選擇示波器的十大考量

「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。

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。

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：

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。

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。

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。

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「2^b」，此處「b」代表解析度。輸入範圍會劃分為「2^b」步進，而示波器所能偵測的最小可能電壓則為「輸入範圍/2^b」。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)。

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。

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。

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。

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。

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 示波器與 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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