หน้าแรก
คลังความรู้
แล็บ FG + สโคป
เครื่องกำเนิดสัญญาณ

// บทที่ 12.2 · แล็บ FG + สโคป · Function Generator

เครื่องกำเนิดสัญญาณ (Function Generator): ปุ่ม เอาต์พุต 50 Ω มอดูเลชัน และ DDS

Q: ทำไมตั้งเครื่องกำเนิดสัญญาณ 1 Vpp แต่สโคปวัดได้ 2 Vpp?

เพราะตั้ง Load ในเครื่องไว้ที่ 50 Ω แต่ต่อเข้าสโคปที่มีอินพุต 1 MΩ เครื่องคิดว่าจะมีโหลด 50 Ω มาแบ่งแรงดันครึ่งหนึ่ง จึงสร้าง emf ภายในเป็นสองเท่า เมื่อไม่มีโหลดมาแบ่ง สโคปจึงเห็นสองเท่า แก้โดยตั้ง Load เป็น High-Z หรือต่อเทอร์มิเนเตอร์ 50 Ω ที่ปลายสาย

Q: High-Z หมายถึงอะไร?

High-Z (high impedance) คือการบอกเครื่องว่าโหลดมีความต้านทานสูงมากเมื่อเทียบกับ 50 Ω เช่น อินพุตสโคป 1 MΩ หรืออินพุตออปแอมป์ เครื่องจะแสดงค่าเท่ากับแรงดันขณะเปิดวงจร ค่าที่ตั้งจึงตรงกับที่สโคปวัดได้

Q: ขั้ว SYNC ใช้ทำอะไร?

ขั้ว SYNC ให้พัลส์ลอจิกที่ตรงกับจุดเริ่มคาบ จุดเริ่มกวาด หรือจุดเริ่มเบิสต์ นำไปต่อเข้าขั้ว EXT TRIG ของสโคปเพื่อให้ภาพนิ่งแม้สัญญาณจะซับซ้อน เช่น AM หรือสัญญาณที่ผ่านวงจรที่มีนอยส์

Q: เครื่องกำเนิดสัญญาณจ่ายกระแสได้เท่าไร?

ไม่มาก เพราะมีความต้านทานขาออก 50 Ω ภายใน ที่ 20 Vpp ลัดวงจรได้กระแสยอดประมาณ 10/50 = 0.2 A และกำลังบนโหลด 50 Ω สูงสุดราว 0.25 W ถ้าต้องขับลำโพงหรือขดลวด ให้ต่อผ่านภาคขยายกำลัง

เครื่องกำเนิดสัญญาณคือแหล่งจ่ายแรงดันที่เราสั่งรูปร่างได้ ใช้ป้อนสัญญาณทดสอบเข้าวงจรเพื่อดูว่าวงจรตอบสนองอย่างไร หน้านี้อธิบายทุกปุ่มตั้งแต่ตั้งความถี่ไปจนถึงเรื่องที่คนงงมากที่สุด คือทำไมค่าบนจอสโคปไม่ตรงกับค่าที่ตั้ง แล้วต่อด้วยมอดูเลชัน กวาดความถี่ เบิสต์ และหลักการ DDS ที่อยู่ข้างในเครื่อง สูตรใช้รหัส V

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต 12 ต.ค. 2569

ทำไมค่าไม่ตรง (50 Ω) ปุ่มบนแผงหน้า AM FM PWM Sweep Burst DDS

สรุปใน 30 วินาที

ขาออกคือแหล่ง $e$ อนุกรมกับ 50 Ω แรงดันที่โหลดเห็น $= e\,R_L/(R_L + 50)$
Load = High-Z: ค่าที่ตั้งตรงกับที่สโคป 1 MΩ วัดได้ · Load = 50 Ω: ต้องมีโหลด 50 Ω จริง ไม่อย่างนั้นได้สองเท่า
|Offset| + Vpp/2 ต้องไม่เกิน 10 V (High-Z) หรือ 5 V (50 Ω)
ภาพไม่นิ่งเพราะสัญญาณซับซ้อน ให้ต่อ SYNC เข้า EXT TRIG ของสโคป

