Learning Objectives
- 用時基、垂直刻度與觸發準位，讓示波器畫面穩定地顯示想看的波形
- 用自動量測指令讀峰對峰值、頻率、週期與兩通道的相位差
- 看懂 :WAV:DATA? 回傳的 IEEE 488.2 二進位區塊，用 query_binary_values 讀回
- 用 :WAV:PRE? 的前導資料把位元組換算成電壓與時間，並說明量化誤差
示波器：看電壓怎麼隨時間變化
電錶給你一個數字，示波器給你一張圖：橫軸是時間，縱軸是電壓。上一課用示波器量了函數產生器的頻率與 Vrms， 這一課把示波器本身講清楚，並且把整段波形讀回電腦，用 Python 自己分析。
本課的工作台：函數產生器的輸出接到一個 RC 低通濾波器（1 kΩ、100 nF）的輸入，同時接到示波器的 CH1； 濾波器的輸出接到 CH2。所以 CH1 是「送進去的訊號」，CH2 是「電路輸出的訊號」。
這一課要回答：
- 怎麼設定示波器，讓畫面剛好顯示兩、三個週期？
- 示波器內建的自動量測可以直接給哪些數字？
- 一整段波形怎麼傳回電腦？傳回來的位元組怎麼變成電壓？
本課的示波器是模擬的教學儀器（Uedu Sim），指令採常見的寫法（冒號開頭）；各廠牌的指令、前導資料的欄位順序與資料格式差異很大，以手冊為準。
時基、垂直刻度、觸發
示波器的螢幕通常是橫向 10 格、縱向 8 格。三個最重要的設定：
| 設定 | 指令（常見寫法） | 意思 | 怎麼選 |
|---|---|---|---|
| 時基 | :TIM:SCAL 0.0005 |
每一格幾秒 | 想看 n 個週期：每格＝n × 週期 ÷ 10 |
| 垂直刻度 | :CHAN1:SCAL 0.5 |
每一格幾伏特 | 讓波形占畫面高度的大半，但不超出 |
| 觸發準位 | :TRIG:LEV 0 |
訊號穿過這個電壓時開始畫 | 設在波形的範圍內，畫面才會穩定 |
1 kHz 的訊號週期是 1 ms，想看 5 個週期：5 × 1 ms ÷ 10＝0.5 ms／格。
觸發讓每一次掃描都從波形的同一個位置開始畫，畫面才不會左右飄動。:RUN 持續擷取、:STOP 停住目前的畫面、:SING 只擷取一次。
:AUT（上一課用過）會自動選時基與刻度，但它要花時間，而且不一定是你要的設定；寫程式時通常自己設定。
示波器的自動量測直接給數字：:MEAS:VPP? CHAN1（峰對峰值）、:MEAS:FREQ?（頻率）、:MEAS:PER?（週期）、:MEAS:VRMS?，
以及兩個通道的相位差 :MEAS:PHAS? CHAN1,CHAN2。
逐步看：設定示波器並自動量測
看電路畫面的示波器：第 7 行改時基之後，畫面從 10 個週期變成 5 個週期。CH2（濾波器的輸出）比 CH1 小，而且往右偏移，這就是相位差。
把波形讀回電腦：二進位區塊
自動量測只有幾個數字；要自己分析（例如找最大值的時間、算 FFT、存檔畫圖），就要把整段波形讀回來。四個指令：
scope.write(":WAV:SOUR CHAN1") # 讀哪一個通道
scope.write(":WAV:FORM BYTE") # 格式：每一點 1 個位元組（0～255）
scope.write(":WAV:POIN 40") # 讀幾點
data = scope.query_binary_values(":WAV:DATA?", datatype="B")
為什麼用 BYTE 而不是文字（ASC）？一點用文字表示要十幾個字元（-9.9200E-01,），用位元組只要 1 個，
傳 1000 點，文字約 12 KB、位元組約 1 KB。示波器一次常要傳幾萬到幾百萬點，差距很大。
二進位資料前面有一個 IEEE 488.2 的定長區塊標頭，告訴電腦後面有幾個位元組：
#9000000040<40 個位元組的資料>
│└───┬───┘
│ └── 9 位數字：資料長度＝40
└── # 後面一位數字：長度欄位有 9 位
不能用 query() 讀它：query() 會把位元組當成文字解碼，128 以上的值變成亂碼。
query_binary_values(…, datatype="B") 會解析標頭、把每個位元組轉成 0～255 的整數（"B" 是 Python struct 模組的「無號 8 位元整數」）。
