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。

示波器的Acquire按鈕
示波器的Acquire按鈕

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 。

Acquire內的選單項目
Acquire內的選單項目

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。

若取樣頻率接近或低於訊號頻率時,就會發生混波 aliasing
若取樣頻率接近或低於訊號頻率時,就會發生混波 aliasing

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。

LED照射下出現Aliasing條文的照片
LED照射下出現Aliasing條文的照片

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。

正常操作與 Aliasing 的比較
正常操作與 Aliasing 的比較

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。

抓突波-peak detect 是抓取取樣區間內的最大值
peak detect 是抓取取樣區間內的最大值

優點

  • 可以看到波型的所有細節
  • Aliasing發生時不會產生錯誤波型,導致誤判量測值

缺點

  • 波形看起來會比較粗,因為有max與min兩條trace同時出現

實機操作

為了觀察peak detect與sample模式的差異,我沿用sample mode的Aliasing範例來做說明。在sample acq的Aliasing範例中由於time base過慢導致我們誤認待測訊號頻率為155Hz,實際上它是20.2MHz。

若此時把acquisition mode改為peak detect,你會發現一個帶狀的波形出現在螢幕上,因為訊號頻率太高全都擠在螢幕上。雖然太擠而無法計算頻率,但是起碼你能夠觀察到現在的time base是不適當的,它太慢了,應該要設定得快一些。

利用高頻率、低時基 來觀察peak detect的作用
利用高頻率、低時基 來觀察peak detect的作用

Peak detect雖然可以免除Aliasing的困擾,但是波形卻會看起來比較粗一些些,不仔細看還看不出來呢,這件事會發生在當波形的比例放很大的時候,我們來看一下實例吧。

只是波形上總是有些許的雜訊跳動,若要將降低雜訊,可以將示波器資料擷取設定在average acquisition,這樣就能讓波形看起來”稍微”清楚一些。

Average Acquisition-降低雜訊

不知各位是否有測量過DC ripple,由DC to DC電路產生的雜訊通常會嚴重影響輸出電壓的品質,若我們要測量ripple的峰值電壓,又不希望被忽大忽小的雜訊干擾,此時Average acquisition是個不錯的選擇。

下圖是個範例,針對波形做多次擷取,以下圖為例它擷取了4次,會得到相同的訊號波形,但雜訊每次都會不同,透過Average可以將擷取的多條波形相加求平均值,可以有效地消除雜訊,讓你看到清楚的訊號的原本樣貌,Average越多次訊號越平滑,但是相對螢幕更新率也越慢。

降低雜訊-使用average將每次的軌跡平均
降低雜訊-使用average將每次的軌跡平均

優點

它能夠有效消除顯示的雜訊,讓你更清楚的觀察訊號。

缺點

注意! 由於是每次trigger的波形它都會拿來平均,所以它只能用在週期訊號,只有週期訊號每次trigger出現的波形才會一樣。若timebase過慢,導致波形全擠在一起,互相平均的結果就是波形震幅會有失真的現象,振福看起來會變小甚至消失。

移動平均/算術平均

有讀者們很細心,提到trace的平均到底是移動平均Moving average還是算術平均Arithmetic average? 這要分辨很容易,只要拿示波器本身產生的1KHz方波測試一下就會知道。

若為移動平均,它是將同一批擷取資料的最近N個點做平均,因此在波形的上升緣與下降緣的地方會形成一條斜線,而不是方波原本的陡峭邊緣。但我認為若採用移動平均會造成相位差,這對量測來說是有問題的。

若為算術平均,如上開的圖,它是將最近N個取樣trace做平均,因此波形在呈現上仍舊是陡峭的方波邊緣,但若以單點point(相同取樣位置)來說,某個point在N次取樣的時間軸上,它是移動平均。

我們直接來做個實驗,若將N調大一些,當我把訊號接上或移除的那幾秒鐘,螢幕上的方波會緩升或緩降。經過實驗,我這台示波器的acq Avg是採用算術平均。

當然,要儲存N條trace的資料,需要記憶體,我想最近這幾年的記憶體很便宜,應該不是問題。

實機操作

下面的影片顯示了平均次數越多,就越能消除雜訊。若Zoom out過頭讓波形都擠在一起,trace會看起來像一條沒有訊號的線,那是因為zoom out範圍太大,而記憶體有限,所以取樣率必須要下降,所以無法每次都剛好取到peak值,波形的波動程度就會變小,再搭配average的效果,又更平坦了。

所以太極端的設定會讓我們看到失真的波形,適當的time base與acquisition設定才能看到正確的波形振福。

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