112 高普考普通考試 電子工程 電子儀表概要 考古題詳解

核心觀念

本題比較傳統類比式三用電表與數位式電壓表（DVM）測量直流電壓時的特性，重點在於輸入電阻、對被測電路的負載效應、讀值方式，以及精度與使用便利性。

類比式電表的電壓檔通常以表頭串聯倍率電阻構成。其輸入電阻會隨所選量程改變，常以靈敏度表示：

其中 $S$ 為每伏特靈敏度，單位通常為 $\Omega/\mathrm{V}$。數位式電壓表則以高輸入阻抗的電子電路量測電壓，常見輸入電阻約為 $10\,\mathrm{M\Omega}$，且通常不隨量程大幅變動。

解題方法

比較時可從「電表接上電路後會不會改變待測電壓」切入。電表並聯於待測點，輸入電阻越大，從待測電路取走的電流越小，對原電路的影響越小。因此，數位式電壓表通常具有較小的負載效應。

接著比較讀值與使用特性：類比表須由指針刻度讀值，數位表直接顯示數字；類比表可觀察指針連續變化，數位表則便於精確讀取與記錄。最後補充兩者各自的限制與適用情境。

優缺點比較

核心觀念

萬用計數器以計數閘門內的脈波數，或以參考時基量測週期，再換算出頻率、週期、時間間隔等量。題目所問的「誤差」是指哪些因素會讓顯示值偏離被測量的真值，並降低測量準確度。

以直接測頻為例，若閘門時間為 $T_g$，閘門內計得 $N$ 個被測訊號週期，則

量測誤差主要來自計數量化、時基、觸發與訊號本身；實際量測時，這些誤差會共同影響結果。

解題方法：依誤差來源分類

1. 計數量化誤差（±1 count） 閘門開啟與關閉時刻通常不會剛好落在被測訊號的完整週期邊界，因此計數可能多一個或少一個脈波。直接測頻的相對量化誤差約為

增加閘門時間可增加計數值 $N$，因而降低這項相對誤差。

2. 時基誤差 計數器的時間基準通常由石英振盪器等時基提供。時基的頻率偏差、老化、溫度變化、電源變化及校準不良，都會使閘門時間不準，造成測得頻率或時間間隔偏差。時基規格常以頻率穩定度或相對誤差表示。

3. 觸發誤差與觸發抖動 計數器依輸入訊號跨越觸發電位的時刻開始或停止計數。若訊號雜訊大、振幅不足、邊緣太緩，或觸發電位設定不當，觸發時刻會不穩定；觸發抖動會使週期、時間間隔等讀值波動。

核心觀念

直流電源供應器的 GND（Ground，接地）端子，用來提供電路的參考電位或接地連接點。設定電源時，需分清 **電源負端（−）**與 GND 端子：兩者在某些電源供應器中可透過接地端子或接地連片相連，也可能彼此隔離；不能一概視為同一端。

題目中的「麵形電路」應為「面包板電路」。面包板上的電源軌通常用來分配正、負電源，但電源軌的紅、藍標示只是接線提示，仍須依實際接線確認極性與連通情形。

解題方法與操作設定

依序確認電源輸出、接地方式、極性及負載需求，再接線並啟用輸出：

1. 確認電源與電路規格 先由電路圖或元件資料確認所需直流電壓、極性，以及負載可能消耗的電流。檢查電源供應器輸出端與面包板電源軌，確認沒有短路，也不要超過元件或電源的額定值。

2. 設定電源輸出 關閉輸出（Output Off）後，設定所需的電壓值；將電流限制（Current Limit）設為足以供應電路、且不超過電路可承受範圍的值。電流限制是過電流保護設定，不代表電源會強迫電路流過該電流；正常工作時，負載依自身特性取用電流。

3. 決定 GND 的連接方式 若電路需要以大地作為參考，依電源供應器設計，將 GND 端子接到電路的共地點，並確認電源負端是否已與 GND 相連。

核心觀念

示波器量到的是「輸入脈波經過探棒、連接線與示波器頻寬限制後」的波形，因此畫面上的上升時間通常比訊號本身的上升時間長。要量得真正的上升時間，須先確保量測系統頻寬足夠，再扣除量測系統本身的上升時間影響。

脈波的上升時間通常定義為波形由穩態低電位的 $10\%$ 上升至穩態高電位的 $90\%$ 所需時間：

脈波寬度通常以波形上升沿與下降沿各自通過振幅 $50\%$ 的兩個時刻之差表示：

若訊號、探棒及示波器的響應可視為高斯響應，且各項上升時間已知，量測關係為：

因此訊號真正的上升時間為：

示波器的上升時間可由其頻寬估算：

其中 $B_{\text{scope}}$ 以 Hz 為單位。探棒的頻寬也須一併考量；若探棒廠商提供上升時間規格，直接使用該規格進行校正。

解題方法與操作步驟

一、準備量測系統

1. 選擇合適的探棒與頻寬：示波器與探棒的頻寬須足以量測待測脈波。待測上升時間愈短，所需頻寬愈高；若頻寬不足，波形邊緣會被拉長，測得的上升時間偏大。
2. 補償探棒：依探棒與示波器的規格進行補償，使方波邊緣不因探棒補償不當而產生過度圓滑或過衝。
3. 確認探棒衰減倍率：例如使用 $10\times$ 探棒時，示波器通道的探棒倍率也設定為 $10\times$，使垂直刻度與振幅讀值正確。
4. 降低負載效應：使用適合的探棒接地方式，並縮短接地線，避免探棒電容與接地線造成波形失真。

二、設定示波器

1. 設定垂直刻度：調整 $V/\text{div}$，讓脈波的低電位與高電位都清楚顯示，且垂直範圍不會截斷波形。若使用自動量測，須確認示波器能正確辨識基準電位與頂端電位。
2. 設定耦合方式：一般脈波量測採用直流耦合，以保留實際基準電位；交流耦合可能改變低頻成分及基準位置。
3. 設定觸發：選擇待測通道作為觸發源，以邊緣觸發鎖定脈波上升沿，調整觸發電位，使波形穩定顯示。
4. 設定水平時基與取樣率：先選合適的 $\text{s/div}$，讓脈波及其邊緣占用足夠的螢幕範圍；同時確認取樣率足以解析快速邊緣。時基太慢或取樣點太少，會使讀值不準。
5. 確認頻寬限制設定：量測快速上升沿時，關閉會降低頻寬的頻寬限制功能。若示波器開啟了頻寬限制，量測上升時間會偏長。

三、量測上升時間並校正