使用示波器來測試、驗證與電子設計偵錯。 − 示波器將是您在電子工程 / 物理實驗中用來測試指定實驗的主要工具。 os·cil·lo·scope [ə-sĭl'ə-skōp'] ( 示波器 ) 3

Page 名詞說明 Scope ( 示波器 ) – 最常用的詞彙 DSO – Digital Storage Oscilloscope ，數位儲存 示波器 數位示波器 數位化示波器 類比示波器 – 採用較舊技術的示波器，但目前仍然使用。 CRO – Cathode Ray Oscilloscope ，陰極射線示波器 ( 發音為 「 crow 」 ) 。 即使大多數的示波器不再採用陰極射線管來顯示波形，澳洲人和紐西蘭 人仍 然稱它們為 CRO 。 O-Scope MSO – Mixed Signal Oscilloscope ，混合信號示波器 ( 包含擷取的邏輯 分析儀通道 ) 4

Page 探測基礎 − 探頭是用來將受測裝置的信號傳輸 到示波器的 BNC 端子。 − 探頭的種類，會根據不同的用途和 特殊用途 ( 高頻率應用、高電壓應用 、電流等 ) 而有所不同。 − 最常見的探頭類型稱為「 Passive 10:1 Voltage Divider Probe 」 ( 被 動 10:1 分壓器探頭 ) 。 5

Page 被動 10:1 分壓器探頭 被動 : 包含非主動元素，例如電晶體或放大器。 10:1 ：以 10 為係數，降低傳遞到示波器 BNC 端子的信號振幅。同時也會 增加 10 倍的輸入阻抗。 注意：所有量測必須在接地的情況下進行！ 被動 10:1 探頭模式 6

Page 低頻率 /DC 模式 低頻率 /DC 模式：簡化為與示波器之 1-M Ω 輸入端子相連的 9-M 電阻器。 探頭衰減係數： 有些示波器 ( 如 Keysight 的 3000 X 系列 ) 會自動偵測 10:1 探頭，並調整與探頭尖相關的 所有垂直設定和電壓量測。 某些示波器 ( 如 Keysight 的 2000 X 系列 ) 則需要手動輸入 10:1 探頭衰減係數。 動態 /AC 模式：稍後在進行實驗 #5 時介紹。 被動 10:1 探頭模式 7

Page 了解示波器的畫面顯示 伏特 時間 垂直 = 1 V/div 水平 = 1 µs/div 1 Div − 波形顯示區域會顯示格線 ( 或刻度 ) 。 − 格線的垂直間距是相對於伏特 / 刻度的設定值。 − 格線的水平間距是相對於秒 / 刻度的設定值。 8

Page 進行量測 – 以目測方式估計 V p-p 週期 垂直 = 1 V/div 水平 = 1 µs/div V max 接地位準 (0.0 V) 指示器 最常見的量測技術 − 週期 (T) = 4 個刻度 x 1 µs/div = 4 µs ，頻率 = 1/T = 250 kHz 。 −V p-p = 6 個刻度 x 1 V/div = 6 V p-p −V max = +4 個刻度 x 1 V/div = +4 V ， V min = ? 9

Page 進行量測 – 使用游標 X1 游標 X2 游標 Y1 游標 Y2 游標 Δ 讀值 絕對 V 與 T 讀值 游標控制 − 手動將 X 和 Y 游標的位置定位到所需的量測點。 − 示波器會自動將垂直和水平刻度係數相乘，以提供絕對和差量 量測。 10

Page 進行量測 – 使用示波器的自動參數量測 讀值 − 最多可以選取 4 個含連續更新讀值的自動參數量測。 11

Page 主要示波器設定控制 水平刻度 (s/div) 水平位置 垂直位置 垂直刻度 (V/div) 輸入 BNC 觸發位準 Keysight 的 InfiniiVision 2000 和 3000 X 系列示波器 12

