cob 电子工程部 s/i team 2003

COB 电子工程部 S/I Team 2003

示波器基礎認識示波器基礎認識

1. 外觀 ( FEATURE ) - 軌跡 ( TRACE )

顯示波形的方格 ( GRID ) 為 10 x 8 的尺寸，時間檔位 ( TIME/DIV ) 水平有 10 格，電壓檔位 ( VOLT/DIV ) 垂直有 8 格。

1. 外觀 ( FEATURE ) - 軌跡 ( TRACE )

顯示波形的方格 ( GRID ) 為 10 x 8 的尺寸，時間檔位 ( TIME/DIV ) 水平有 10 格，電壓檔位 ( VOLT/DIV ) 垂直有 8 格。

垂直 8 格

水平 10 格

2 . 頻寬 ( BANDWIDTH )

增加信號頻率，當信號電壓低於原始信號的 -3db ( 0.707 倍 ) 的頻率讀值。電壓量測必須採用正弦波的峰對峰值 ( PKPK ) 。信號源是指正弦波。

2 . 頻寬 ( BANDWIDTH )

增加信號頻率，當信號電壓低於原始信號的 -3db ( 0.707 倍 ) 的頻率讀值。電壓量測必須採用正弦波的峰對峰值 ( PKPK ) 。信號源是指正弦波。

Peak to Peak 0.707 倍

2. 頻寬 ( BANDWIDTH )

頻寬是指示波器容許輸入信號的頻率寬度，通常也是指 -3db 的頻率讀值。假設輸入電壓為 1V ，將電壓與頻率之間的關係繪成座標方式，如以下結果 :

2. 頻寬 ( BANDWIDTH )

頻寬是指示波器容許輸入信號的頻率寬度，通常也是指 -3db 的頻率讀值。假設輸入電壓為 1V ，將電壓與頻率之間的關係繪成座標方式，如以下結果 :

1V

-3db=0.707V

FREQUENCY

VOLTAGE

頻率寬度

ideal

real

ideal

real

ideal

real

V

Vdb

RV

RV

db

P

Pdb

log20

log10

log10

2

2

頻率讀值

2. 頻寬 ( BANDWIDTH ) - 上昇時間 ( RISE-TIME )

在量測儀器的應用上，頻寬與上昇時間的關係，如以下的關係式 :


在量測儀器的應用上，頻寬與上昇時間的關係，如以下的關係式 :

示波器的頻寬35.0

示波器的上昇時間

90%

10%

上昇時間 ( Tr )

AMPLITUDE

TOP

BASE

(1GHz 以上為 0.40)


示波器的頻寬越低，造成上昇時間越大。 100MHz

Tr = 0.35 ÷ 100MHz = 0.35 x 10ns = 3.5ns

200MHz

Tr = 0.35 ÷ 200MHz = 0.35 x 5ns = 1.75ns

350MHz

Tr = 0.35 ÷ 350MHz = 1ns

500MHz

Tr = 0.35 ÷ 500MHz = 0.35 x 2ns = 0.7ns

1GHz

Tr = 0.35 ÷ 1GHz = 0.35 x 1ns = 0.35ns


示波器的頻寬越低，造成上昇時間越大。 100MHz

Tr = 0.35 ÷ 100MHz = 0.35 x 10ns = 3.5ns

200MHz

Tr = 0.35 ÷ 200MHz = 0.35 x 5ns = 1.75ns

350MHz

Tr = 0.35 ÷ 350MHz = 1ns

500MHz

Tr = 0.35 ÷ 500MHz = 0.35 x 2ns = 0.7ns

1GHz

Tr = 0.35 ÷ 1GHz = 0.35 x 1ns = 0.35ns


上昇時間的量測值受示波器的上昇時間影響，其關係式如下表示：


上昇時間的量測值受示波器的上昇時間影響，其關係式如下表示：

22

222

示波器的上昇時間信號的上昇時間上昇時間的量測值

示波器的上昇時間信號的上昇時間上昇時間的量測值

量測值信號的上昇時間

2. 頻寬 ( BANDWIDTH ) - 量測誤差 ( MEASUREMENT ERROR )

