任意波形產生器,你設定對了嗎?

  前幾天,跟我們公司的工程師在測試東西的時候,發生了一件我覺得值得拿出來討論一下的事情。

  一個會接觸到硬體的工程師,通常會有幾種基本量測工具:三用電表、示波器以及任意波形產生器。

  1. 任意波形產生器(AWG)是作為打入電路的訊號源使用(或稱激發源、source、input 都可以),你可以用AWG產生弦波、方波、三角波餵給你的電路....
  2. 三用電表與示波器是作為探測電路的輸出使用 (或探測任意端點)
    • 一般的三用電表通常是拿來探測直流量 (這裡只針對訊號而言, 當然電表也可量電阻、測短路、PN接面等)。有些電表可以量交流值,不過只能讀值,看不出訊號的波形。
    • 示波器的用途很明顯,就是能探測出任意的波形 (不考慮頻寬的條件)


事情是這樣的....

  工程師在進行電路量測前,通常會先架好測試環境,在架測試環境的時候也會順便檢查一下手邊量測工具的狀況,看是不是有東西出了問題。我同事用AWG打出一個交流訊號,接到一顆220歐姆的負載,再用示波器去量測負載上的電壓值是否就是他在AWG上設定好的波形(確認振幅、頻率與直流位移)。

  結果呢!我同事開始該該叫了...「阿~公司的儀器不準拉....有誤差啦....blah blah」。我見狀好奇,跑進去實驗室看一下,想說順便跟著一起哭夭一下「阿~公司儀器爛啦....」。

不過,我死工程師的個性在又在我的潛意識中隱隱發作起來....

我問一下同事:「是誤差怎樣啦?你負載掛多大?」
同事:「220歐姆啦....」

我光是聽到220歐姆,李組長我本人就發現事情並不單純!隨手看了一下AWG的輸出負載設定,設定的畫面就像下面這張圖。
我看到後,立馬將負載設定改為220歐姆。露出奸笑說:「你看一下示波器...」
同事:「啥咪小朋友阿....」

我說:「你剛好選了一個很棒的負載220歐姆,不管你的load設定是預設的50歐姆,還是High Z,你在示波器量到的結果,永遠不會是你預期的波形,振幅一定老是不對。哈哈哈哈....」

一邊講話的同時,我把他帶到白板旁邊,我死叫獸的那一面從我的腹股溝竄上來了....

我接著說:「一般來說,訊號源儀器的內阻通常是50歐姆。大部分使用AWG的情況不是選50歐姆就是選High-Z。在餵訊號給數位電路輸入端的時候,都是用High-Z居多,因為CMOS的輸入是高阻抗。假設我們現在設定一個擺幅從0V ~ 3V、頻率為1 kHz的方波,輸出負載設定為High-Z,餵給數位電路輸入端,那麼用示波器探測該端點,你覺得波形應該如何?」

註:訊號源儀器的內阻通常是50歐姆,這是有典故的,但不是所有儀器都一定如此,最好是看一下儀器製造商的規格表確認一下。還有,數位輸入端的阻抗不一定都是高阻抗,在某些高速數位電路就不是這樣,或者是訊號頻率很高的情況看到的阻抗也不一定是高阻抗。為簡單說明,這裡假設都是很一般的基頻電路會遇到的情況。

同事:「就 0 ~ 3 V,頻率 1 kHz 的方波啊!」 (OS: 這什麼鳥問題....)
我:「強哦!那如果說,現在把輸出負載的設定改為 50 歐姆,其他設定不動,這樣會量到多大的電壓擺幅?」

同事想了一下:「電壓會很大!」
我:「哭夭!很大是多大?」
同事:「恩.... 就很大!」
我:「到底是多大....」
同事:「肯定是比你大,也比我大!」
我:「X!正經一點啦....」

我:「你可以在白板上,試著畫出AWG的電路模型嗎?」 (白板筆... 遞 ~~~)

我同事竟然沉思起來,用一種深情款款的眼神一直盯著白板....
這世界突然定格了10秒鐘有吧....