逐步看：拆開二進位區塊
第 11～16 行用 read_raw() 拿到原始位元組，自己照標頭的格式拆開；第 19 行用 query_binary_values 一行做完同樣的事。比較兩種方法拿到的前 6 點。
位元組變成電壓：前導資料（preamble）
位元組只是 0～255 的整數，要變成電壓與時間，需要示波器告訴你換算方式。:WAV:PRE? 回傳一串用逗號隔開的前導資料。
本課的示波器回傳 10 個欄位：
| 索引 | 欄位 | 意思 |
|---|---|---|
| 0、1 | format、type | 資料格式、擷取模式 |
| 2 | points | 點數 |
| 4 | xincrement | 相鄰兩點的時間間隔（秒） |
| 5 | xorigin | 第一點的時間（秒；觸發點是 0，所以常是負的） |
| 7 | yincrement | 每 1 個整數單位是幾伏特 |
| 8 | yorigin | 垂直偏移 |
| 9 | yreference | 對應 0 V 的整數值（這台是 128） |
換算公式：
volt = (b - yref - yorig) * yinc
time = xorig + k * xinc # 第 k 點
8 位元只能分 256 階，所以電壓的最小變化就是 yinc。垂直刻度每格 0.5 V 時，yinc 是 0.016 V；1 V 的峰值換算成 62.5 個單位，
只能存成 62，讀回來就是 0.992 V，這是量化誤差。垂直刻度設得越剛好（波形占滿畫面），量化誤差相對越小。
另外，取樣點太少也會錯過真正的最高點：每個週期至少要有十幾點，畫出來的形狀才接近原本的波形。
逐步看：換算成電壓與時間
第 12 行讀前導資料，第 16 行一行換算全部 40 點。看印出的前 6 點：時間每點加 0.05 ms，電壓從 0 V 升到最高點。最後和示波器自己量的 Vpp 比較。
小測驗：設定與量測
訊號是 2 kHz，你想在 10 格的畫面上看到 4 個週期，時基每格應該設多少？
示波器畫面上的波形一直左右飄動，最可能要調哪一個設定？
為什麼讀 :WAV:DATA? 要用 query_binary_values，而不是 query？
小測驗：區塊與換算
下面的程式會印出什麼？
raw = b"#9000000004" + bytes([128, 190, 128, 66]) + b"\n"
nd = int(raw[1:2])
n = int(raw[2:2 + nd])
body = raw[2 + nd:2 + nd + n]
print(nd, n, list(body))
前導資料的 yincrement 是 0.032、yorigin 是 0、yreference 是 128。下面的程式會印出什麼？
yinc, yorig, yref = 0.032, 0, 128
data = [128, 159, 97]
volts = [round((b - yref - yorig) * yinc, 3) for b in data]
print(volts)
8 位元的波形資料，垂直刻度每格 1 V（8 格），能分辨的最小電壓變化大約是多少？
重點整理
- 畫面橫向 10 格：時基＝想看的週期數 × 週期 ÷ 10；垂直刻度讓波形占滿畫面大半；觸發準位設在波形範圍內，畫面才穩定。
- 自動量測：
:MEAS:VPP?、FREQ?、PER?、VRMS?、PHAS? CHAN1,CHAN2，直接回傳數字。 - 讀波形：
:WAV:SOUR、:WAV:FORM BYTE、:WAV:POIN，再用query_binary_values(":WAV:DATA?", datatype="B")。 #9000000040…是 IEEE 488.2 定長區塊：#、長度欄位的位數、長度、資料。:WAV:PRE?給換算方式：電壓＝(b − yref − yorig) × yinc，時間＝xorig ＋ k × xinc；8 位元有量化誤差，取樣點太少會錯過峰值。
到這裡，四種常見的儀器（電源供應器、數位電錶、函數產生器、示波器）都會用程式控制了。下一課把它們組合起來，自動掃描電壓，量出 LED 的 I-V 曲線。