一般的基础电量仪器，不外乎数字电表(DMM)、Power Supply、Scope、Signal Generator、Counter、Spectrum Analyzer等几项。当然也许还有其他种不同功能的特殊电子仪表，但也都跑不了是这些基本电子仪表的组合。例如：以测试无线电的综合测试仪来说，它就是一个发射机与接收机的组合，也就是一个「信号产生器」(可以加入载波与调变波)与一个「接收仪器」(有解调器与音频失真量测仪等)的组合。TDR(Time Domain Reflectometry)时域反射器(量测阻抗变化的仪器)就是一台「步阶信号产生器」与「示波器」的组合。网络分析仪简单的说就是一台「信号产生器」与「频谱分析仪」的组合。这些看起来复杂的仪器，其实拆开来也是由很简单的基础电子仪器所组合。

这些基础仪器如果你都能知道其原理，熟悉其优缺点与规格，并且正确使用的话，它们对你认识与使用一种新仪器来说并不是困难的事。以仪器的原理来说，使用一种仪器最好能先大概的了解其构造原理，当然你大可不必大费周章的去了解仪器的每一个组件的功能，但是最好你能了解到它们的方块构造。因为如果你们了解到它们的方块结构，当然你就能与它们的规格结合在一起，在量测使用时才不会使用不当并得到精准的量测数值。这些基础仪器准确度并不是非常的高，但是很普遍的应用基本仪器，如果你不了解它们的原理常常会使你误判量测的数值。

一般来说这些仪器在量测的读值显示方式，大致可分为二种：1.以数字读值来显示(把结果告诉你)，例如：数字电表(DMM)、失真分析仪(Distortion Analyzer)、功率表(Power meter)等。2.以屏幕画面显示(把过程告诉你)，例如：示波器(Oscilloscope)、频谱分析仪(Spectrum Analyzer)等。

这两种表示的方法各有其利与弊。举个例子来说：我们在分析一个电子信号的时候，你可以示波器去看它(Time Domain)，例如：它看起来是一个方波或正弦波，但是你看不出它们的组成(失真度)如何。再以频谱分析仪去看它(Frequency Domain)，则你可以看出它是由那一种sine成份所组成的。这二种仪器都是以屏幕画面显示全部信号的仪器，你可以看出信号的完全显示(当然还是有些地方它们无法观察到的缺点)。

但是第1种以数字读值来显示的仪器来说就比较麻烦判断了。例如：方波是由sine波的「基频＋3rd谐波＋5th谐波＋...」所组成的，以一台「音频失真分析仪」的量测原理来说【例如：(图一)说明量测Harmonic的过程，图一输入DUT的信号是一个很纯的sine波，经过一个DUT处理后，DUT的输出失真有多少?】，它在量测DUT输出失真时，失真分析仪是以一个滤波器(Notch Filter)滤去基频，然后再把后面产生的谐波成份都加起来得到一个Vrms值，然后再将Vrms值除以基频之大小，而得到THD＋N＝？%(THD＋N为Total Harmonic+Noise)。

《图一 Harmonic失真测量程序》

这个THD＋N量测值是一般测量音频信号的重要参数，其实它就是无线电收音机中常提到的SINAD值，只是SINAD值是以dB表示而已。当然以这种表示方法无法知道每一个单项谐波的失真是多少，只能知道全部的失真是多少。如果以一个频谱分析仪来分析的话，则你可以很清楚的知道每一个谐波的失真量是多少。

使用这种数字显示的量测仪器做量测时，要注意的地方很多。不要以为仪器有显示出一个或某些读值就表示它是对的，毫不考虑的相信这个值。当然如果是好一点的仪器在量测时，会出现一个怀疑的信号(例如出现一些警告信号)，就表示这个值可能不准确。所以应该要去了解量测仪器设计的原理，才可以自我判断那一种量测值是对的。

讲了半天也没有一些具体的印象，我们还是举个较浅显的例子来说明比较容易让人明白。例如：我们用一个Noise很低且Distortion很低的信号源，加入到二个差不多相同型式的分析仪器中去量测它的S/N比(信号噪声比)。其中一台一直显示出一个相同读值，例如42dB，而另一台则出现一个警告信息，说读值可能比42dB还大，如果你是一个量测人员，你要相信那一台仪器?量测步骤是：1.输入信号“S”到分析仪→2.把分析仪相对Reference dB功能打开→3.关掉输入信号源(不要隔离信号源与分析仪)量出“N”与“S”的比值，这时候的读值就是S/N值。这个值你要如何判断是否正确呢?