ระดับพื้นฐาน ม.ปลาย · ปวส. · ปี 1กลาง ป.ตรี วิศวกรรมขั้นสูง ป.โท · งานวิจัย

ปุ่มบนแผงหน้าเครื่อง พื้นฐาน

เครื่องทุกยี่ห้อ ทั้ง Rigol, Siglent, Keysight, GW Instek หรือ Tektronix ใช้ลำดับการตั้งค่าแบบเดียวกัน: เลือกรูปคลื่น เลือกพารามิเตอร์ที่จะแก้ ใส่ค่า แล้วกด OUTPUT ให้ขั้วจ่ายสัญญาณจริง หลายคนลืมขั้นสุดท้าย ไฟ OUTPUT ไม่ติดก็ไม่มีสัญญาณออก

แผงหน้าแบบทั่วไป: เลือกรูปคลื่น → เลือกพารามิเตอร์ → ใส่ค่าด้วยแป้นหรือปุ่มหมุน → กด OUTPUT ON

ปุ่ม / เมนู	หน้าที่	ข้อควรรู้
Sine, Square, Ramp, Pulse	เลือกรูปคลื่นหลัก	ความถี่สูงสุดของแต่ละรูปไม่เท่ากัน Ramp มักได้แค่ราว 1 MHz
Noise	สัญญาณสุ่มแบบเกาส์	ใช้ทดสอบความทนนอยส์ของวงจร หรือหาผลตอบสนองแบบสุ่ม
Arb	รูปคลื่นที่ผู้ใช้วาดหรือเลือกจากคลัง	ความถี่สูงสุดขึ้นกับจำนวนจุดและอัตรา DAC
Freq / Period	ความถี่หรือคาบ	ใส่อย่างใดอย่างหนึ่ง เครื่องคำนวณอีกค่าให้ W1
Ampl / High Level	แอมพลิจูดเป็น Vpp, Vrms หรือ dBm	หรือกำหนดเป็นระดับสูงต่ำโดยตรง เหมาะกับลอจิก
Offset / Low Level	ระดับ DC ที่บวกเข้าไป	มีขีดจำกัดร่วมกับแอมพลิจูด V5
Phase	เลื่อนเฟสเริ่มต้น	มีผลเมื่อเทียบกับ SYNC หรือกับอีกช่องของเครื่องสองช่อง
Duty / Symmetry / Width	ดิวตี้ของสี่เหลี่ยม สมมาตรของแรมป์ ความกว้างพัลส์	แรมป์สมมาตร 50 % คือสามเหลี่ยม 100 % คือฟันเลื่อยขาขึ้น
Lead / Trail Edge	เวลาขอบขึ้นลงของพัลส์	ทดสอบวงจรที่ไวต่อขอบช้า เช่น ลอจิก CMOS
Mod / Sweep / Burst	มอดูเลต กวาดความถี่ ปล่อยเป็นชุด	ดูหัวข้อด้านล่าง
Utility → Load	บอกเครื่องว่าโหลดเป็น 50 Ω หรือ High-Z	ต้นเหตุของค่าที่ไม่ตรงอันดับหนึ่ง V2
OUTPUT ON/OFF	ต่อหรือตัดรีเลย์ขาออก	ปิดก่อนต่อหรือถอดวงจรเสมอ
SYNC	พัลส์ลอจิกตรงกับคาบหรือจุดเริ่มกวาด	ต่อเข้า EXT TRIG ของสโคปเพื่อภาพนิ่ง

V6 Pulse width and ramp symmetry ความกว้างพัลส์และสมมาตรของแรมป์

W = D\,T, \qquad S = \frac{t_{rise}}{T}\times 100\%

$S = 50\%$ ได้สามเหลี่ยม $S = 100\%$ ได้ฟันเลื่อยขาขึ้น $S = 0\%$ ได้ฟันเลื่อยขาลง

V7 Edge time and bandwidth เวลาขอบกับแบนด์วิดท์

t_{r} \approx \frac{0.35}{f_{BW}}

ขอบ 8 ns ต้องใช้แบนด์วิดท์ราว 44 MHz เครื่อง 25 MHz จึงทำคลื่นสี่เหลี่ยมได้คมที่สุดราว 8–10 ns

