一般的基礎電量儀器，不外乎數位電表(DMM)、Power Supply、Scope、Signal Generator、Counter、Spectrum Analyzer等幾項。當然也許還有其他種不同功能的特殊電子儀表，但也都跑不了是這些基本電子儀表的組合。例如：以測試無線電的綜合測試儀來說，它就是一個發射機與接收機的組合，也就是一個「信號產生器」(可以加入載波與調變波)與一個「接收儀器」(有解調器與音頻失真量測儀等)的組合。TDR(Time Domain Reflectometry)時域反射器(量測阻抗變化的儀器)就是一台「步階信號產生器」與「示波器」的組合。網路分析儀簡單的說就是一台「信號產生器」與「頻譜分析儀」的組合。這些看起來複雜的儀器，其實拆開來也是由很簡單的基礎電子儀器所組合。

這些基礎儀器如果你都能知道其原理，熟悉其優缺點與規格，並且正確使用的話，它們對你認識與使用一種新儀器來說並不是困難的事。以儀器的原理來說，使用一種儀器最好能先大概的了解其構造原理，當然你大可不必大費周章的去了解儀器的每一個元件的功能，但是最好你能了解到它們的方塊構造。因為如果你們了解到它們的方塊結構，當然你就能與它們的規格結合在一起，在量測使用時才不會使用不當並得到精準的量測數值。這些基礎儀器準確度並不是非常的高，但是很普遍的應用基本儀器，如果你不了解它們的原理常常會使你誤判量測的數值。

一般來說這些儀器在量測的讀值顯示方式，大致可分為二種：1.以數字讀值來顯示(把結果告訴你)，例如：數位電表(DMM)、失真分析儀(Distortion Analyzer)、功率表(Power meter)等。2.以螢幕畫面顯示(把過程告訴你)，例如：示波器(Oscilloscope)、頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)等。

這兩種表示的方法各有其利與弊。舉個例子來說：我們在分析一個電子信號的時候，你可以示波器去看它(Time Domain)，例如：它看起來是一個方波或正弦波，但是你看不出它們的組成(失真度)如何。再以頻譜分析儀去看它(Frequency Domain)，則你可以看出它是由那一種sine成份所組成的。這二種儀器都是以螢幕畫面顯示全部信號的儀器，你可以看出信號的完全顯示(當然還是有些地方它們無法觀察到的缺點)。

但是第1種以數字讀值來顯示的儀器來說就比較麻煩判斷了。例如：方波是由sine波的「基頻＋3rd諧波＋5th諧波＋...」所組成的，以一台「音頻失真分析儀」的量測原理來說【例如：(圖一)說明量測Harmonic的過程，圖一輸入DUT的信號是一個很純的sine波，經過一個DUT處理後，DUT的輸出失真有多少?】，它在量測DUT輸出失真時，失真分析儀是以一個濾波器(Notch Filter)濾去基頻，然後再把後面產生的諧波成份都加起來得到一個Vrms值，然後再將Vrms值除以基頻之大小，而得到THD＋N＝？%(THD＋N為Total Harmonic+Noise)。

《圖一　Harmonic失真測量程序》

這個THD＋N量測值是一般測量音頻信號的重要參數，其實它就是無線電收音機中常提到的SINAD值，只是SINAD值是以dB表示而已。當然以這種表示方法無法知道每一個單項諧波的失真是多少，只能知道全部的失真是多少。如果以一個頻譜分析儀來分析的話，則你可以很清楚的知道每一個諧波的失真量是多少。

使用這種數字顯示的量測儀器做量測時，要注意的地方很多。不要以為儀器有顯示出一個或某些讀值就表示它是對的，毫不考慮的相信這個值。當然如果是好一點的儀器在量測時，會出現一個懷疑的信號(例如出現一些警告信號)，就表示這個值可能不準確。所以應該要去了解量測儀器設計的原理，才可以自我判斷那一種量測值是對的。

講了半天也沒有一些具體的印象，我們還是舉個較淺顯的例子來說明比較容易讓人明白。例如：我們用一個Noise很低且Distortion很低的信號源，加入到二個差不多相同型式的分析儀器中去量測它的S/N比(信號雜訊比)。其中一台一直顯示出一個相同讀值，例如42dB，而另一台則出現一個警告信息，說讀值可能比42dB還大，如果你是一個量測人員，你要相信那一台儀器?量測步驟是：1.輸入信號“S”到分析儀→2.把分析儀相對Reference dB功能打開→3.關掉輸入信號源(不要隔離信號源與分析儀)量出“N”與“S”的比值，這時候的讀值就是S/N值。這個值你要如何判斷是否正確呢?

