示波器基礎-從原理談起-其實沒這麼難

示波器是電子領域裡面一種很重要的工具,第一次看到示波器的人,通常會被它滿滿的按鈕嚇到,這次阿信助教就來告訴各位示波器到底怎麼使用,以及它背後的原理是甚麼。

示波器基本原理

示波器的主要功能就是看電壓波形,因為電子電路的運作都是靠著電壓的變化做溝通,若能觀察到電壓在時間軸上的變化也就是波形,我們就能知道電路的健康狀況。假想一支塑膠尺的左邊安裝了一個LED燈,當我們撥動LED燈的時候,這支尺的左邊會上下振盪,如果它一邊振盪又一邊往右移動的話,LED燈就會形成一個軌跡如下圖,這個軌跡就稱為波形,這就是示波器的核心原理。

振盪的尺所形成的波形
振盪的尺所形成的波形

那麼示波器在實務上是怎麼達成畫波形這個任務呢? 這得從早期的類比示波器講起,當時示波器的構造非常直觀,很適合拿來說明如下圖。

早期的類比示波器原理
早期的類比示波器原理

它裡面有一個電子槍Electron Gun負責射出電子束,當電子束打到塗有磷光劑的螢光幕時就會發光,但這樣還不夠,為了能看到訊號的變化,在電子束的垂直方向會放兩片金屬板,只要把訊號電壓加在上面,就會影響電子束在垂直方向的彎曲程度,這麼一來當訊號的電壓有變化,電子束的彎曲程度就會如實反映訊號的大小,螢幕上就會出現上下振盪的光點,但這樣只能看到一條垂直線,若要看到波形的話,還必須要讓光點能從左邊移動到右邊才行,這個動作稱為掃描Sweep,所以還需要一組水平偏向板,才能將波形顯示在螢幕上。

當電子束打到螢幕的磷光劑時,發光的亮度會持續一小段時間,也許會是1ms左右,這段時間有助於讓波形暫時固定在螢光幕上,如果再搭配上人眼的視覺暫留特性,波形看起來就會比較穩定,其實波形還是會閃,只是你可能感覺不到,除非掃描頻率很低你就可以明顯感受到,但透過攝影機基本上可以直接看到波形閃爍的效果。

剛才講的這些構造,全部都要在真空中才能正常運作,所以這些零件全部要被包在玻璃管裡面如下圖,這全部的構造就稱為陰極射線管Cathode Ray Tube,英文簡稱CRT或是Tube,中文就簡稱映像管。

陰極射線管
陰極射線管

當光點走到最右邊的時候,示波器必須要設法讓光點回到最左邊,才能開始準備畫下一次的波形。一般就兩個方法,一個是讓電子束走上面的邊框繞回去,像上圖這樣,但這樣上方會有一條線,所以一般可能會把它用外蓋蓋起來;另外一種方法就是把電子束的強度開最小,然後回到最左邊,以上就是傳統類比示波器的概念。

示波器面板

有了前面這些概念之後,再來理解示波器的按鈕就一點都不難了。示波器的面板基本上有兩大群組,一個是垂直選單Vertical,另一個是水平選單Horizontal,這兩組選單原本是控制垂直偏向板與水平偏向板,現在雖然已經沒有這些偏向板了,但是它們仍舊是用來控制水平與垂直的顯示波形變化。

垂直選單

垂直選單裡面有一個很大的Scale旋鈕如下圖我指的地方,它有時標示為Volt/Div用來放縮顯示波形的垂直大小,我用兩張圖來顯示不同旋鈕設定的差別,下面這張是原始的Scale波形,一格Division是500mV。

垂直選單的Scale旋鈕
垂直選單的Scale旋鈕

當我把Division設定為1V的時候,顯示波形的振福就變小了如下圖。

利用垂直Scale旋鈕縮小波形
利用垂直Scale旋鈕縮小波形

在Scale旋鈕上面有一個比較小的旋鈕,這個稱為Position,用來調整波形在整個畫面中的垂直位置,為何需要調整它呢? 因為當你有很多波形需要顯示的時候,你就得安排一下每個波形的垂直位置,在視覺上會比較方便觀察,這時候就需要用到Position了。如下圖,我把剛才的弦波往上調整一些,你就會發現波形浮上去了。

將波形利用Position往上浮高
將波形利用Position往上浮高

水平選單

水平選單顧名思義就是調整螢幕波形從左到右的時間,以類比示波器的概念來說的話就是掃描時間,掃描Sweep這個字眼基本上也都一直沿用到現在,掃描時間的改變會讓顯示波形變胖或變瘦,越快的掃描時間就能夠看到越精細的波形,也就能觀察到更高的頻率。

由於示波器通常有好幾個Channel,可以讓使用者同時觀察好幾個波形,所以這些Channel需要共用同一個掃描基準才能做到,所以產生掃描頻率的電路也稱為Timebase,表示所有的波形都是以它為時間基準。下圖就是同時打開兩個Channel所看到的兩個波形,從螢幕上看來可以知道它們兩個是同相位的波形。