ความต้านทานขาออก 50 Ω และการตั้ง Load พื้นฐาน

ภายในเครื่องมีตัวต้านทาน 50 Ω อนุกรมอยู่ที่ขั้วขาออกเสมอ เพื่อให้แมตช์กับสายโคแอกซ์ 50 Ω และกันขาออกเสียเมื่อลัดวงจร ผลคือแรงดันที่ขั้วขึ้นกับโหลด ถ้าโหลดเป็น 50 Ω พอดี แรงดันจะเหลือครึ่งหนึ่งของแรงดันภายใน เครื่องจึงต้องถามว่าเราจะต่อโหลดอะไร (Utility → Load) แล้วชดเชยให้ค่าบนจอตรงกับโหลดที่บอกไว้

ขาออกของเครื่องกำเนิดสัญญาณคือแหล่งแรงดัน

e

อนุกรมกับ 50 Ω แรงดันที่โหลดเห็นจึงขึ้นกับ

R_L

V1 Output model (Thévenin) แบบจำลองขาออก

v_{out} = e - R_s\,i, \qquad R_s = 50\ \Omega

V2 Internal emf from the setting แรงดันภายในจากค่าที่ตั้ง

e = k\,V_{set},\quad k = \begin{cases} 1 & \text{High-Z} \\ 2 & 50\ \Omega \end{cases}

V4 Voltage across any load แรงดันจริงบนโหลด

V_L = k\,V_{set}\,\frac{R_L}{R_L + 50}

ตั้ง 50 Ω + โหลด 50 Ω → ตรง · ตั้ง High-Z + โหลด 1 MΩ → ตรง · ตั้ง 50 Ω + โหลด 1 MΩ → เกือบ 2 เท่า · ตั้ง High-Z + โหลด 50 Ω → ครึ่งเดียว

V3 Measuring output resistance วัดความต้านทานขาออก

R_s = R_L\left(\frac{V_{open}}{V_L} - 1\right)

วัดแรงดันตอนเปิดวงจรและตอนต่อ $R_L$ ที่รู้ค่า ใช้ได้กับแหล่งจ่ายทุกชนิด ไม่เฉพาะเครื่องกำเนิดสัญญาณ

V5 Amplitude + offset limit ขีดจำกัดแอมพลิจูดรวมออฟเซต

|V_{DC}| + \tfrac12 V_{pp} \le V_{max}

เครื่องทั่วไป $V_{max} = 10$ V ในโหมด High-Z และ 5 V ในโหมด 50 Ω ถ้าเกิน เครื่องจะไม่ยอมรับค่าหรือลดค่าให้

ลองด้วยตัวเอง: สโคปจำลองนี้ต่อเครื่องกำเนิดสัญญาณ 2 Vpp เข้า CH1 เปลี่ยน Load ที่ตั้งในเครื่อง และเปลี่ยนโหลดจริงที่ต่อ แล้วดู Vpp ที่วัดได้

ตัวอย่าง V-1 · ลืมตั้ง Load

ตั้ง 1 Vpp โหมด High-Z แล้วต่อเข้าเครื่องขยาย RF ที่อินพุต 50 Ω แรงดันจริงเท่าไร

โหมด High-Z: $e = V_{set}$ V2
$e = 1\ \text{Vpp}$
แบ่งแรงดันกับ 50 Ω ภายใน V4
$V_L = 1 \times \frac{50}{50 + 50} = 0.5\ \text{Vpp}$

ได้แค่ 0.5 Vpp (ต่ำกว่าที่ตั้ง 6 dB) แก้โดยตั้ง Load = 50 Ω

ตัวอย่าง V-2 · โหลดค่ากลาง ๆ

ตั้ง 2 Vpp โหมด 50 Ω ขับวงจรที่มีอินพุต 1 kΩ ได้แรงดันจริงเท่าไร

$e = 2 \times 2 = 4$ Vpp V2
แบ่งแรงดัน V4
$V_L = 4 \times \frac{1000}{1050} = 3.81\ \text{Vpp}$