首先，你應該先判斷你信號源的最低Noise與分析儀自身的Noise那一個規格比較好。如果信號源的雜訊要比分析儀來得低的話，那有可能分析儀量到的Noise是來自分析儀本身的Noise，而不是被量測信號的Noise，所以有可能分析儀會一直顯示一個相同的讀值42dB，那麼這個讀值一定是不對。而另一台雖不能正確的量測出讀值(可能這台分析儀的Noise level不夠好，需要Noise更好更低的儀器)，但它至少沒有誤導你的量測。

基礎儀器的概述

數位電表(DMM)

a.DMM種類：

DMM大致上分成二類，1.實驗室型(例如：HP3458A、Fluke8505A)；2.掌上型(例如：Fluke 77、Tektronix TX3)。實驗室型大體上較為精確，且體積較大。最好的準確度可能可以達到0.001%。而掌上型則以攜帶方便為主，當然不會非常的精確。掌上型DMM有些也會同時具有數位示波器的功能，例如：Fluke 97、Tektronix THS720A。除了以上不同外兩者最大的不同在於，掌上型DMM因為可使用電池對於浮地(Floating Ground)有隔離功能，而實驗室型則沒有。浮地的隔離功能可以避免觸電的危險。

以電表或電表校正器校正程序來說：大家都是以8H位校正7H位，7H位校正6H...。都比下一級待校件準確十位數。而慢慢的把追溯傳遞下來，但是不確定度也就漸漸的變大。DMM在量測Vdc的電壓是沒有很大的問題，但是把Vdc電壓加上頻率變化以後，變成一個有頻率的電子信號時，就是個頭痛的問題了。以DMM來說：1個8H位Vdc準確度的複用電表來說，它可能在量Vac信號時只有6H位的準確度。而且Vac信號的頻寬限制在10kHz以內，大於10kHz的Vac信號就沒輒了，如果信號有失真就更不準確了。

在使用DMM時要注意的問題很多，以一台實驗室型DMM來說，因為它有高準確度，為了要避免CMRR信號的干擾，所以多了“Guard”與“Sense”的輸入端。所以你如果要有精確的量測，你要注意DMM的接地問題。另一個必須知道的常識是，利用DMM電阻檔量測低電阻(小於100kΩ)時應該使用4線式的量測法。

b.DMM的準確度與規格：

現在一般DMM者都以4位半(4H)，或幾位半表示。例如3H位，這表示這個DMM有4個固定的顯示數字，而最大的那個位數只能表示0與1，後面3位可以表示0~9位數。此DMM最大的數目為1999。在DMM的規格裏面，你常常會看到表示的方式為：

1. 0.5% of reading ±0.05% of range

2. 0.5% of reading ±0.05% of full scale

3. 0.5% of reading ±5% count (digit)

這些表示法中5 count或digit或0.05% of full scale，其實就表示這些DMM的解析度，也支配了這些DMM的準確與否。舉個簡單一點的例子來說，1個3H位的DMM，它的規格是1% of reading±1 digit，如果我們用它的2 Volt檔位去量測1.5 Volt的電壓則它的準確範圍應該為：

1%×1.5v=15mV，而1 digit(count)=1mV(DMM的最小單位解析度)

準確度為±15m±1mV=±16mV

這裏還看不出1mV對規格的重要性，如果現在我們輸出電壓改成0.2V(200mV)，則1%×200mV=2mV，而解析度為 1mV，則1mV對2mV來說變化就很大了。所以在量測小信號時，你更應該要把解析度放得更好，才能達到正確的量測。例如我們可以把200mV放在更小一個檔位，199.9 full scale則解析度變好，誤差也不會變大。一般Display為數位式的儀器，你就應該要注意這種情形的發生。

示波器

數位示波器已漸漸取代類比示波器，而且頻寬已經可以到達3GHz，取樣率已可高達10Gs/s。因為示波器要講詳細的地方實在太多了，在此我們略微提數位示波器的規格與使用。