假設某信號的上昇時間為 3.5ns ，若使用 100MHz 頻寬的示波器量測誤差如下：



nsnsns 95.45.35.3 22 量測值

nsMHz

5.3100

35.0示波器的上昇時間

%4.41%1005.3

5.395.4

ERROR

示波器的上昇時間等於信號的上昇時間誤差為 41.4%





nsnsns 69.317.15.3 22 量測值

nsMHz

17.1300


%5%1005.3

5.369.3

ERROR

示波器的上昇時間約為 1/3 倍信號的上昇時間誤差為 5%





nsnsns 57.37.05.3 22 量測值

nsMHz

7.0500


%2%1005.3

5.357.3

ERROR

示波器的上昇時間約為 1/5 倍信號的上昇時間誤差為 2%


假設某信號的上昇時間為 3.5ns ，若使用 1GHz 頻寬的示波器量測誤差如下：


假設某信號的上昇時間為 3.5ns ，若使用 1GHz 頻寬的示波器量測誤差如下：

nsnsns 52.335.05.3 22 量測值

nsGHz

35.01


%6.0%1005.3

5.352.3

ERROR

示波器的上昇時間約為 1/10 倍信號的上昇時間誤差為 0.6%

3. 取樣率 ( SAMPLING RATE )

類比示波器的線性波形無法儲存只能觀看，並從亮度分辨信號出現的比例。數位示波器可將類比信號轉換為數位資料，並可容易的作後續的資料處理。


類比示波器的線性波形無法儲存只能觀看，並從亮度分辨信號出現的比例。數位示波器可將類比信號轉換為數位資料，並可容易的作後續的資料處理。

每一個點皆包括時間與電壓數據

(T1,V1) (T2,V2) (T3,V3) (Tn,Vn) . . . . . . . . . . . . . . .

3. 取樣率 ( SAMPLING RATE ) 何謂週期 ? 週期信號發生一次的時間。單位是 “ 秒 / 1 次 ” 何謂頻率 ? 週期信號在一秒鐘內發生的週期次數。單位 “ 次數 / 1 秒 ” 又稱為 “ Hz ”

週期 ( PERIOD ) 與頻率 ( FREQUENCY ) 為反比關係。 PERIOD ＝ 1 / FREQUENCY

3. 取樣率 ( SAMPLING RATE ) 何謂週期 ? 週期信號發生一次的時間。單位是 “ 秒 / 1 次 ” 何謂頻率 ? 週期信號在一秒鐘內發生的週期次數。單位 “ 次數 / 1 秒 ” 又稱為 “ Hz ”

週期 ( PERIOD ) 與頻率 ( FREQUENCY ) 為反比關係。 PERIOD ＝ 1 / FREQUENCY

週期 ( S ) = 1 / 頻率 ( Hz )

類比信號

3. 取樣率 ( SAMPLING RATE ) 何謂取樣時間 ? 示波器取樣一點所須的時間。單位是 “ 秒 / 1 點 ” 何謂取樣頻率 ? 示波器在一秒鐘內取樣的點數。單位 “ 點數 / 1 秒 ” 又稱為 “ SAMPLIN

G / S ”

示波器取樣時間 ( SAMPLING TIME ) 與取樣頻率 ( SAMPLING RATE ) 之間為反比關係。 SAMPLING TIME = 1 / SAMPLING RATE

3. 取樣率 ( SAMPLING RATE ) 何謂取樣時間 ? 示波器取樣一點所須的時間。單位是 “ 秒 / 1 點 ” 何謂取樣頻率 ? 示波器在一秒鐘內取樣的點數。單位 “ 點數 / 1 秒 ” 又稱為 “ SAMPLIN

G / S ”

示波器取樣時間 ( SAMPLING TIME ) 與取樣頻率 ( SAMPLING RATE ) 之間為反比關係。 SAMPLING TIME = 1 / SAMPLING RATE

取樣時間 ( S ) = 1 / 取樣頻率 ( S / S )

