新興應用推波助瀾　量測技術更上層樓

數位時代來臨與新興應用帶動量測技術發展，且直接驅動高速串列(HSS)介面往高傳輸速率邁進，其中，主要的四大應用市場包括無線通訊、嵌入式系統、提升資料傳輸效率與視訊傳輸，其中，由於影音規格邁入高畫質(HD)，因而高速串列介面的發展更是如火如荼。  

高速串列主導量測儀器發展  

高速串列介面崛起，不僅大幅提升傳輸速率由3Gbit/s邁向6Gbit/s、10Gbit/s甚至12Gbit/s，加上各式標準林立，為求產品的互通性，除更提升量測的重要性外，對於量測業者而言，相關技術的挑戰也日益加大。  

圖1　左起為太克科技技術解決方案總經理Ian Valentine、業務部協理丁偉凱

各式高速串列介面包括PCI Express(PCIe)、SATA、高畫質多媒體介面(HDMI)、DisplayPort與乙太網路(Ethernet)等，分別應用於視訊傳輸、網際網路、儲存、序列輸入/輸出(I/O)接腳、嵌入式系統I/O與企業級伺服器等。  

太克科技(Tektronics)技術解決方案總經理Ian Valentine(圖1左)表示，2011年後，高速串列介面的演進將進入第四個世代，除了傳輸速率再提升外，對產品低功耗將有更多的要求，解決之道則是倚靠光傳輸與新的調變技術。而對於量測儀器頻寬的要求則是，須具備高於高速串列介面傳輸速率五倍以上的頻寬，也需要有更快的波形取樣率與更佳的除錯功能，並增加等化器的運用，才可因應高速串列介面不斷的進化。  

2000～2011年期間，高速串列的傳輸速率增加百倍(圖2)，以通用序列匯流排(USB)為例，即有四百倍的差距，Valentine巧喻，高速串列介面以3年提升兩倍的傳輸速率持續發展，近似於摩爾定律每兩年相同面積的晶圓上可容納的電晶體數量也呈倍數成長。目前USB、SATA、PCIe、HDMI皆已邁入第三代規格，而SAS、DisplayPort則為第二代，平均傳輸速率多為3G～5Gbit/s，此外，乙太網路速率則是在2004～2009年間有十倍的大躍進。

圖2　2000～2011年各式傳輸介面傳輸速率發展

在高速串列產品設計上，傳輸速率可達6Gbit/s已為基本要求，另須具備隨插即用(Plug-and-play)功能，更重要的是研發人員須了解各個高速串列介面的標準規範，而量測儀器廠商除了解各式標準規範內容，須將測試流程寫為自動化測試軟體，才可提供產品製造商所需的測試儀器，並進一步節省測試時間。  

針對未來高速串列的發展趨勢，太克科技業務部協理丁偉凱(圖1右)則補充，除了速度的提升外，高速串列介面產品相容性與隨插即用特性也是高速串列介面發展的重點，因而成為產品開發上的設計挑戰，包括相容性測試、10億位元等級的傳輸速率對效能的要求、更快的除錯與快速解決測試錯誤問題等，而儀器商一向被賦予引領技術的角色，因此除協助廠商在產品研發第一階段有正確的方向可依循外，也須提供具備高效能、正確偵測訊號錯誤與快速除錯等能力的儀表，加快廠商產品測試時間，並為其節省更多成本。  

混合式儀表解決數位世界測試難題  

除了高速串列訊號因數位世界而大放異彩外，無線通訊則因數位訊號處理器(DSP)與現場可編程閘陣列(FPGA)技術的進步而得以大力推廣，但無線通訊技術也須倚靠超速傳輸介面傳輸各種資料，另外，由於涉及各式技術標準協會制定的規範、無線通訊技術頻譜的重疊及有線無線通訊互相跨用的問題，因此量測時必須兼備時域與頻域的訊號測試，並符合標準規範的要求。  

有關視訊傳輸應用，丁偉凱表示，有鑑於視訊內容朝高畫質與隨處皆可收看方向演進，因此帶動新式影像壓縮技術如MEPG-4、H.264的發展，為量測工作帶來的新挑戰包括訊號完整性與雜訊抑制、訊號除錯等。而嵌入式系統已與個人電腦(PC)高度整合，其所需的各式傳輸介面也被要求須具高傳輸速率特色，而終端產品包含數位與類比等混合訊號的出現，也為量測儀器帶來新的挑戰。  

Valentine舉例，一台可攜式導航裝置與一台多功能影印機的系統架構類似，但由於影印機包含高低速傳輸介面元件，因此測試工作較僅有低速傳輸介面元件的導航機複雜，面對混合訊號的測試，儀器廠商須將測試工作標準化並提供各式儀表，再由具有測試技術的專業人員解決客戶的測試難題，然而在混合訊號的測試上，過去須由多台不同性質的儀器組成龐大且占空間的測試系統，現在僅需要具備測試混合訊號能力的儀器即可解決，除了毋須再架構龐大的測試系統外，也可以更節省工程師工作空間。  