Page 正確縮放波形 - 顯示過多的週期。 - 振幅調整過低。 初始設定條件 ( 範例 ) 最佳設定條件 觸發位準 設定 示波器的波形刻度是一項在前面板進行調整的重複性程序，必須進行到畫面上顯 示出所需的「圖形」才能停止。  調整 V/div 旋鈕，讓波形填滿大部分的垂直畫面。  調整垂直位置旋鈕，讓波形垂直置中。  調整 s/div 旋鈕，只需水平顯示幾個週期即可。  調整觸發位準旋鈕，將位準設定在垂直波形的中間位置。 13

Page 了解示波器觸發 – 將示波器的「觸發」想像為「同步 拍照」。 – 一個波形的「圖形」是由許多連續 的數位化 取樣所組成。 – 「拍照」必須同步至重複波形的唯 一點。 – 大多數常見的示波器觸發，是以在 特定電壓 位準上信號的上升或下降邊緣同步 擷取 ( 拍照 ) 為基準。 觸發往往是最難以理解的一項示波器功能，但卻是您應該了解的 最重要功能。 賽馬終點的相片與示波器的觸發極為類 似 14

Page 觸發範例 觸發點 未觸發 ( 擷取非同步圖形 ) 觸發 = 0.0 V 觸發 = +2.0 V 觸發位準設定高於波形 正時間負時間 −DSO 上的預設觸發位置 ( 從零開始 ) = 畫面中央 ( 水平 ) − 舊式類比示波器上僅有 的觸發位置 = 畫面左側 15

Page 進階示波器觸發 − 在大部分大學部實驗室中的實驗，都是以使用標準「邊緣」觸 發為根據。 − 若要在較為複雜的信號上進行觸發，就需要進階觸發選項。 −. 範例：在 I 2 C 序列匯流排上進行觸發 16

Page 示波器的操作原理 DSO 方塊圖 黃色 = 特定通道方塊 藍色 = 系統方塊 ( 支援所有通道 ) 17

Page 示波器效能規格 – 所有示波器顯示低通過頻率回應。 – 輸入正弦波以 3 dB 進行衰減的頻率，會定義示波器的頻寬。 –-3 dB 約等於 -30% 振幅誤差 (-3 dB = 20 Log ) 。 「頻寬」是最重要的示波器規格 示波器「高斯」 (Gaussian) 型回應頻率 18

Page 選擇正確的頻寬 輸入 = 100-MHz 數位時鐘 使用 100-MHz 頻寬示波器的回應使用 500-MHz 頻寬示波器的回應  類比應用所需之頻寬： ≥ 3 倍最高正弦波頻寬。  數位應用所需之頻寬： ≥ 5 倍最高數位時脈速度。  根據單一邊緣速度判斷更精準頻寬 ( 請參考列於本簡報末尾的「頻寬」應用 ) 19

Page 其他重要示波器規格 − 取樣率 ( 取樣數 / 秒 ) – 應為 ≥ 4 倍頻寬 − 記憶體深度 – 這能決定可在示波器最高取 樣率下進行取樣時，還能擷取的最長波形 。 − 通道數 – 一般為 2 或 4 個通道。 MSO 機型 則針對數位擷取新增 8 至 32 通道，解析度 1 位元 ( 高或低 ) 。 − 波形更新速率 – 更快的更新速率會提高擷取 不常出現之電路問題的可能性。 − 顯示品質 – 大小、解析度、亮度等級數目。 − 進階觸發模式 – 時間範圍內脈波寬度、碼型、視訊、序列、脈波違規 ( 邊緣速 度、設定 / 保持時間、最窄脈波 ) 等。 20