首先，你应该先判断你信号源的最低Noise与分析仪自身的Noise那一个规格比较好。如果信号源的噪声要比分析仪来得低的话，那有可能分析仪量到的Noise是来自分析仪本身的Noise，而不是被量测信号的Noise，所以有可能分析仪会一直显示一个相同的读值42dB，那么这个读值一定是不对。而另一台虽不能正确的量测出读值(可能这台分析仪的Noise level不够好，需要Noise更好更低的仪器)，但它至少没有误导你的量测。

基础仪器的概述

数字电表(DMM)

a.DMM种类：

DMM大致上分成二类，1.实验室型(例如：HP3458A、Fluke8505A)；2.掌上型(例如：Fluke 77、Tektronix TX3)。实验室型大体上较为精确，且体积较大。最好的准确度可能可以达到0.001%。而掌上型则以携带方便为主，当然不会非常的精确。掌上型DMM有些也会同时具有数字示波器的功能，例如：Fluke 97、Tektronix THS720A。除了以上不同外两者最大的不同在于，掌上型DMM因为可使用电池对于浮地(Floating Ground)有隔离功能，而实验室型则没有。浮地的隔离功能可以避免触电的危险。

以电表或电表校正器校正程序来说：大家都是以8H位校正7H位，7H位校正6H...。都比下一级待校件准确十位数。而慢慢的把追溯传递下来，但是不确定度也就渐渐的变大。DMM在量测Vdc的电压是没有很大的问题，但是把Vdc电压加上频率变化以后，变成一个有频率的电子信号时，就是个头痛的问题了。以DMM来说：1个8H位Vdc准确度的复用电表来说，它可能在量Vac信号时只有6H位的准确度。而且Vac信号的带宽限制在10kHz以内，大于10kHz的Vac信号就没辄了，如果信号有失真就更不准确了。

在使用DMM时要注意的问题很多，以一台实验室型DMM来说，因为它有高准确度，为了要避免CMRR信号的干扰，所以多了“Guard”与“Sense”的输入端。所以你如果要有精确的量测，你要注意DMM的接地问题。另一个必须知道的常识是，利用DMM电阻档量测低电阻(小于100kΩ)时应该使用4线式的量测法。

b.DMM的准确度与规格：

现在一般DMM者都以4位半(4H)，或几位半表示。例如3H位，这表示这个DMM有4个固定的显示数字，而最大的那个位数只能表示0与1，后面3位可以表示0~9位数。此DMM最大的数目为1999。在DMM的规格里面，你常常会看到表示的方式为：

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)

这些表示法中5 count或digit或0.05% of full scale，其实就表示这些DMM的分辨率，也支配了这些DMM的准确与否。举个简单一点的例子来说，1个3H位的DMM，它的规格是1% of reading±1 digit，如果我们用它的2 Volt档位去量测1.5 Volt的电压则它的准确范围应该为：

1%×1.5v=15mV，而1 digit(count)=1mV(DMM的最小单位分辨率)

准确度为±15m±1mV=±16mV

这里还看不出1mV对规格的重要性，如果现在我们输出电压改成0.2V(200mV)，则1%×200mV=2mV，而分辨率为 1mV，则1mV对2mV来说变化就很大了。所以在量测小信号时，你更应该要把分辨率放得更好，才能达到正确的量测。例如我们可以把200mV放在更小一个档位，199.9 full scale则分辨率变好，误差也不会变大。一般Display为数字式的仪器，你就应该要注意这种情形的发生。

示波器

数字示波器已渐渐取代模拟示波器，而且带宽已经可以到达3GHz，取样率已可高达10Gs/s。因为示波器要讲详细的地方实在太多了，在此我们略微提数字示波器的规格与使用。