3.81 Vpp ไม่ใช่ 2 Vpp วงจรอินพุตความต้านทานต่ำ ควรวัดแรงดันที่ขาเข้าวงจรจริงด้วยสโคปเสมอ

ตัวอย่าง V-3 · วัดความต้านทานขาออก

เปิดวงจรวัดได้ 4.00 Vpp ต่อตัวต้านทาน 47 Ω แล้วเหลือ 1.94 Vpp หา $R_s$

แทนสูตร V3
$R_s = 47\left(\frac{4.00}{1.94} - 1\right) = 47 \times 1.062 = 49.9\ \Omega$

$R_s \approx 50\ \Omega$ ตรงตามสเปก ถ้าได้ค่าเพี้ยนมาก อาจเป็นเพราะเปิดโหมดเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ต่ำ หรือขาออกเสีย

ขั้ว SYNC และการทริกเกอร์สโคป พื้นฐาน

ขั้ว SYNC (บางรุ่นเรียก TTL Out หรือ Trig Out) ให้พัลส์ลอจิก 0/3.3 V หรือ 0/5 V ที่ขอบขึ้นตรงกับจุดเริ่มต้นของแต่ละคาบ ในโหมดมอดูเลชันจะตรงกับคลื่นมอดูเลต ในโหมดกวาดตรงกับจุดเริ่มกวาด และในโหมดเบิสต์ตรงกับจุดเริ่มแต่ละชุด เมื่อนำไปต่อเข้า EXT TRIG ของสโคป ภาพจะล็อกนิ่งเสมอ เพราะสโคปไม่ต้องเดาจากรูปสัญญาณเองอีกต่อไป วิธีนี้สำคัญมากเมื่อสัญญาณที่ปลายวงจรมีนอยส์หรือรูปร่างเปลี่ยนไปมา

ลองในแล็บจำลอง: AM ที่ทริกเกอร์จาก EXT ภาพนิ่ง ลองเปลี่ยนแหล่งทริกเกอร์เป็น CH1 แล้วดูว่าเปลือกเลื่อนไปมาอย่างไร

AM, FM และ PWM กลาง

มอดูเลชันคือการให้คลื่นช้า (คลื่นมอดูเลต ความถี่ $f_m$ ) ไปควบคุมพารามิเตอร์ตัวหนึ่งของคลื่นเร็ว (คลื่นพาหะ ความถี่ $f_c$ ) AM คุมแอมพลิจูด FM คุมความถี่ PWM คุมดิวตี้ เครื่องกำเนิดสัญญาณใช้จำลองสัญญาณวิทยุ ทดสอบวงจรดีมอดูเลเตอร์ หรือทดสอบตัวควบคุมมอเตอร์

V8 Amplitude modulation การมอดูเลตแอมพลิจูด

v(t) = A_c\left[1 + m\sin(2\pi f_m t)\right]\sin(2\pi f_c t)

V9 Modulation index from the scope ดัชนีมอดูเลชันจากจอ

m = \frac{V_{max} - V_{min}}{V_{max} + V_{min}}

$V_{max}, V_{min}$ คือยอดถึงยอดของเปลือกช่วงกว้างสุดและแคบสุด $m > 1$ คือมอดูเลตเกิน เปลือกพับ

V10 AM spectrum สเปกตรัมของ AM

f_c,\ f_c \pm f_m,\quad A_{SB} = \tfrac{m}{2}A_c,\quad B = 2f_m

V11 Frequency modulation, Carson's rule FM และกฎของคาร์สัน

f(t) = f_c + \Delta f\sin(2\pi f_m t),\quad \beta = \frac{\Delta f}{f_m}

B \approx 2(\Delta f + f_m)

V12 Pulse-width modulation การมอดูเลตความกว้างพัลส์

D(t) = D_0 + \Delta D\sin(2\pi f_m t)

ผ่านตัวกรองต่ำผ่านแล้วได้ $V_{avg}(t) = D(t)\,V_H$ กลับมาเป็นคลื่นมอดูเลต ดูงานประยุกต์

