示波器Acquisition-資料擷取-用途與原理

數位示波器的Acquire按鈕就是擷取資料的意思，它用來設定波形如何被取樣以及顯示在螢幕上。只是不管怎麼選，似乎都能夠顯示波形，所以Acquire到底用來做甚麼? 現在就讓我來為各位說明吧。

Acquire裡面通常有三個選項Sample/Peak detect/Average, 有些機種甚至還有High resolution的選項，這些選項在不同量測需求上會顯現出很大的差異，我會依序解釋首先來講講 Sample Acquisition 。

Sample Acquisition

當我們觀察低頻波形的時候，通常不會用到示波器的最高能力取樣率，而會採用較低的取樣率，實際的取樣率會根據你設定的time base而自動改變。因為低頻訊號若還用高取樣率，會抓到非常非常多的點，除了意義不大之外，示波器的記憶體也是有限的。

以下圖來說明，假設螢幕顯示用的取樣率為1倍，但實際最高取樣率能夠到5倍，意思就是當示波器抓到5個點時，其實只有1個點能顯示在螢幕上，另外4個點丟棄，這種取點的方式就稱為Sample acquisition，是最常使用的取樣方法，因此也稱為Normal acquisition。

以我手上這台2G sample/sec的scope來說，若為了觀察60Hz的訊號，將timebase設定為5ms，此時示波器自動採用的取樣率是125KS/s，並不是2G S/s。

優點

簡單明瞭直觀，適用於一般的測試環境。

缺點

若有Glitch(超短的脈衝)發生，可能會觀察不到(如上圖)，因為Glitch發生的時間點可能剛好發生在丟掉的四個點當中，因此無法顯示在螢幕上。

另一個缺點則是Aliasing，當取樣頻率與訊號頻率很接近甚至低於訊號頻率的時候，就會發生失真的現象。

Aliasing 混頻

各位在電影中應該看過不少車子正在往前走，但是輪子看起來卻是往後轉的現象，這就是Aliasing。Aliasing是來自通訊的取樣理論，訊號頻譜由於取樣的關係，取樣之後的頻譜會不斷重複。若取樣頻率太低，頻譜可能甚至會重疊，稱為Aliasing，所以也稱為混頻。

訊號被取樣之後的time domain與frequency domain我以理論公式寫在下面，我只是覺得這樣寫比較清楚，就算你跳過公式也會不影響你後面的理解。

\(x_{s}(t)=x(t)\cdot \sum_{n=-\infty }^{\infty}\delta (t-nT)\)　,時域

\(X_{s}(f)=X(f)\otimes \sum_{n=-\infty }^{\infty}\delta (f-nf_{s})\)　,頻域

\(x(t)\)原始訊號、\(x_{s}(t)\)取樣後的訊號、\(\delta(t)\)取樣脈衝、T是取樣週期。

Aliasing的解釋如下圖，當取樣的頻率與待測訊號的頻率很接近的時候，就會出現。如下圖，灰色是實際的待測訊號，紅色是取樣點，但是由於取樣的時間點非常接近訊號的週期，所以每次取樣的時間都會偏一些，紅點的取樣值都會差一點點，隨著時間累積，取樣值也越差越多，當我們把所有紅色的取樣點相連時，這個”取樣”得來的訊號明顯不是待測訊號原來的樣子，這個現象稱為Aliasing。如果你的示波器取樣頻率與待測訊號很接近，就會出現這種現象，我會在下一段示範。

在其他領域，例如影片拍攝它也是一格一格取樣的概念，於是就經常出現Aliasing的現象，以下的影片給各位參考：
1. 螺旋槳的Aliasing
2. 汽車輪子的Aliasing

另外現在手機拍攝很普遍，而LED燈都不是直流供電而是脈波供電，因此會造成LED閃爍，雖然眼睛不會發現閃爍的現象，但若您在LED燈的照射下用手機拍照或是攝影，你會發現在某些快門設定下就會看到黑色條紋，這就是Aliasing的效果。

實機操作

我接下來用示波器刻意產生Aliasing的現象，可以讓各位知道設定錯誤會導致讀值不正確，將訊號產生器設定為f=20.2MHz，接入示波器之後用兩種不同的time base觀察波形，左邊是100ns、右邊是10ms，很明顯左邊的頻率讀值才是正確的，右邊的頻率讀值為155Hz是錯誤的。

這裡是實機操作的影片，各位可以看到Aliasing的波形慢慢形成，相信大家會更有感覺。

Sample acquisition是定時規律的取樣，萬一在取樣點之外的時間冷不防冒出一個突波Glitch，可能就會錯過它。那該怎麼抓突波呢? 這時就要靠Peak Detect這個選項了。

Peak Detect Acquisition-抓突波

Peak detect的取樣方式，根據Tektronix的文件說明，是將相鄰的兩個sample interval重複取點，得到最大值與最小值並同時顯示在螢幕上，為了說明方便我用單一sample interval取極值的方式來作圖。如下圖所示，採用Peak detect取樣方式的波形，看起來會比較粗，而且比較有雜訊，因為它同時有兩條trace在螢幕上，只是在正常狀況之下，這兩條幾乎是重疊在一起，但若有Glitch發生，示波器可以輕易的抓到它，這也就是幾乎所有的是波器都以突波的圖案當作選單Icon的原因。