Page 重新探測 - 動態 /AC 探測模式 − C scope 與 C cable 為固有 / 寄生電容 ( 非設計時計畫放入部份 ) − C scope 與 C cable 則是一開始設計時即配置，以針對 C scope 與 C cable 進行補償。 − 經由正確調整的探頭補償，因頻率效應容抗導致的動態 /AC 衰減應符合設計時的電 阻分壓器衰減 (10:1) 。 被動 10:1 探頭模式 此處 C parallel 是 C comp + C cable + C scope 的並聯組合 21

Page 補償探頭 適當補償通道 -1 ( 黃色 ) = 過度補償 通道 -2 ( 綠色 ) = 補償不足  將通道 -1 與通道 -2 探頭連接至「 Probe Comp 」端子 ( 與 Demo2 相同 ) 。調整 V/div 與 s/div 旋鈕，在畫面上顯示兩種波形。  使用小型一字起子調整兩個探頭上的可變探頭補償電容器 (C comp ) ，以取得平坦 ( 矩形 ) 回應。 22

Page − 探頭與示波器輸入類型可簡化為單一電阻器與電容器。 − 任何連接至電路的儀器 ( 不僅是示波器 ) 都會成為測試中電路的一部分，且會影響 量測結果，特別是在較高頻率下的測試。 − 「負載」隱含示波器 / 探頭對電路效能可能產生的負面影響。 探頭負載 C Load 探頭 + 示波器負載模式 R Load 23

Page 作業 1. 假設 C scope = 15pF ， C cable = 100pF 且 C tip = 15pF ，請計算正確調整後的 C comp 。 C comp = ______ 2. 使用計算出的 C comp 值計算 C Load 。 C Load = ______ 3. 使用計算出的 C load 值計算 500 MHz C load 的容抗。 X C-Load = ______ C Load = ? 24

Page 使用示波器實驗指南與教學課程 示波器實驗指南與教學課程在此下載： 家庭作業 – 開始進行第 1 個示波器實驗課 程前，請先閱讀下列章節： 第 1 節 – 入門 示波器探測 熟悉前面板 附錄 A – 示波器方塊圖與操作原理 附錄 B – 示波器頻寬教學課程 示波器實驗操作 第 2 節 – 基本示波器與 WaveGen 量測實驗 (6 種實驗 ) 第 3 節 – 進階示波器量測實驗 ( 您的指導教授 可能指定 9 種不同的實驗 ) 25

Page 如何遵守實驗指南中的說明 括弧中的粗體字 ( 如 [Help]) 是指前面板上的按鍵。 「軟鍵」則是指示波器螢幕下方的 6 個按鍵 / 按鈕。這些按鍵的功能會 視選取的功能表而有所變更。 以圓圈式綠色箭頭 ( ) 標示的軟鍵表示一般用途的 [Entry] 旋鈕，可控制選擇或變數。 軟鍵 軟鍵標籤 Entry 旋鈕 26

Page 1. 連接示波器通道 -1 輸入 BNC 與標示為「 Demo1 」之端子間 的探頭。 2. 連接示波器通道 -2 輸入 BNC 與標示為「 Demo2 」之端子間 的另一個 探頭。 3. 將兩個探頭的接地夾連接至中央 接地端子。 4. 依序按下 [Help] 與 [ Training Signals ] 軟鍵。 存取內建訓練信號 只要獲得 DSOXEDK 教育訓練套件授權，多半使用內建至 Keysight 2000 或 3000 X 系列示波器的各種訊號來建立大部分示波器 實驗。 使用 10:1 被動探頭連接至訓練信號測試端子 27

Page Keysight Technologies 所提供的其他技術資源 Page 28 應用說明出版編號 # 評估示波器基本原理 EN 為您的應用評估示波器頻寬 EN 評估示波器取樣率與取樣真實度 EN 評估示波器最佳波形更新率 EN 評估示波器最佳顯示品質 EN 評估示波器垂直雜訊特性 EN 評估示波器以偵錯混合信號設計 EN 針對序列匯流排應用評估示波器分段記憶體 EN 用出版編號替代「 xxxx-xxxx 」

Page 問答時間 Page 29