示波器的应用：

示波器的应用很广，只是以前它被用于维修与除错的机会较多。但现在技术已愈来愈进步，示波器除了维修与除错外，它还可以用于：1.侦测通讯信号的质量；2.CPU Clock的Jitter量测，例如：Rambus的Clock量测；3.IC Setup、Hold Time的量测；4.QAM通讯信号的量测；5.统计功能等。

数字示波器的规格：

影响示波器准确度的因素有：1.水平准确度；2.垂直准确度；3.还有带宽的问题。现在数字示波器中常看到的规格有：

a.DC Gain Accuracy(此为”相对准确度”)：表示为示波器在屏幕上量测两个电位差的准确度。例如Peak to peak值，一般厂商的标示会如此，例如：±1%，表示所有的情形下误差都会≦±1%。有的则表示为±1.25% of full scale，这种表示法是说：示波器在屏幕上的full scale=8div → 8div×1.25%=0.1div 。它的误差在4div时为±2.5%。如果档位在1V/div时有±100mV之误差，请小心判别。

b.DC Voltage Accuracy(此为“绝对准确度”)：因为数字示波器是由A/D转换器所构成的，准确度会与A/D转换器有关系，而A/D转换器又会与输入示波器的信号频率有关系，与Offset与Position也有很大的关系，所以不得不标出这个规格。这个规格的算法很复杂，有机会我们再说明。但是由于有Offset与Position的功能，所以可以让数字示波器以5mV/div的档位量测到1Vdc以上的电压(旧式的类此示波器5mV/div的档位只能量测40mV=5mV/div(8div)。

c.Vertical Resolution 8bits：这表示数字示波器在垂直方面的分辨率为256个level(8bits)，如果你设定的档位为1V/div，则因为每一个div=25DL，则每个DL=40mV。一般厂商都会标示它的数字示波器为8 bits的分辨率，但是事实上是不是在每一种频率输入示波器时，示波器的A/D都会8 bits的分辨率呢？真正的分辨率bits应该以Effective bits表示才对？如果有机会我们再做说明。

d.Bandwidth：Bandwidth的定义为，加入一个标准大小的电压(例如100mV)，当输入电压之频率一直增加，而示波器显示之电压为输入电压之0.7倍时(-0.3dB)的频率，即是该示波器之带宽。数字示波器的Bandwidth有好几种：Analog Bandwidth、Useful Bandwidth、Realtime Bandwidth等。但是一般数字示波器标示的带宽是指输入电路的Analog Bandwidth，即是信号经过衰减器，前级放大器等电路的带宽。所以标示的带宽值与数字示波器的采样率是没有关系的。有时你可以看到有的示波器标示取样率为200Ms/s，但它的带宽可以为300MHz或更高。

示波器中带宽的规格很重要，但一般人在校正示波器时，却常常忽略了这一项校验。忽略这项校验有甚么不好呢？示波器因为无法标出它在那一个带宽量测该频率AC信号有多准确，所以示波器的规格，常常只会标示出它量DC时有多准确，然后再标示出它的频率能量到多宽。所以依上面所叙述带宽的定义来说，100mV的电压以100MHz的示波器来量测时，如果输入频率为100MHz,100mV，你可能看到的信号是70mV,100MHz，它的误差是30%。我们现在不管示波器那一个厂牌比较准确，既然示波器的误差这么大，要如何用呢？原则是如果你要量测的准确度为＜1%，则要比量测信号频率大10倍的带宽，＜2%则要大5倍，＜3%则要大3倍。

e.Acquisition Rate：数字示波器的采样率当然是愈快愈好。但示波器如果只一味的标示采样率很快，但其他的功能不能与它配合的话(例如：内存的速度、VGA Monitor的显示能力、信号的处理能力等)示波器还是无法把信号完全忠实的显示出来。

信号产生器

信号产生器依频段分类大致可分：1.音频产生器(Audio Generator)(约20Hz→160kHz)；2.函数波产生器(Function Generator)(约0.001Hz→十几MHz或几十MHz)；3.射频产生器(当然它也包含了音频之范围，可以大到1GHz(微波)以上之频率)