兩個同相位的波形
兩個同相位的波形

水平選單的Scale旋鈕是用來改變掃描時間,也就是調整時基的意思,掃描時間改變會影響顯波形的胖瘦,如果我把Timebase從剛才的500us調整為200us,也就是時基變短或說掃描時間變快了,那麼波形看起來就會變胖了如下圖。

掃描時間變快波形就會變胖
掃描時間變快波形就會變胖

掃描時間的快慢取決於我們觀察者的需求,基本上會是待測頻率越高,掃描頻率需要越快,如果你故意把掃描頻率設定得很慢,那麼你就會看到一堆擠在一起的波形如下圖,這樣其實也看不到甚麼東西,所以要看到一個漂亮的波形,選擇一個適當的頻率是很重要的。

掃描時間太慢波形會擠在一起
掃描時間太慢波形會擠在一起

觸發Trigger

前面講的是波形顯像的原理,基本上就是把待測訊號接上去,螢幕上就會出現波形了,但是這個波形好不好看、清不清楚,那就是另一回事了。示波器的螢幕就這麼點大,每次顯示只能抓一小段波形來顯示,如果每次都任意抓一小段來顯示的話,那麼螢幕上的波形就一定會是雜亂無章的,因為每次波形顯示的起始位置都不一樣,如果要把波形穩定,讓每次顯示的波形軌跡都是同一個形狀,就必須要靠觸發Trigger這個功能。

觸發的主要功能是要讓示波器能在特定條件滿足時才開始畫波形,最簡單的就是邊緣觸發Edge Trigger,這裡面又分為正緣觸發Rising Trigger與負緣觸發Falling Trigger。以正緣觸發來說,當波形由下到上跨過某個電壓時,就開始畫波形,這個電壓稱為觸發準位Trigger Level,可以自己設定,而這個開始畫波形的點就稱為觸發點Trigger Point。

正緣觸發Rising Trigger
正緣觸發Rising Trigger

觸發是示波器的靈魂,選擇觸發條件可以幫助我們輕鬆找問題,所以示波器發展到現在已經擁有各種五花八門的觸發條件設定,有些選項甚至會很少用到,最常用的還是Edge Trigger。

Trigger條件如果沒有設定好,那麼示波器就無法畫波形,因為它等不到觸發條件發生,但它也不會癡癡的等,在觸發模式的其中一種Auto mode之下,示波器會先等個一小段時間,若沒有觸發條件發生,它就會自己內部發出Trigger訊號,於是就開始畫波形,由於是示波器自己亂抓的觸發點,所以畫出來的波形每次起始位置都不同,螢幕上看起來就會是一個左右捲動的波形。

下圖就是我刻意把Trigger Level提高而且大於訊號的最高點,這麼一來示波器的觸發條件一定不會成立,於是它就開始自己亂畫了,你看這個波形就變成左右捲動的樣子,這乍看雖然難看,但在實務上這個自我觸發的功能有助於我們能大概了解波形目前大概是甚麼樣子,才好方便做進一步的設定調整,因為有些待測訊號並不是我們預期的樣子,透過自我觸發就能先畫出部分的波形,起碼可以讓我們慢慢接近正確的Trigger設定。

觸發條件沒有滿足的波形
觸發條件沒有滿足的波形

波形量測

經過前面的介紹,各位應該已經理解示波器該如何操作了,其餘的就是一些輔助功能,這些以後再慢慢介紹。現在我們就根據螢幕上的波形,來實際計算它的頻率與振幅。

頻率

示波器的螢幕上通常會有格線,橫向通常會有10格(Division/Div),每一格所代表的時間會顯示在示波器的某個角落,以我這台來說它是顯示在下方偏右的位置,你會看到有500us的字樣,於是我們就可以對照波形的週期,看看它佔了幾格,像下圖中的波形佔了2格,所以1格是1ms這就是波形的週期,有了週期之後就不難求出頻率了,頻率就是週期的倒數,經過計算得到頻率為1kHz。

利用示波器計算波形的頻率
利用示波器計算波形的頻率

振幅

振幅是我們觀察波形的其中一個重點,雖然我寫的是振幅,但振幅是從擺盪的中心點起算到峰值,而實務上我們都是觀察峰對峰值Peak-to-Peak比較多,因為最直接且方便觀察,不需要再除2計算,而且有些訊號它不是上下對稱的波形,這種情況還要硬去找出中心點算振幅就顯得不切實際,所以實務上都是觀察Vpp居多。

一般示波器畫面在垂直軸會有8格,每格所代表的電壓也是會顯示在螢幕的某個地方,每台都不一樣,以我這台來說它是顯示在左下角寫著500mV,以下圖的波形來看,波形的最大與最小值上下橫跨了4格,所以Vpp就是2V。