AM ที่

m = 0.5

: วัดยอดถึงยอดของเปลือกช่วงกว้างสุด

V_{max}

และช่วงแคบสุด

V_{min}

แล้วแทนสูตร V9

FM: แอมพลิจูดคงที่ แต่ระยะห่างของลูกคลื่นเปลี่ยนตามคลื่นมอดูเลต (เส้นสีฟ้าด้านล่าง)

ตัวอย่าง V-4 · วัด m จากจอ

เปลือก AM กว้างสุด 3.0 Vpp แคบสุด 1.0 Vpp หาดัชนีมอดูเลชันและขนาดแถบข้าง

V9
$m = \frac{3.0 - 1.0}{3.0 + 1.0} = 0.5$
พาหะมีค่ายอด $A_c = (3.0 + 1.0)/4 = 1.0$ V แถบข้างแต่ละข้าง V10
$A_{SB} = \frac{0.5}{2}\times 1.0 = 0.25\ \text{V} \Rightarrow 20\log_{10}0.25 = -12\ \text{dB ต่ำกว่าพาหะ}$

$m = 0.5$ (50 %) แถบข้างสูง 0.25 V ต่ำกว่าพาหะ 12 dB เปิด พรีเซต AM แล้วลอง FFT

กวาดความถี่ (Sweep) และเบิสต์ (Burst) กลาง

โหมด Sweep เปลี่ยนความถี่จาก $f_1$ ไป $f_2$ ในเวลา $T_s$ แล้ววนใหม่ ถ้าป้อนเข้าวงจรกรองและให้สโคปทริกเกอร์จาก SYNC จอจะวาดเปลือกที่มีรูปร่างเหมือนกราฟขนาดของผลตอบสนองความถี่ทันที เป็นวิธีหาเรโซแนนซ์ที่เร็วที่สุด โหมด Burst ปล่อยคลื่น $N$ ลูกแล้วหยุด ใช้ทดสอบเซนเซอร์อัลตราโซนิก ลำโพง หรือวงจรที่ต้องดูการตั้งต้นและการหยุด

V13 Linear and logarithmic sweep การกวาดเชิงเส้นและลอการิทึม

f_{lin}(t) = f_1 + (f_2 - f_1)\frac{t}{T_s}

f_{log}(t) = f_1\left(\frac{f_2}{f_1}\right)^{t/T_s}

แบบลอการิทึมใช้เวลาเท่ากันต่อหนึ่งดีเคด เหมาะกับการดู Bode

V14 Burst timing เวลาของเบิสต์

t_{on} = \frac{N}{f}, \qquad D_{burst} = \frac{N}{f\,T_{burst}}

Sweep เปลี่ยนความถี่ตามเวลา Burst ปล่อยคลื่น

N

ลูกแล้วหยุด ทั้งสองแบบมีพัลส์ SYNC ไว้ทริกเกอร์สโคป

ลองในแล็บจำลอง: กวาด 1–10 kHz เข้าวงจร RLC จะเห็นเปลือกพองตรงความถี่เรโซแนนซ์ 5 kHz · เบิสต์ 3 ลูก

ข้างในเครื่อง: หลักการ DDS ขั้นสูง

เครื่องรุ่นใหม่ใช้ Direct Digital Synthesis (DDS) แทนออสซิลเลเตอร์แอนะล็อก ตัวสะสมเฟสขนาด $N$ บิตบวกเลข $M$ เข้าไปทุกสัญญาณนาฬิกา บิตบนของเฟสใช้เปิดตารางค่าไซน์ (LUT) ส่งเข้า DAC แล้วผ่านตัวกรองต่ำผ่านเพื่อลบขั้นบันได ความถี่จึงปรับได้ละเอียดมาก และเปลี่ยนความถี่ได้ทันทีโดยเฟสต่อเนื่อง

เครื่องรุ่นใหม่เกือบทุกรุ่นเป็นแบบ DDS: ดิจิทัลสร้างรูปคลื่น แล้วภาคแอนะล็อกขยาย ปรับออฟเซต และลดทอน ก่อนผ่าน 50 Ω ออกขั้ว

