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)

(此處原是 AWG 儀器圖，原圖已遺失。) {alertInfo}

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。 {alertInfo}

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)。 {alertInfo}

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.... {alertInfo}

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～

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