利用示波器計算Vpp
利用示波器計算Vpp

實務上我們觀察波形,基本上很少看到弦波,大部分都是帶有雜訊的充放電波形,或是奇怪又變形的週期波,有些甚至是沒有週期可言的脈衝波,因此要抓到這些波形必須要靠適當的觸發條件,抓到波形之後也要能選擇適當的量測項目,才能得到有價值的資訊。

示波器的頻寬

各位一定有看過示波器的邊框上緣通常會標示300MHz或500MHz這些字樣,它代表的意思就是這台示波器的3dB頻寬。由於示波器也是電路做出來的,它一定會有一個量測頻率的極限,這個極限在工程上一般就以3dB Bandwidth來敘述,關於3dB的意義各位可以參考這篇文章dB 分貝是甚麼-音響與工程上常見的計量方式

根據下圖各位就可以知道,當待測訊號的頻率接近甚至等於示波器的標稱頻率的話,那麼測量出來的振幅就會變小,若頻率剛好落在示波器頻寬的上限,振幅讀值大約會變成原來的70.7%。如果你的待測訊號頻率超過示波器的頻寬,高頻電壓的振幅量測就會變小,或者說訊號的高頻部分會被示波器濾掉,所以如果拿一個300MHz的方波給300MHz頻寬的示波器測量,你就會看到一個有點變形的300MHz弦波,因為更高頻的諧波成分已經被示波器濾掉了,所以看不到方波,而主頻的300MHz振幅也會變小,大約為原來的七成左右,只是大約而已喔,畢竟每台示波器特性不同。

示波器的頻率標示就是3dB頻寬
示波器的頻率標示就是3dB頻寬

示波器取樣率

示波器除了頻率限制之外,以現今的數位示波器來說還有取樣率的限制,一樣也是標在螢幕的上緣,例如目前我手上這台示波器的取樣率是2G Sample/second,表示一秒鐘可以取樣2G個點,這是指示波器最高的取樣率,它基本上會根據Timebase來決定要使用多少取樣率,畢竟示波器的記憶體紀錄長度有限,越高的取樣率就會得到越多個點。

為了展示取樣率的差異,我需要一個接近300MHz的方波訊號,由於300MHz的方波還真不是普通的儀器可以產生出來的,所以我就拿USB HS(High Speed)的波形來觀察,HS的訊號最大傳輸率480Mbps,換算為實際的頻率大約是240MHz的方波,很接近300MHz所以就拿來用了。下圖是USB HS單個封包的通訊協定,前面的32bit會有連續的High/Low變換,剛好可以符合我的實驗需求且便宜又好用。

USB HS的封包通訊協定
USB HS的封包通訊協定

我利用樹梅派的USB當作訊號來源,把樹梅派插上外接記憶體,即便沒有傳檔案它還是會有小量封包傳送,我們就利用它來觀察波形。USB基本上是差動訊號,資料存在於D+與D-之間的電位差,但我現在是要觀察示波器的取樣率效果,所以測量的點位是D+的對地電壓。由於240MHz的頻率很高,所以我將示波器探棒的Ground Lead改為彈簧針,這樣可以減小外界的干擾,整個波形如下圖。

USB單一封包的波形
USB單一封包的波形

把封包波形的前半段展開來,各位會看到很像弦波的東西,這其實應該是方波,只不過因為頻寬有限,300MHz以上的頻率都被濾掉了,所以示波器上只看得到240MHz的基頻弦波,為了觀察取樣的效果,我特地將顯示方式改為打點顯示Dot如下圖,這時就會看到波形原本的面貌,它就是一顆一顆的點湊出來的。

USB HS在300MHz示波器的取樣點
USB HS在300MHz示波器的取樣點

240MHz的波形用2G Sample/sec來取樣,算起來一個週期大概能抓到8個點左右,各位看上圖的螢幕也能發現實際上也差不多是這個情況。如果想要看更細緻的波形,那就得用更高頻寬與更高的取樣率來做,所以我去拿了一台650MHz頻寬、取樣率5GS/s的示波器來觀察USB HS的訊號,你看這些點是不是就比較密一些了,這個就是高取樣率的效果。

高取樣率的示波器看到更密的波形取樣點
高取樣率的示波器看到更密的波形取樣點

只是示波器頻寬變大為何波形看起來仍然是弦波而不是方波,因為要能看到240MHz的方波,大約要有5倍頻的頻寬,這大約是2.5GHz的頻寬,而取樣率也要達到大約10GS/s或是20G的速度,才能觀察到USB那種240MHz的方波,這種儀器目前我沒有,各位就等下次吧。

看到這裡各位應該對示波器有概念了,若要更熟悉示波器那就得實際去拿一台來操作一下,相信有基本概念之後,不管是哪個牌子的示波器都可以很快上手。

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