電子負載技術多樣化發展  

一般而言，產品好壞除了與電路設計相關，輸出端也占有重要角色，因此相關的電子負載技術日益重要，同時也是電源測試的重要部分。電子負載的原理主要是以定電流(CC)模式為基礎，利用電流回授控制電晶體阻抗達到控制目的，除了定電流模式外，市面上常看到的電子負載技術還包含定電壓(CV)、定阻抗(CR)、定功率(CP)等模式。  

常用的四項電子負載種類分別為多通道模組式的電子負載、應用於電動車的大功率型電子負載、提供給中央處理器(CPU)電源測試的高電流爬升率電子負載，以及交直流電子負載用以測試不斷電系統或太陽能逆變器。  

圖3　致茂電子產品企劃協理周晏加表示，雙通道LED電源模擬負載產品可根據使用者設定LED操作點電壓、操作點電流及操作點阻抗模擬LED特性

致茂電子產品企劃協理周晏加(圖3)指出，由於開機時的電子負載與電容的充電波形和電源的輸出電壓上升速度、特性有關且無法事先得知，因此，電子負載的定電流、定阻抗、定電壓、定功率模式都無法進行此類拉載，而致茂電子運用定阻抗模式拉載方式克服此技術挑戰，以定阻抗模式(CZ Mode)讓使用者可設定零件值，直接模擬開機電容性負載。也就是將此類負載特性以差分方程式描述，再利用高速取樣及數位訊號處理器(DSP)高速運算機制即時算出下一點電流，加上負載高頻動態特性達成測試目標，而此運用DSP即時運算所拉載的波形則和實際電流非常類似。  

此外，整流性負載測試也為DSP即時運算與非線性負載模擬的重要項目，該測試通常應用於獨立型太陽能逆變器輸出，使用者設定拉載交流電(AC)電流的RMS值及功率因素(PF)/波峰因素(CF)值，以設定出拉載的電流大小及波形。不過，此測試在定電流模式下可能經拉載後輸出端出現阻抗，導致電壓失真，功率因素值不準，也因此，可用動態相位調整的方式修正功率因素值。周晏加解釋，同樣由於電壓、電流波形無法先得知，須把此類非線性負載特性以整流性負載差分方程式描述，藉由高速取樣和DSP高速運算機制，另加上負載高頻寬特性，才可完成整流性負載模擬測試。  

周晏加也提到，一般電子負載還是有其限制，由於電流命令(I_ref)的產生仍採用傳統類比方式，因此電流波形單調，若電流波形須要隨電壓變化做即時變更時，反應速度顯得不夠快速。而運算能力不足時，也無法進行非線性負載的即時電流波形模擬，此外，受限於頻寬，主動式控制方式仍無法百分百模擬被動式零件的電流模式，這些都是電子負載技術有待改善之處。  

LED模擬負載首重LED特性  

LED是非線性的元件，具有順向偏壓(VF)、操作電阻抗(Rd)，電流較小等特性，其亮度由功率決定，而這些特性與LED模擬負載測試息息相關。周晏加指出，測試LED電源不用LED當負載來測試，主因在於LED的特性會隨時間及溫度改變，相同燈具也有特性差異，因此測試無法得到一致結果。再者，LED驅動電源的規格會有一適用的電壓範圍，測試時須串聯不同數量的LED會相當不方便。  

此外，不同款的LED順向偏壓與操作點阻抗皆不盡相同，使用者須準備各種不同的LED，才能確保LED驅動器都能運作。而就測試過程中，若串接的LED Bar有一顆LED損壞，往往無法馬上察覺，造成錯誤測試數據。因此需要有供測試使用的儀器等級標準負載才能解決上述問題。  

而在設定定功率或定阻抗模式時，也只能測試穩態操作點，無法驗證是否能正確開關機的動態過程，也無法模擬不同特性LED的順向偏壓與操作點阻抗及其漣波電流狀況。一般電子負載內部阻抗效應可能導致LED驅動器開機時電壓電流過衝、過衝開機失效。而一般電子負載反應速度太慢時，無法進行LED驅動器的脈衝寬度調變(PWM)調光測試(Dimming)，此刻則希望LED模擬負載增加頻寬，以改善反應速度。  

周晏加強調，過去以主動定電流模式為主的電子負載無法模擬LED V-I特性曲線之非線性現象，需要專門設計的LED模擬負載，定義新拉載模式才能符合測試需求。  

電子負載是測試電能輸出類產品的重要技術，特別是在節能議題下各界對電源效率測試、LED電源、太陽能逆變器、電動車電池測試需求增溫，更突顯電子負載模擬測試的重要性。周晏加表示，雖然電子負載主要線路架構類似，但若能結合DSP高速即時運算的應用則可提升其性能，運用到更多測試場合，甚至包括非線性的負載模擬。  