示波器的應用：

示波器的應用很廣，只是以前它被用於維修與除錯的機會較多。但現在技術已愈來愈進步，示波器除了維修與除錯外，它還可以用於：1.偵測通訊信號的品質；2.CPU Clock的Jitter量測，例如：Rambus的Clock量測；3.IC Setup、Hold Time的量測；4.QAM通訊信號的量測；5.統計功能等。

數位示波器的規格：

影響示波器準確度的因素有：1.水平準確度；2.垂直準確度；3.還有頻寬的問題。現在數位示波器中常看到的規格有：

a.DC Gain Accuracy(此為”相對準確度”)：表示為示波器在螢幕上量測兩個電位差的準確度。例如Peak to peak值，一般廠商的標示會如此，例如：±1%，表示所有的情形下誤差都會≦±1%。有的則表示為±1.25% of full scale，這種表示法是說：示波器在螢幕上的full scale=8div → 8div×1.25%=0.1div 。它的誤差在4div時為±2.5%。如果檔位在1V/div時有±100mV之誤差，請小心判別。

b.DC Voltage Accuracy(此為“絕對準確度”)：因為數位示波器是由A/D轉換器所構成的，準確度會與A/D轉換器有關係，而A/D轉換器又會與輸入示波器的信號頻率有關係，與Offset與Position也有很大的關係，所以不得不標出這個規格。這個規格的算法很複雜，有機會我們再說明。但是由於有Offset與Position的功能，所以可以讓數位示波器以5mV/div的檔位量測到1Vdc以上的電壓(舊式的類此示波器5mV/div的檔位只能量測40mV=5mV/div(8div)。

c.Vertical Resolution 8bits：這表示數位示波器在垂直方面的解析度為256個level(8bits)，如果你設定的檔位為1V/div，則因為每一個div=25DL，則每個DL=40mV。一般廠商都會標示它的數位示波器為8 bits的解析度，但是事實上是不是在每一種頻率輸入示波器時，示波器的A/D都會8 bits的解析度呢？真正的解析度bits應該以Effective bits表示才對？如果有機會我們再做說明。

d.Bandwidth：Bandwidth的定義為，加入一個標準大小的電壓(例如100mV)，當輸入電壓之頻率一直增加，而示波器顯示之電壓為輸入電壓之0.7倍時(-0.3dB)的頻率，即是該示波器之頻寬。數位示波器的Bandwidth有好幾種：Analog Bandwidth、Useful Bandwidth、Realtime Bandwidth等。但是一般數位示波器標示的頻寬是指輸入電路的Analog Bandwidth，即是信號經過衰減器，前級放大器等電路的頻寬。所以標示的頻寬值與數位示波器的取樣速率是沒有關係的。有時你可以看到有的示波器標示取樣率為200Ms/s，但它的頻寬可以為300MHz或更高。

示波器中頻寬的規格很重要，但一般人在校正示波器時，卻常常忽略了這一項校驗。忽略這項校驗有甚麼不好呢？示波器因為無法標出它在那一個頻寬量測該頻率AC信號有多準確，所以示波器的規格，常常只會標示出它量DC時有多準確，然後再標示出它的頻率能量到多寬。所以依上面所敘述頻寬的定義來說，100mV的電壓以100MHz的示波器來量測時，如果輸入頻率為100MHz,100mV，你可能看到的信號是70mV,100MHz，它的誤差是30%。我們現在不管示波器那一個廠牌比較準確，既然示波器的誤差這麼大，要如何用呢？原則是如果你要量測的準確度為＜1%，則要比量測信號頻率大10倍的頻寬，＜2%則要大5倍，＜3%則要大3倍。

e.Acquisition Rate：數位示波器的取樣速率當然是愈快愈好。但示波器如果只一味的標示取樣速率很快，但其他的功能不能與它配合的話(例如：記憶體的速度、VGA Monitor的顯示能力、信號的處理能力等)示波器還是無法把信號完全忠實的顯示出來。

信號產生器

信號產生器依頻段分類大致可分：1.音頻產生器(Audio Generator)(約20Hz→160kHz)；2.函數波產生器(Function Generator)(約0.001Hz→十幾MHz或幾十MHz)；3.射頻產生器(當然它也包含了音頻之範圍，可以大到1GHz(微波)以上之頻率)