以上的信号产生器大都是传统模拟式sine输出的仪器。现在的信号产生器在数字的架构下，已能任意的依用户的需要组成所需要的仿真信号了，它就是我们所通称的“任意波产生器”(Arbitrary Waveform Generator)。它的原理刚好与数字示波器相反，数字示波器是将模拟信号取样后，以数字形式表示出来。任意波产生器则是将你编辑的数字函数转变成模拟信号输出。AWG的输出频率并不是非常的高，约在30MHz左右，BW会与它的Clock与Memory 有关。

一般音频信号都是用150Ω，600Ω的阻抗，而RF信号则为50Ω的系统。音频信号常用的是sine波来量测失真的情形，所以它的sine波失真会很小，约为0.01%左右。而函数波产生器(Function Generator)是从产生一个三角波后再经过一些电阻与二极管之电路，整形出sine波或方波。所以它的失真会比较大，约为1%→2%之间。

另外一种叫作Frequency Synthesizers的产生器，因为它们是直接用Quartz crystal oscillator的电路，它的失真度约为0.1%→1%左右。这种Synthesizers的产生器与射频产生器都能产生高频的信号，但是主要差别在于Synthesizers的产生器为不连续的产生器，且频率较准确。

计频器

一般人以为计频器只能计算信号频率，但是事实上计频器不只是有计频的功能。它还可以计算两个输入信号的时间差(Time ARB)，两个输入信号的比值(Ratio A/B)，计算信号的Pulse Width，Periods。

计数器的准确与否会与固有误差(Inherent Errors)和讯号相关误差(Signal-related Errors)有关。讯号相对误差的来源可能来自于噪声等问题。触发的问题也是原因之一，这些噪声、磁滞、触发问题，都可以控制消除，但是固有误差却是无法以人为来消除。这些误差来源有短期稳定度(Short-term)、长期稳定度(Aging rate)、温度变化稳定度等。

因为计频器的准确与否会和使用的时基(Time Base)有很大的关系，一般XTAL、TCXO等时基老化率约为10-7。而用oven则为10E-9，而铷、铯则可以高达10-10以上甚至到达10-12。在计频率的规格上一定会标示出Time Base的漂移率(Aging)多大等规格。而这些标准的建立，台湾大都追溯电信研究所(TL)校正，以便将标准的时基校正准确，经过几次校正后(中间不能让你的标准件中断使用)将几次的漂移量计算出来，才可以看出这些物质的漂移量(Aging Rate)。如果你用的是铯原子钟，则你可能几年以后就得更换铯的管子，花费不能不算便宜。一般考虑经济的问题大都会求其次用铷，或Oven振荡器就好了。

电源供应器(Power Supply)

电源供应器，大概每个实验室都有，校正时所要求之误差可能也较大。有时可能你不需要校正它，但是至少你要验证一下它的电压误差多大？供应之电源有多大？加入负载时变化如何？购买Power Supply时应注意其最大输出功率，最大输出电压电流，另一样要注意的是它的输出涟波。

频谱分析仪

一般会用到频谱仪的情形都是在频率比较高的量测时(当然也有低频的频谱仪)。因为频谱分析仪比较不会受到高频准确度问题的影响，而它又能把示波器(Time domain时域)无法看到信号失真多少的问题决解，所以你会使用频谱仪来观察一个信号的失真有多大。一般做在信号产生器校正时，高频的平坦度(Flatness)都会用到它来看信号的失真有多少。

频谱分析仪可分类成二类：(超外差频谱分析仪(Sweep Spectrum Analyzer)和(实时频谱分析仪(Real time Spectrum Analyzer)。一般频谱分析仪都是指现在使用的超外差频谱分析仪(Sweep Spectrum Analyzer)，它的优点是准确度高，灵敏度低很好，成本低。缺点也就是因为成本低，所以只用了几个RBW filter(例如：1MHz，300kHz，100kHz，30kHz，10kHz，3kHz，1kHz共7个就够了)，因为Filter只能使用1个，以致于必须依Span的大小决定其少扫瞄速度，变得filter必须与Sweep配合，使得频谱分析仪扫瞄变得比较慢，所以它不是实时的。