取樣點 : P


重複取樣 ( RANDOM INTERLEAVE SAMPLING ) ：僅有在快速時間檔位下，示波器取樣多次使解析度增加後，再一次全部顯示在畫面上，因此重複取樣功能只適用在規則重複出現的信號源，重複取樣率可高達 10~25Gs/s 。

單擊取樣 ( SINGLE-SHOT ) ：示波器以最快速的取樣率擷取信號一次。


重複取樣 ( RANDOM INTERLEAVE SAMPLING ) ：僅有在快速時間檔位下，示波器取樣多次使解析度增加後，再一次全部顯示在畫面上，因此重複取樣功能只適用在規則重複出現的信號源，重複取樣率可高達 10~25Gs/s 。

單擊取樣 ( SINGLE-SHOT ) ：示波器以最快速的取樣率擷取信號一次。

4. 取樣點 ( SAMPLING POINT )

數位示波器數位化類比波形後，將數位資料顯示在螢幕上，每一個點代表一筆數據資料，因此在螢幕上的點數越多，時間解析度越高。


數位示波器數位化類比波形後，將數位資料顯示在螢幕上，每一個點代表一筆數據資料，因此在螢幕上的點數越多，時間解析度越高。

1 2 3 654 107 8 9

取樣點 : P


取樣率必須要維持在最快信號的 10 倍以上。


取樣率必須要維持在最快信號的 10 倍以上。

用 5 個取樣點還原一個週期明顯不足，用 10 個取樣點還原一個週期比較適當。

5. 最高取樣的記錄時間 ( MSRW ) - 記錄時間 ( RECORD TIME )

時間檔位指的是水平 1 格的時間，水平軸總共有 10 格。記錄時間 = 10 × 時間檔位

5. 最高取樣的記錄時間 ( MSRW ) - 記錄時間 ( RECORD TIME )

時間檔位指的是水平 1 格的時間，水平軸總共有 10 格。記錄時間 = 10 × 時間檔位

水平 10 格表示記錄時間

5. 最高取樣的記錄時間 ( MSRW )

如果示波器欲維持在高取樣率下使用，必須要有足夠的取樣點 ( 擷取記憶體 ) ，因此便可以擁有更長的記錄時間，我們稱之為最高取樣的記錄時間 ( Maximum Sample Rate Window ) 。

取樣定律 ( P = R × S )

P ：表示取樣點 R ：表示記錄時間 S ：表示取樣率

舉例：機型 LC584AL 的規格為取樣率 8GS/sec 記憶點數 8Mpoints 則 8GS/S 可使用的時間

範圍是多少 ? 時間檔位是多少 ?

5. 最高取樣的記錄時間 ( MSRW )

如果示波器欲維持在高取樣率下使用，必須要有足夠的取樣點 ( 擷取記憶體 ) ，因此便可以擁有更長的記錄時間，我們稱之為最高取樣的記錄時間 ( Maximum Sample Rate Window ) 。

取樣定律 ( P = R × S )

P ：表示取樣點 R ：表示記錄時間 S ：表示取樣率

舉例：機型 LC584AL 的規格為取樣率 8GS/sec 記憶點數 8Mpoints 則 8GS/S 可使用的時間

範圍是多少 ? 時間檔位是多少 ?

mSmS

mSSGS

MR

SGSRM

SRP

1.010

1

10

)(1/8

8

/88

記錄時間時間檔位

記錄時間

6. 阻抗匹配 ( COUPLING ) - 終端阻抗 ( TERMINAL )

一般屬通訊信號或阻抗設計為 50 的電路 ( 信號產生器 ) ，正常使用應該搭配同軸電線 ( B

NC ) 不須使用測試棒。以下圖例為直流電源分析：



NC ) 不須使用測試棒。以下圖例為直流電源分析：

示波器內阻等於信號內阻

2Vs信號阻抗

Rs=50ohm 輸出電壓為 Vs 示波器內阻Ro=50ohm



NC ) 不須使用測試棒。以下圖例為交流電源分析：



NC ) 不須使用測試棒。以下圖例為交流電源分析：

示波器內阻等於信號內阻

信號阻抗Rs=50ohm 輸出電壓為 VsVs ~ 示波器內阻

Ro=50ohm系統電容

接地電感

6. 阻抗匹配 ( COUPLING ) - 負載效應 ( LOAD EFFECT )