以上的信號產生器大都是傳統類比式sine輸出的儀器。現在的信號產生器在數位的架構下，已能任意的依使用者的需要組成所需要的模擬信號了，它就是我們所通稱的“任意波產生器”(Arbitrary Waveform Generator)。它的原理剛好與數位示波器相反，數位示波器是將類比信號取樣後，以數位形式表示出來。任意波產生器則是將你編輯的數位函數轉變成類比信號輸出。AWG的輸出頻率並不是非常的高，約在30MHz左右，BW會與它的Clock與Memory 有關。

一般音頻信號都是用150Ω，600Ω的阻抗，而RF信號則為50Ω的系統。音頻信號常用的是sine波來量測失真的情形，所以它的sine波失真會很小，約為0.01%左右。而函數波產生器(Function Generator)是從產生一個三角波後再經過一些電阻與二極體之電路，整形出sine波或方波。所以它的失真會比較大，約為1%→2%之間。

另外一種叫作Frequency Synthesizers的產生器，因為它們是直接用Quartz crystal oscillator的電路，它的失真度約為0.1%→1%左右。這種Synthesizers的產生器與射頻產生器都能產生高頻的信號，但是主要差別在於Synthesizers的產生器為不連續的產生器，且頻率較準確。

計頻器

一般人以為計頻器只能計算信號頻率，但是事實上計頻器不只是有計頻的功能。它還可以計算兩個輸入信號的時間差(Time ARB)，兩個輸入信號的比值(Ratio A/B)，計算信號的Pulse Width，Periods。

計數器的準確與否會與固有誤差(Inherent Errors)和訊號相關誤差(Signal-related Errors)有關。訊號相對誤差的來源可能來自於雜訊等問題。觸發的問題也是原因之一，這些雜訊、磁滯、觸發問題，都可以控制消除，但是固有誤差卻是無法以人為來消除。這些誤差來源有短期穩定度(Short-term)、長期穩定度(Aging rate)、溫度變化穩定度等。

因為計頻器的準確與否會和使用的時基(Time Base)有很大的關係，一般XTAL、TCXO等時基老化率約為10-7。而用oven則為10E-9，而銣、銫則可以高達10-10以上甚至到達10-12。在計頻率的規格上一定會標示出Time Base的漂移率(Aging)多大等規格。而這些標準的建立，台灣大都追溯電信研究所(TL)校正，以便將標準的時基校正準確，經過幾次校正後(中間不能讓你的標準件中斷使用)將幾次的漂移量計算出來，才可以看出這些物質的漂移量(Aging Rate)。如果你用的是銫原子鐘，則你可能幾年以後就得更換銫的管子，花費不能不算便宜。一般考慮經濟的問題大都會求其次用銣，或Oven振盪器就好了。

電源供應器(Power Supply)

電源供應器，大概每個實驗室都有，校正時所要求之誤差可能也較大。有時可能你不需要校正它，但是至少你要驗證一下它的電壓誤差多大？供應之電源有多大？加入負載時變化如何？購買Power Supply時應注意其最大輸出功率，最大輸出電壓電流，另一樣要注意的是它的輸出漣波。

頻譜分析儀

一般會用到頻譜儀的情形都是在頻率比較高的量測時(當然也有低頻的頻譜儀)。因為頻譜分析儀比較不會受到高頻準確度問題的影響，而它又能把示波器(Time domain時域)無法看到信號失真多少的問題決解，所以你會使用頻譜儀來觀察一個信號的失真有多大。一般做在信號產生器校正時，高頻的平坦度(Flatness)都會用到它來看信號的失真有多少。

頻譜分析儀可分類成二類：(超外差頻譜分析儀(Sweep Spectrum Analyzer)和(即時頻譜分析儀(Real time Spectrum Analyzer)。一般頻譜分析儀都是指現在使用的超外差頻譜分析儀(Sweep Spectrum Analyzer)，它的優點是準確度高，靈敏度低很好，成本低。缺點也就是因為成本低，所以只用了幾個RBW filter(例如：1MHz，300kHz，100kHz，30kHz，10kHz，3kHz，1kHz共7個就夠了)，因為Filter只能使用1個，以致於必須依Span的大小決定其少掃瞄速度，變得filter必須與Sweep配合，使得頻譜分析儀掃瞄變得比較慢，所以它不是即時的。