实时频谱分析仪(Real time Spectrum Analyzer)所使用的Filter就很多，可能高达1024个。这些Filter是并行为的，所以能很快的滤出信号，称为实时频谱分析仪。这种实时频谱分析仪的Filter通常都是利用FFT(Fast Fourier Transform) 的数字滤波器。虽然它是实时但是使用时也要注意它的缺点，例如：Window的使用、Memory的长短等。

频谱分析仪的应用：

以前频谱分析仪常被应用于：1.AM,FM的量测；2.Harmonic失真量测；3.雷达波的量测；4.EMC测试。如果频谱分析仪能配合一些信号源就能有很多的应用，例如：配合一台信号源(Tracking Generator)就可以量测Component的特性，例如：Filter、AMP、天线等。当然如果这频谱分析仪能量测相位(Phase)的话，也就是所谓的「网络分析仪」(Network Analyzer)，大家都知道网络分析仪可以量测出组件阻抗的Smith Chart。

另外一个现在比较让人注意的量测是大哥大的量测(GSM,EDGE,CDMA2000,WCDMA等的量测)，大体上说单单用Sweep频谱分析仪只能量测出数字调变载波信号(Carrier)的大小而已。如果你的频谱分析仪能力有Real Time的功能且能量测相位(Phase)的话，就能量测数字通讯信号的EVM、Eye Pattern、Hopping、Adjacent Channel Power、Constellation、Occupied BW。

频谱分析仪的频率规格：

Center Frequency Accuracy：这个规格准确度会与频谱分析仪所处在的模式有关(Unlock、Lock Mode)，也会与Span/div有关。

Drift：这个规格是说明频谱分析仪把信号抓住在屏幕时，这个信号的飘移程度，当然这个规格也会与Unlock或Lock Mode有关。一般来说，如果Drift很大，可能使信号飘出屏幕，那么这仪器一定是不好的或是损坏了。这是一个所谓的长时间稳定度(Long-term Stability)，这个规格会与使用的参考振荡器有关系。

Residual FM：这个规格是说明频谱分析仪的短时间稳定度(Short-term Stability)。

Frequency Response：这个规格是说明频谱分析仪在它的带宽范围内的频率响应为距离两个最大偏差点的中点不会超过±1.0dB。

频谱分析仪的振幅规格：

Accuracy：一般来说厂商都不会标示出来，因为它会与好多因素有关，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)：这个规格是说明频谱分析仪在它的输入信号超过时会产生谐波与不正常的Gain值。因为如果输入信号大小超过频谱分析仪1st LO Mixer的线性范围，2nd Harmonic 会比基频成2倍变大，3rd Harmonic会比基频成3倍变大，这样会影响到频谱分析仪Dynamic Range。

Sensitivity(灵敏度,100dB以上)：这个规格是说明频谱分析仪在它能侦测的最输入信号，通常这个规格会出现在频谱分析仪的最小RBW时，要注意不要搞混了。

结论

系统量测仪表是由一些基础量测仪表所组合，如果能对基础量测仪表的量测原理，规格能够确实了解，并能知道它们的优缺点正确的应用的话，应该对你的量测准确与否会有很大的改善。能否正确的使用仪器是在购买仪器时，就应该要求厂商给予正确且详细的介绍仪器的功能，并于购买后能将正确的使用方法传递到下一位用户的手上。(有的仪器在购买者手上时都会正确使用，该人员离职后就不会使用了)。错误的使用，可能比不知道更惨。

再来的问题是有些用户在使用仪器时，不去了解仪器的规格，而只知一味的去作量测，不知对自己量测出来之数据详加判定其对与错，而判定有显示出读值的仪器就是对的，那就大错特错了。最后要说的是，仪器在购买以后都要经过校正检验，才能再行使用(不管是新购买与否)，因为新的仪器，也有可能一出厂它就是坏的。校正完后再进行量测，才会得到正确的量测结果。(本文作者现任职太克科技)