頻寬/取樣率/記憶體　為選擇DSO主要考量  

圖4　固緯電子副總經理黃建銘指出，數位儲存示波器可將波形資料或示波器設定儲存於SD卡或Flash，並且透過電腦介面傳輸或進一步分析

隨著近幾年3C發展迅速，量測技術也與時俱進，而30年前開始有第一代數位儲存示波器(DSO)出現，更不同於以往的類比示波器，數位儲存示波器可把波形變成數位資料，不但方便儲存，更可與電腦連接且傳輸資料時能做更多應用，也因此漸漸成為示波器主流。  

數位儲存示波器具有三項重要規格，分別為頻寬、取樣率與記憶體深度。固緯電子副總經理黃建銘(圖4)指出，就頻寬而言，一部示波器應使用其最高頻率的三倍頻寬才會得到最準確的波形，然而，太高頻寬的示波器價格不菲，因此，如何在追求量測高科技的同時，也能兼顧平民化的價格就成為業者關注焦點。  

就取樣率來說，把類比的波形變成數位資料，須經過類比轉換成數位的取樣過程再進行重組，如為了達到於20奈秒時間內取得一定程度的取樣，則需要50MHz的類比數位轉換器(ADC)，取樣率越快表示取樣點越多，波形重現就會更加準確，但黃建銘強調，取樣率須為待測訊號的兩倍才能避免假象，然而，通常價格較高的類比數位轉換器，才能提供較快的取樣速率，以符合即時取樣所需。黃建銘建議，若待測訊號是重複出現的訊號，可選 擇使用等效取樣(Equivalent Time Sampling)，由於此類取樣訊號不是於一個循環取樣完畢，取樣率不要求快速，可經過好幾個循環再將取樣點進行重組。  

另一個與數位儲存示波器息息相關的便是記憶體深度。取樣點會儲存於記憶體中，記憶體越大儲存量就越多，若數位儲存示波器處理大量的資料，會使處理速度變慢，低速時，由於取樣間距較長，只可擷取較少的取樣點；高速時，取樣間距較短，擷取的取樣點較多，由此可看出，如果取樣率很快，但是記憶體不夠儲存，仍必須捨棄部分資料訊息，同樣會回到低速的取樣速率，也因此，取樣率與記憶體深度密不可分，這也意味著選擇數位儲存示波器時須同時考量有效的記憶體為多少，以及該儀器是否具有短時間處理波形資料的能力。  

通常示波器擷取到的訊號須仰賴中央處理器(CPU)處理，當須要處理大量資料時，整體中央處理器速度會變慢，造成波形更新率也變慢。為了有效解決此問題，黃建銘指出，可將波形的影像處理器分割出來，外掛記憶體以儲存資料，如此可讓中央處理器單純的進行系統控制工作，不僅有效處理大量資訊並且兼具效能。  

無線通訊成頻譜分析儀普及推手  

無線通訊技術不斷推陳出新，如全球微波存取互通介面(WiMAX)發展即提升了頻譜分析儀在量測儀器上的重要性。在頻譜分析儀架構中，訊號先由可編程衰減器(Programmable Attenuator)處理，經過葉片頻率(BPF)濾波，藉由Tunable LOs將訊號變成中頻訊號處理，再進入解析頻寬濾波器(RBW Filter)。其中，本地振盪器(Local Oscillator)為一大關鍵技術，攸關頻譜分析儀本身的穩定度及解析度，如何讓振盪器穩定則涉及鎖相迴路(PLL)技術。  

此外，黃建銘也提到，壓控振盪器(VCO)的頻率是由直流電(DC)頻率控制，如何把振盪器鎖住不會漂移，通常需要有標準的振盪器，但若把直接數位合成(DDS)概念當成壓控振盪器的訊號，就可讓振盪器較為穩定。 另一方面，在頻譜分析儀數位中頻(Intwemediate Frequency)部分，若解析頻寬較寬時會拖慢轉換速度，此刻須 用數位訊號處理方式，訊號進入類比數 位轉換器，分成I、Q兩個訊號(IQ Decompose)，再去計算向量，就可得到ＲBＷ的值，此種方法可讓訊號處理速度變快。  

而當解析頻寬窄時，就要由傅立葉轉換(FFT)的模式處理。此外，為了因應通訊需求，黃建銘指出，現階段頻譜分析儀已納入部分測試的功能，如包含鄰近通道功率比例(ACPR)、占用頻寬(OCBW)、頻譜分析、頻譜顯示等測試應用。  

黃建銘認為，頻譜分析儀掃描速度越來越快為一大趨勢，因此，量測儀器應進一步與網路連結，加強運算功能並強化各種外部介面的連結。他也提到，台灣量測產業更應該朝研發、創新政策發展，加強品牌競爭力，以增強與中國大陸或外商爭奪市場的能力。