示波器類型
第 1 章
第 1 章
示波器基礎知識
示波器圖形
在最基本的層級上，示波器的電訊號圖顯示了訊號如何隨時間變化 (圖 2)：
圖 2：顯示波形的 X、Y 和 Z 分量。
顯示器的強度或亮度有時稱為 Z 軸。在數位螢光示波器 (DPO) 中，Z 軸可以透過顯示器的顏色分級來表示 (圖 3)。
圖 3：具有 Z 軸強度分級的兩個偏移時脈模式。
訊號完整性的意義
A key benefit of an 示波器的主要優點之一是能夠準確地重建訊號。訊號重建的成果越好，訊號完整性就越高。這是考慮訊號完整性的一種方式。示波器類似於照相機，負責擷取訊號影像，然後您負責觀察和解讀這些影像。訊號完整性的核心包含幾個關鍵問題：
- 當您拍照時，是否準確反映了實際發生的情況？
- 相片清晰還是模糊？
- 您每秒能拍多少張準確的相片？
示波器的不同系統和效能使其能夠提供盡可能高的訊號完整性。探棒也會影響量測系統的訊號完整性。
本入門手冊可協助您瞭解所有這些要素，以便您可以選擇和使用適合您應用的示波器。在開始評估示波器之前，您需要瞭解波形和波形量測的基礎知識。
本章涵蓋了這些資訊。這是讓示波器順利運作的基礎。
瞭解波形和波形量測
隨時間重複的模式的通用術語是波。聲波、腦波、海浪和電壓波都是重複的模式。示波器量測電壓波。波形是波的圖形表示。
振動、溫度等物理現象或電流或功率等電現象可以透過感應器轉換為電壓。波的一個週期是波中重複的部分。電壓波形在水平軸上顯示時間，在垂直軸上顯示電壓。
波形顯示了關於訊號的大量資訊。每當您看到波形高度發生變化時，您就知道電壓發生了變化。如果顯示一條平坦的水平線，則表示在這段時間內沒有變化。
直線、對角線表示線性變化；電壓以穩定的速率上升或下降。波形上的銳角表示電壓突然發生變化。圖 4 顯示常見的波形。
圖 4：常見波形
圖 5 顯示常見波形的來源，例如電源插座、電腦、汽車和電視。
圖 5：常見波形的來源
波的類型
您可以將大多數的波分為以下類型：
- 正弦波。
- 方波和矩形波。
- 鋸齒波和三角波。
- 步進和脈衝形狀。
- 週期性和非週期性訊號。
- 同步和非同步訊號。
- 複合波。
接下來，我們將看看這些類型的波浪中的每一種。
正弦波
出於多種原因，正弦波是基本波形。正弦波具有和諧的數學特性，與您可能在三角函數課程上學習過的正弦形狀相同。
牆上插座中的電壓則以正弦波的形式變化。訊號產生器的振盪器電路產生的測試訊號通常是正弦波。
大多數的交流電源會產生正弦波 (AC 代表交流電，雖然電壓也會交替；DC 代表直流電，這意味著穩定的電流和電壓，例如電池產生的電流和電壓)。阻尼正弦波是一種特殊情況，您可能會在振蕩的電路中看到，但會隨著時間的推移逐漸減弱。
方波和矩形波
方波是另一種常見的波形。基本上，方波是一種定期開啟和關閉 (或變高和變低) 的電壓。方波是測試放大器的標準波。好的放大器會以最小的失真增加方波的振幅。
電視、收音機和電腦電路通常使用方波作為時序訊號。矩形波與方波類似，只是高低時間間隔不等長。這在分析數位電路時尤為重要。
鋸齒波和三角波
鋸齒波和三角波由設計用於線性控制電壓的電路產生，例如類比示波器的水平掃描或電視的光柵掃描。
這些波的電壓位準之間的轉換以恆定速率變化。這些轉換稱為斜波。
步進和脈衝形狀
很少或非週期性出現的步進和脈衝等訊號稱為單次或暫態訊號。
步進表示電壓突然變化，類似於開啟電源開關時看到的電壓變化。
脈衝表示電壓突然變化，類似於您開啟電源開關然後再次關閉時看到的電壓變化。脈衝可能代表透過電腦電路傳輸的一位元資訊，也可能是電路中的故障或缺陷。
