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功能攀升 示波器以更强大姿态面世
进步技术赋予全新特性

【作者: 王岫晨】2016年08月29日 星期一

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现今各种电子装置蓬勃发展,从消费型电子、到汽车电子,甚至高阶的通讯与国防,我们的身边,早已伴随着各式各样的电子信号。而日新月异的功能不断被开发出来,设备本身的运算速度也不断提升。更快速更多元的产品设计趋势,让研发人员也必须升级手上的测试仪器,才有办法分析更复杂的电路设计与电子讯号。


为了要撷取讯号,就必须要透过示波器。示波器这种测试仪器,主要是用于显示某个变数与另一个变数间的函数关系。举例来说,它可以在显示器上绘制一个电压与时间的XY轴图表。如果工程师是想测试某个电子元件是否正常运作,这项功能会很有用。倘若想知道移除元件之后会出现何种信号波形,就可以使用示波器来查看元件是否可正常输出正确信号。最新的示波器都能自动执行大部分的量测,当然也给予测试工程师自行调整的弹性。


信号完整性

示波器主要的用途,在于准确地再现电气信号,因此信号完整性显得非常重要。信号完整性是指示波器重建波形,准确再现原始信号的能力。信号完整性太低的示波器,是没有价值的。因为当示波器的波形形状或特性,与真正的信号不一样时,执行测试便毫无意义。


但不论示波器的品质有多好,也无法完全重现真正的信号。这是因为当示波器连接到电路时,示波器就会变成电路的一部分。换言之,会有一些负载效应产生。尽管仪器制造商尽可能将这样的负载效应减到最小,但就某种程度上,这些效应将会一直存在。


示波器虽然不同的种类与品牌非常多,但大部分的示波器都还是具有一些基本的特性。示波器的面板大致可以分成几个主要区块:通道输入、显示器、水平控制、垂直控制、以及触发控制等。而如果示波器未配备Windows作业系统,很可能还另外提供一组按键,让工程师可以控制萤幕上的功能表。而许多示波器也都具备了PC的连接功能,包括光碟机、USB埠、串列埠,以及外接式监视器、滑鼠与键盘输入等。


经济型示波器

经济型示波器的价格不贵,但效能比不上高效能示波器。这些示波器通常可在大学的实验室里看到,其主要优点就是低价。使用者可以用相当合理的价格,买到非常实用的示波器。


高效能示波器

高效能示波器可提供最佳的效能。凡是需要高频宽、快速的取样率和更新速率、较大的记忆体深度、以及广泛的量测功能者,都会选用这种示波器。高效能示波器主要的优点,是可以正确分析广泛的信号,并且提供许多应用软体和工具,使现有技术的分析变得更简单而快速。但价格昂贵且体积较大,是高效能示波器主要缺点。


强化的示波器

随着电子设备频繁采用射频和数位元件,测试仪器也开始整合高级测量工具,应用于高速信号的测试用途。

现代示波器不再只是一个时域测量工具。它已演变成为能够进​​行频域测量,因此能够满足LTE和WLAN等无线通信系统的信号验证和调试需求。示波器使用快速傅立叶变换(FFT)功能或频谱分析软体,可透过仪器内置的多种增强测试功能,来执行这些测量。


示波器依据特性,又分为类比示波器,与数位储存示波器(DSO)。随着电子设备越来越多频繁采用射频和数位元件,测试设备也开始整合更多高级的测量工具,应用于高速信号的测试用途。而数位示波器当然也紧跟着这样的趋势,整合了更多不同的功能,例如波形发生器、逻辑分析仪,以及串行协议和频谱分析功能等。


在某些情况下,对于射频信号测试,数位示波器可能比信号分析仪等频域仪器更便利。这对于频率在3.1GHz至10.6GHz、数据速率高达1024Mb/s的新兴超宽频(UWB)通信系统来说,更为重要。虽然信号分析仪具有更好的动态范围和更小的失真,但对于信号分析来说,现代示波器却具有更高测量频宽和更多自动化功能的优势。


与德国科学家Karl Ferdinand Braun于1897年发明的阴极射线示波器(Cathode ray oscilloscope)相较,现有的数位储存示波器已大不相同。进步的技术不断提升示波器的新特性,更适合让工程师使用。其中最显著提升的功能之一,便是示波器进入数位领域,导入数位讯号处理与波形分析等强大功能。