DDS: ตัวสะสมเฟสเดินทีละ

M

ช่องทุกสัญญาณนาฬิกา ยิ่ง

M

มาก วงล้อยิ่งหมุนเร็ว ความถี่ขาออกจึงเป็นสัดส่วนกับ

M

V15 DDS output frequency ความถี่ขาออกของ DDS

f_{out} = \frac{M\,f_{clk}}{2^N}

V16 Frequency resolution ความละเอียดความถี่

\Delta f = \frac{f_{clk}}{2^N}

AD9833: $25\ \text{MHz}/2^{28} = 0.093$ Hz

V17 Images and sinc roll-off ภาพสะท้อนและการลดทอนแบบ sinc

f_{img} = k f_{clk} \pm f_{out}, \quad |H| = \left|\frac{\sin(\pi f/f_{clk})}{\pi f/f_{clk}}\right|

ใช้งานจริงไม่เกินราว $0.4\,f_{clk}$ ให้ตัวกรองแยกภาพสะท้อนออกได้

V18 Ideal DAC SNR SNR ของ DAC อุดมคติ

\text{SNR} = 6.02\,n + 1.76\ \text{dB}

DAC 14 บิต: ประมาณ 86 dB · 10 บิต (AD9833): ประมาณ 62 dB

ตัวอย่าง V-5 · คำนวณเลขปรับความถี่

DDS นาฬิกา 25 MHz ตัวสะสม 28 บิต ต้องการ 1 kHz ต้องตั้ง M เท่าไร ได้ความถี่จริงเท่าไร

จัดรูป V15
$M = \frac{f_{out}\,2^N}{f_{clk}} = \frac{1000 \times 268\,435\,456}{25\,000\,000} = 10\,737.4$
ปัดเป็นจำนวนเต็ม $M = 10\,737$
$f_{out} = \frac{10\,737 \times 25 \times 10^6}{2^{28}} = 999.96\ \text{Hz}$

$M = 10\,737$ ได้ 999.96 Hz คลาดเคลื่อนไม่เกินครึ่งหนึ่งของ $\Delta f$ V16 ดูวิธีเขียนค่านี้ลง AD9833 ที่หน้า สร้างเครื่องเอง

อ่านสเปกเครื่องให้เป็น กลาง

สเปก	ค่าทั่วไป (เครื่อง 25 MHz)	มีผลกับอะไร
ช่วงความถี่ไซน์ / สี่เหลี่ยม	1 µHz – 25 MHz	ความถี่สูงสุดที่ทดสอบได้
อัตรา DAC / ความละเอียด	125 MSa/s, 14 บิต	ความเรียบของรูปคลื่น Arb และนอยส์
เวลาขาขึ้นคลื่นสี่เหลี่ยม	< 10 ns	ใช้ทดสอบเวลาขาขึ้นของวงจรได้แค่ช้ากว่านี้มาก
ความเพี้ยนฮาร์มอนิก (ไซน์)	< −50 dBc	ทดสอบเครื่องขยายเสียงที่ THD ต่ำมากไม่ได้
ความราบเรียบแอมพลิจูด	±0.2 dB ถึง 10 MHz	แอมพลิจูดคงที่เมื่อกวาดความถี่
ความแม่นยำความถี่	±1–2 ppm	ใช้เป็นแหล่งอ้างอิงตั้งเวลาได้ดีกว่าสโคปส่วนใหญ่
แอมพลิจูด (High-Z)	2 mVpp – 20 Vpp	ขีดจำกัด V5
ความต้านทานขาออก	50 Ω	V4

ความปลอดภัยของเครื่อง: อย่าต่อขาออกเข้าจุดที่มีแหล่งจ่ายภายนอกอยู่แล้ว เช่น ขาออกของแหล่งจ่ายไฟหรือขั้วแบตเตอรี่ กราวด์ของขั้ว BNC ต่อกับกราวด์สายไฟบ้าน ห้ามคลิปกราวด์ไปแตะจุดที่ไม่ใช่กราวด์ของวงจร และควรใส่ตัวเก็บประจุกั้น DC เมื่อป้อนเข้าลำโพงที่ตั้งออฟเซตไว้

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมตั้งเครื่องกำเนิดสัญญาณ 1 Vpp แต่สโคปวัดได้ 2 Vpp?