即時頻譜分析儀(Real time Spectrum Analyzer)所使用的Filter就很多，可能高達1024個。這些Filter是並行為的，所以能很快的濾出信號，稱為即時頻譜分析儀。這種即時頻譜分析儀的Filter通常都是利用FFT(Fast Fourier Transform) 的數位濾波器。雖然它是即時但是使用時也要注意它的缺點，例如：Window的使用、Memory的長短等。

頻譜分析儀的應用：

以前頻譜分析儀常被應用於：1.AM,FM的量測；2.Harmonic失真量測；3.雷達波的量測；4.EMC測試。如果頻譜分析儀能配合一些信號源就能有很多的應用，例如：配合一台信號源(Tracking Generator)就可以量測Component的特性，例如：Filter、AMP、天線等。當然如果這頻譜分析儀能量測相位(Phase)的話，也就是所謂的「網路分析儀」(Network Analyzer)，大家都知道網路分析儀可以量測出元件阻抗的Smith Chart。

另外一個現在比較讓人注意的量測是大哥大的量測(GSM,EDGE,CDMA2000,WCDMA等的量測)，大體上說單單用Sweep頻譜分析儀只能量測出數位調變載波信號(Carrier)的大小而已。如果你的頻譜分析儀能力有Real Time的功能且能量測相位(Phase)的話，就能量測數位通訊信號的EVM、Eye Pattern、Hopping、Adjacent Channel Power、Constellation、Occupied BW。

頻譜分析儀的頻率規格：

Center Frequency Accuracy：這個規格準確度會與頻譜分析儀所處在的模式有關(Unlock、Lock Mode)，也會與Span/div有關。

Drift：這個規格是說明頻譜分析儀把信號抓住在螢幕時，這個信號的飄移程度，當然這個規格也會與Unlock或Lock Mode有關。一般來說，如果Drift很大，可能使信號飄出螢幕，那麼這儀器一定是不好的或是損壞了。這是一個所謂的長時間穩定度(Long-term Stability)，這個規格會與使用的參考振盪器有關係。

Residual FM：這個規格是說明頻譜分析儀的短時間穩定度(Short-term Stability)。

Frequency Response：這個規格是說明頻譜分析儀在它的頻寬範圍內的頻率響應為距離兩個最大偏差點的中點不會超過±1.0dB。

頻譜分析儀的振幅規格：

Accuracy：一般來說廠商都不會標示出來，因為它會與好多因素有關，例如：a.RF Attenuation Accuracy(0.5dB/10dB to max of 1dB over the 60dB range)；b.IF Gain Accuracy；c.Resolution Bandwidth(≦0.8dB Between any two filter)；d.Display mode；e.Calibrator Accuracy(±0.3dB)；f.Frequency Response(±1dB)...

1dB compression point(-20dBm)：這個規格是說明頻譜分析儀在它的輸入信號超過時會產生諧波與不正常的Gain值。因為如果輸入信號大小超過頻譜分析儀1st LO Mixer的線性範圍，2nd Harmonic 會比基頻成2倍變大，3rd Harmonic會比基頻成3倍變大，這樣會影響到頻譜分析儀Dynamic Range。

Sensitivity(靈敏度,100dB以上)：這個規格是說明頻譜分析儀在它能偵測的最輸入信號，通常這個規格會出現在頻譜分析儀的最小RBW時，要注意不要搞混了。

結論

系統量測儀表是由一些基礎量測儀表所組合，如果能對基礎量測儀表的量測原理，規格能夠確實了解，並能知道它們的優缺點正確的應用的話，應該對你的量測準確與否會有很大的改善。能否正確的使用儀器是在購買儀器時，就應該要求廠商給予正確且詳細的介紹儀器的功能，並於購買後能將正確的使用方法傳遞到下一位使用者的手上。(有的儀器在購買者手上時都會正確使用，該人員離職後就不會使用了)。錯誤的使用，可能比不知道更慘。

再來的問題是有些使用者在使用儀器時，不去了解儀器的規格，而只知一味的去作量測，不知對自己量測出來之數據詳加判定其對與錯，而判定有顯示出讀值的儀器就是對的，那就大錯特錯了。最後要說的是，儀器在購買以後都要經過校正檢驗，才能再行使用(不管是新購買與否)，因為新的儀器，也有可能一出廠它就是壞的。校正完後再進行量測，才會得到正確的量測結果。(本文作者現任職太克科技)