现在的数位示波器包含高速、低解析度(一般为8位元)的类比数位转换器(ADC),已定义的控制元与显示功能,且内建的处理器可执行常见量测作业的软体演算法。


另外来说,示波器可利用电脑最新的处理功能与高解析度显示,并保留高速示波器的其他功能。由于示波器属于电脑架构,让使用者能透过软体而定义仪器功能。因此,示波器不仅能够用于示波器量测,亦可用于客制化量测,甚至用于频谱分析器、频率计数器、超音波接收器,或更多仪器。


相较于传统的独立示波器,开放架构与灵活软体,均让示波器具备更多优势。然而,示波器(Digitizer)与高速示波器(Oscilloscope)有许多相似之处,因此在选择时亦需要考虑多项要点。


  • ‧ 频宽


  • ‧ 取样率


  • ‧ 取样模式


  • ‧ 解析度与动态范围


  • ‧ 触发


  • ‧ 内建记忆体


  • ‧ 通道密度


  • ‧ 多重仪器同步化


  • ‧ 混合讯号功能


  • ‧ 软体、分析功能,与可客制化特性



结语

虽然模组化示波器与独立示波器均可撷取电压,但不同仪器具备不同优点。而上述的考虑因素均极为重要。使用者应先考虑应用需求、成本限制、效能,与未来的可扩充性,再选出可满足需求的仪器。


罗德史瓦兹RTO示波器


台湾罗德史瓦兹总经理蔡吉文:「RTO拥有最广泛的应用范围!」

罗德史瓦兹RTO示波器提供达128位元的序列资料触发,因此能提供精确的个别位元序列触发;透过升级时脉资料回复硬体选配,则成为嵌入式时脉讯号测试的理想选择。


蔡吉文说,RTO示波器系列的应用范围,还可以扩大至车用乙太网路介面测试。此外,由于在工业、资讯科技及汽车领域,都必须使用乙太网路交换技术,因此R&S也为RTO数位示波器系列提供了乙太网路介面自动化测试方案,其高动态范围将提供使用者精确的测试结果。



图1 : 罗德史瓦兹RTO示波器
图1 : 罗德史瓦兹RTO示波器圖片來源:rohde-schwarz.com (图片来源:rohde-schwarz.com)

太克科技DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器


太克科技大中华区产品技术总监陈湘俊:「对于技术绝不妥协,才能满足高频测试应用。」

在示波器市场上,必须面对两个重要的趋势,分别是高速通讯与宽频射频的发展。高速通讯需求载波在收发器设计中寻求 更多网路容量、由于时间余裕小因此需要全新的抖动分离法、以及光调变分析、和精确的低杂讯量测功能。


陈湘俊说,太克推出DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器,正是为了要满足这样的需求。这台示波器提供了超高频宽即时示波器中,最低的杂讯和最高的有效位元。而一系列创新技术,可以有效满足开发高速相干光系统,或进行尖端研究的工程师和科学家的目前和未来需求。



图2 : 太克科技DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器
图2 : 太克科技DPO70000SX 70GHz ATI高效能示波器圖片來源:tektronix.com (图片来源:tektronix.com)

是德科技Infiniium V系列示波器


是德科技台湾区总经理张志铭:「我们让开发工程师能够精准洞察所量测到的信号。」

全球示波器拥有12亿美元的市场规模,如此大的一块饼,当然也吸引了许多厂商竞相开发更好的产品,来获取更大的商机。而在高阶示波器市场上,是德科技也持续扮演着领导者的角色。面对高速数位讯号测试需求不断提升的情况下,是德科技也推出全新的Keysight Infiniium V系列示波器,来补足高阶示波器市场的最后一块拼图。


张志铭说,Keysight Infiniium V系列问世后,工程师便可又快又准确地执行所有测试,进而更快将新产品推出上市,并且增强对设计品质的自信度。



图3 : 是德科技Infiniium V系列示波器
图3 : 是德科技Infiniium V系列示波器圖片來源:keysight.com (图片来源:keysight.com)

NI高速示波器


国家仪器技术行销经理潘建安:「PXI架构可大幅缩短测试时间。」

NI 高速示波器具有强大的仪器整合,再加上高输出 PXI 汇流排有助于缩短测试时间,非常适合高频宽自动化量测作业。这些示波器搭载了NI 专利T-Clock 同步化技术,可借此建置高达34 个相位同步1 GS/s 通道所组成的系统,并且进一步整合其他NI 硬体,打造出完整的自动化混合式讯号测试系统。



图4 : NI PXI架构仪器
图4 : NI PXI架构仪器圖片來源:ni.com (图片来源:ni.com)
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