示波器與信號源分別為不同獨立迴路，因此示波器量測造成信號源的損壞，依負載的大小影響程度不同，通常搭配測試棒提高示波器阻抗降低負載效應。

測試棒增加量測系統阻抗，降低負載效應。以下圖例為直流電源分析：



測試棒增加量測系統阻抗，降低負載效應。以下圖例為直流電源分析：

示波器內阻Ro=1Mohm

測試棒內阻Rp=9Mohm

示波器內阻必須遠大於信號阻抗

量測端電壓為 VsVs信號阻抗

Rs

Io

Is



量測系統的量測品質受電容及接地電感影響。以下圖例為交流電源分析：



量測系統的量測品質受電容及接地電感影響。以下圖例為交流電源分析：




系統電容

接地電感

Vs ~信號阻抗

Rs

示波器基礎認識示波器基礎認識 ( BASIC ) ( BASIC )

6. 阻抗匹配 ( COUPLING ) - 交直流信號 ( DIRECT+ALTERNATING CURRENT )

信號源包括直流及交流信號。示波器上交流的定義是指頻率大於 50Hz 的信號，直流是指頻率小於 50Hz 的信號。

6. 阻抗匹配 ( COUPLING ) - 交直流信號 ( DIRECT+ALTERNATING CURRENT )

信號源包括直流及交流信號。示波器上交流的定義是指頻率大於 50Hz 的信號，直流是指頻率小於 50Hz 的信號。

時間 (t)

電壓 (V)

交流

直流

0

+2.5V

+0.5V

+1.5V

表示方式 AC2V+DC1.5V

0

+2.5V

+0.5V

+1.5V

阻抗匹配為 DC1M ：直流＋交流信號。

6. 阻抗匹配 ( COUPLING ) - 交流信號 ( ALTERNATING CURRENT )

信號源只有包括交流信號。示波器上交流的定義是指頻率大於 50Hz 的信號，直流是指頻率小於 50Hz 的信號。

6. 阻抗匹配 ( COUPLING ) - 交流信號 ( ALTERNATING CURRENT )

信號源只有包括交流信號。示波器上交流的定義是指頻率大於 50Hz 的信號，直流是指頻率小於 50Hz 的信號。

0

+1V

-1V

阻抗匹配為 AC1M ：交流信號。

時間 (t)

電壓 (V)

交流

直流

0

+2.5V

+0.5V

+1.5V

表示方式 AC2V+DC1.5V

7. 接地問題 ( GROUNDING ) - 量測系統 ( 測試棒＋示波器 ) 等效電路數位示波器搭配的電源線為 3-PIN 的電源插頭，第三支腳為接地線，測試棒的負端與電源接

地線在示波器內部是短路，因此電源接地使整部儀器對地不會有任何電位差，以確保使用者的安全。

7. 接地問題 ( GROUNDING ) - 量測系統 ( 測試棒＋示波器 ) 等效電路數位示波器搭配的電源線為 3-PIN 的電源插頭，第三支腳為接地線，測試棒的負端與電源接

地線在示波器內部是短路，因此電源接地使整部儀器對地不會有任何電位差，以確保使用者的安全。

AC110 / 220V電源接地

電源線

測試棒正端

系統電容

測試棒電阻

示波器內阻測試棒負端

接地電感

電源供應器

7. 接地問題 ( GROUNDING ) - 量測系統等效電路 ( SYSTEM EQUIPMENT )

以下圖例為理想電路：


以下圖例為理想電路：




Vs ~信號阻抗

Rs


量測系統的量測品質受電容影響的狀況。


量測系統的量測品質受電容影響的狀況。



信號造成上昇時間延遲

系統電容Vs ~信號阻抗

Rs


量測系統的量測品質受電容及接地電感影響。


量測系統的量測品質受電容及接地電感影響。



系統電容

接地電感

信號除造成上昇時間延遲並產生振盪

Vs ~信號阻抗

Rs

The end, thanks!

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