同事:「AWG甚麼模型啦!」 (冰的啦!!!!~~)
我:「吼.... 電壓源的模型啦....」
同事:「不能用電流源嗎?」
我:「吼.... 賣亂啦!現在AWG是設定輸出電壓波形,就用電壓源處理啦!你要用電流源處理就自己轉諾頓電路啦....」

同事畫出了剛剛最初的情況「餵一個擺幅 0 ~ 3 V的方波給數位高阻抗輸入的模型」如下。
我們告訴AWG:「Hey, 我等一下要接一個高阻抗的負載在你的輸出,我想在這個負載上看到擺幅為0 ~ 3 V的方波喔....」

事情很簡單,負載不過就是拿到電壓源在它身上的分壓罷了 (50歐姆跟負載兩個是串聯的)。

我說:「好,那如果現在我告訴AWG,我要接上50歐姆的負載(Load設定為50歐姆)!AWG會認為你想接的電路如下」... 

AWG 內部電壓源會特地準備一個振幅 0 ~ 6 V 的方波,因為你告訴他你要接上50歐姆的負載,而AWG自己的內阻是50歐姆,所以負載接上去後,剛好電壓分一半,就是你設定的、你想要的 0 ~ 3 V的方波。
可是!

我說:「因為你白目,你欺騙AWG的感情,你說你會掛上50歐姆的負載,可是你卻給人家掛上"高阻抗"負載。你強姦了AWG!!!所以她就不爽了!她直接吐一個振幅 0 ~ 6 V的方波給你,就像下面那張圖,分壓幾乎都掛在負載身上。 (注意,此時你是設定要拿到 0 ~ 3V的方波)」
同事:「對啊!這樣負載上的電壓不就很大!我沒說錯阿!哈哈哈,我剛剛只是聽不懂你在問什麼....你表達能力有問題哦....連問題都不會問,怎麼教學生啊!難怪在學校混不下去。」

我:「對啦對啦~ 反正要注意一點啦!AWG生氣了很危險啊,假設你的數位輸入扛不了 6 V peak的電壓,幸運一點沒事,或只是暫時性的損壞;你運氣差一點,AWG就直接把你的IO打掛了。到時候不要又在那邊哭夭....」

同事:「開玩笑的啦!我知道啦~ 原來你剛剛把Load調成220歐姆,就是告訴AWG等一下要掛上220歐姆的負載。所以我在AWG上的設定,就會忠實地呈現在負載上。因為AWG內部會自己調整電壓源的振幅來搭配。」

我:「是的!如果你拿到的AWG的Load只有50歐姆跟High-Z可選,不能調整任意負載阻抗。在已知負載的情況下,那你就自己用手稍微先推算一下,就知道AWG的電壓振幅大概要怎麼設定,才會在負載上得到你想要的結果啦!」

我:「順便提一下。假如有一個電路,你想找他的輸入阻抗,拿一台AWG,依照上面的原理,用示波器探得負載上的分壓後,你就可以推算出電路的輸入阻抗是多大了。」

註:用AWG去測輸入阻抗,對純電阻負載沒有問題。但如果輸入阻抗的電抗性較強,你推算到的結果會是 |Z| ,而不是complex impedence Z ( = R + jX)。


這件事情我遇過很多次,特別容易發生在學生身上。剛畢業的 E. E.工程師,可能也還嫩嫩的,就很可能會發生這樣的問題。假使你今天在測放大器,輸入阻抗又不一定是高阻抗,儀器沒有正確設定的話,你打進去的訊號源的條件很可能根本就是錯的(假使你DC偏壓又是用AWG的直流位移順便給的話),偏壓一旦錯了,小訊號特性會量的對才有鬼。又或者,你以為輸入振幅是10 mV,但事實上跑到放大器輸入端只剩5 mV,然後你用10 mV下去推算出來的放大器增益就不夠,就開始該該叫「我放大器gain怎麼少 6 dB」、又或者放大器輸入其實拿到100 mV,然後你又開始該該叫「我放大器怎麼飽和掉了,動態範圍應該沒有那麼小啊!」
(如果真的沒辦法,最後的殺手鐧,就是用示波器一邊觀察,一邊調整到正確的條件。用這種方式,訊號源剛開始要先調小一點。應該很多人都心有戚戚焉.... 科科....)

特別是面對學生,只要學生在靠夭說「電路有問題」,我第一件做的事都是先跟學生確認量測條件。只有量測條件都沒有問題後,才會往電路出問題的方向去思考。

不過,只要做久了,再嫩的工程師,也會漸漸變的強大起來!我們需要給新手一點時間啦~


任意波形產生器,你設定對了嗎?

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2 則留言:

  1. 看了老師的文章覺得文字活潑也能學到東西,真心覺得很棒!!

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    1. 哈囉 好國民... 謝謝你! 我很久沒寫智障文了 XDDD 是該再好好嘴砲一下了!哈!

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