一起傳播的脈衝集合建立成脈衝序列。電腦中的數位元件會使用脈衝相互通訊。這些脈衝可以是串列資料串流的形式，也可以使用多條訊號線來表示並列資料匯流排中的值。脈衝在 X 射線、雷達和通訊設備中也很常見。
週期性和非週期性訊號
重複訊號稱為週期訊號，而不斷變化的訊號稱為非週期訊號。靜止影像類似於週期訊號，而電影類似於非週期訊號。
同步和非同步訊號
當兩個訊號之間存在時序關係時，這些訊號即稱為同步訊號。電腦內部的時脈、資料和位址訊號是同步訊號的例子。非同步訊號則是不存在時序關係的訊號。由於觸碰電腦鍵盤上的按鍵與電腦內部的時脈之間不存在時間相關性，因此這些被認為是非同步的訊號。
複合波
一些波形結合了正弦波、方波、步進和脈衝的特性來產生複雜的波形。訊號資訊可以使用振幅、相位和/或頻率變化的形式嵌入。
例如，圖 6 中的訊號雖然是普通的複合視訊訊號，但其是由嵌入低頻包絡中的高頻波形的許多週期組成。在這個例子中，瞭解相對位準和時序關係很重要的步驟。若要查看此訊號，您需要一個示波器來擷取低頻包絡，並以強度分級的方式混合高頻波，以便您可以將奇的整體組合視為可以直覺解釋的影像。
數位螢光示波器 (DPO) 最適合用於檢視複合波，例如圖 6 中所示的視訊訊號。其顯示畫面提供了必要的發生頻率資訊或強度分級，這對於瞭解波形的真正作用而言十分重要。
一些示波器可以採用特殊方式顯示某些類型的複合波形。例如，電信資料可以顯示為眼圖或星座圖：
圖 6: NTSC 複合視訊訊號即是複合波的一個例子。
電信數位資料訊號可以在示波器上顯示為一種特殊類型的波形，稱為眼圖。此名稱來自波形類似於排成一列的眼睛 (圖 7)。
當來自接收器的數位資料被取樣並應用於垂直輸入時，即會產生眼圖，同時資料速率則會用於觸發水平掃描。眼圖顯示一個位元或單位間隔的資料，所有可能的邊緣轉換和狀態均疊加在一個綜合視圖中。
圖 7: 622 Mb/s 串列資料眼圖。
星座圖表示由數位調變方案 (例如正交振幅調變或相位偏移鍵控) 調變的訊號。
星座圖。
波形量測
許多術語用於描述您使用示波器進行的量測類型。接下來，我們將瞭解一些最常見的度量和術語。
頻率和週期
如果一個訊號重複出現，即有一個頻率。頻率以赫茲 (Hz) 為單位，是指訊號在一秒內重複的次數。這也稱為每秒週期數。
重複訊號也有一個週期，是訊號完成一個週期所需的時間量。
週期和頻率互為倒數，因此：
圖 8: 正弦波的頻率和週期。
電壓
V電壓是電路中兩點之間的電位或訊號強度。通常，這些點之一是接地或零伏，但並非總是如此。您可能想要量測波形從最大峰值到最小峰值的電壓，稱為峰對峰值電壓。
振幅
振幅是電路中兩點之間的電壓量。振幅通常是指從地面或零伏特量測的訊號的最大電壓。圖 9 所示波形的振幅為 1 V，峰對峰值電壓為 2 V。
圖 9: 正弦波的振幅和度數。
相位
透過查看正弦波可以最充分地解釋相位。正弦波的電壓位準是以圓周運動維基礎。假設一個圓有 360°，則正弦波的一個週期就有 360°，如圖 10 所示。
若使用度數，當您想描述週期已經過去了多少時，可以參考正弦波的相位角。
相位偏移描述了兩個相似訊號之間的時序差異。如圖 10 中標記為「電流」的波形與標記為「電壓」的波形相差 90°，因為這些波在其週期中恰好相隔 1/4 (360°/4 = 90°)。相位偏移在電子產品中是很常見的情況。
圖 10: 相位偏移。
使用數位示波器進行波形量測
數位示波器具有多種功能，使波形量測變得更輕鬆。示波器具有前面板按鈕和螢幕式功能表，您可以從中選擇全自動量測。這些包括振幅、週期、上升/下降時間等等。
許多數位示波器還提供平均值和 RMS 計算、運作週期和其他數學運算。自動量測顯示為螢幕上的字母數字讀數。通常，這些讀數比直接方格圖解釋可能取得的讀數更準確。
