Giảm nhiễu khi đo tín hiệu biên độ nhỏ: high-resolution, averaging và giới hạn băng thông

Có một tình huống quen thuộc trên bàn đo: tín hiệu cần quan sát chỉ vài millivolt, nhưng trên màn hình máy hiện sóng nó chìm trong một dải nhiễu dày gấp mấy lần chính nó. Phản xạ đầu tiên thường là tăng độ nhạy dọc — và dải nhiễu cũng phóng to theo đúng tỉ lệ. Đo tín hiệu biên độ nhỏ không phải là bài toán phóng to, mà là bài toán đánh đổi: đổi băng thông lấy độ phân giải, đổi thời gian lấy tỉ số tín hiệu trên nhiễu. Bài viết này đi qua ba công cụ luôn có sẵn trên máy hiện sóng hiện đại — chế độ high resolution, trung bình hoá dạng sóng và giới hạn băng thông — nói rõ mỗi công cụ lấy đi thứ gì để đổi lấy thứ gì, và khi nào thì không công cụ nào cứu được ngoài việc đổi phần cứng.

Gốc rễ: vì sao 8 bit hết dư địa rất nhanh

Bộ chuyển đổi ADC 8 bit chia toàn thang dọc thành 256 mức. Với màn hình 8 ô dọc, mỗi ô chứa khoảng 32 mức lượng tử. Nếu đặt thang 1 V/ô để nhìn được toàn cảnh tín hiệu 8 V, thì một bước lượng tử tương đương khoảng 31 mV — và một gợn sóng 5 mV nằm gọn bên trong một bước lượng tử, tức là về nguyên tắc nó không tồn tại đối với ADC.

Đó mới là nhiễu lượng tử. Chồng lên nó còn có nhiễu nhiệt của tầng khuếch đại và jitter của xung nhịp lấy mẫu. Đại lượng gộp cả hai là ENOB — số bit hiệu dụng — được IEEE định nghĩa từ năm 1993 và tương quan trực tiếp với tỉ số tín hiệu trên nhiễu. Điểm mấu chốt: ENOB giảm khi băng thông thu nhận tăng, nên một máy danh nghĩa 8 bit hầu như không bao giờ đạt đủ 8 bit hiệu dụng ở băng thông tối đa.

Ba kỹ thuật dưới đây đều tấn công vào cùng một chỗ: giảm băng thông nhiễu hiệu dụng.

Chế độ high resolution: đổi tốc độ lấy mẫu lấy số bit

Chế độ high resolution là một dạng trung bình hoá điểm-liền-điểm. Máy lấy mẫu quá mức so với nhu cầu, rồi cộng N mẫu liền kề, chia cho N và xuất ra kết quả như giá trị hiệu dụng của cả nhóm — thuật toán boxcar averaging chạy thời gian thực. Hệ quả trực tiếp: tốc độ lấy mẫu hiệu dụng giảm đi N lần, đổi lại số bit dọc tăng lên.

Hai đặc điểm khiến chế độ này rất đáng dùng:

• Nó hoạt động trên một lần bắt duy nhất. Không cần tín hiệu lặp lại, không cần trigger ổn định. Đây là khác biệt cốt tử so với trung bình hoá dạng sóng.
• Nó giữ được sườn nhanh của tín hiệu gốc — miễn là băng thông đầu vào đã được giới hạn phù hợp với băng thông tương đương của hệ trung bình hoá.

Và đây là cái bẫy đi kèm: vì băng thông tương đương đã bị thu hẹp, tín hiệu đầu vào chỉ nên chứa thành phần tần số nằm trong dải đó. Nếu vẫn còn thành phần cao tần vượt ngoài, chúng sẽ gập phổ trở lại và biến thành sai số mà bạn không nhìn thấy. Nói cách khác, high resolution không miễn phí: nó là bộ lọc, và bạn phải chấp nhận đúng đặc tính của bộ lọc đó.

Trung bình hoá dạng sóng: đổi thời gian lấy căn bậc hai

Chế độ averaging cộng nhiều lần bắt liên tiếp rồi chia trung bình. Với nhiễu ngẫu nhiên không tương quan giữa các lần bắt, biên độ nhiễu giảm theo căn bậc hai của số lần trung bình: tăng số lần lên N lần thì nhiễu cải thiện khoảng √N lần. Trung bình 16 lần cho cải thiện khoảng 4 lần; muốn cải thiện 10 lần phải trung bình 100 lần.

Quy luật căn bậc hai này giải thích vì sao averaging vừa mạnh vừa mau tới hạn. Nó cũng đi kèm hai điều kiện bắt buộc:

• Tín hiệu phải lặp lại và trigger phải ổn định. Nếu điểm trigger trôi, các lần bắt lệch pha nhau và phép trung bình sẽ làm tù sườn tín hiệu — bạn nhận được một dạng sóng sạch nhưng sai.
• Nó xóa mất sự kiện đơn lẻ. Một glitch xuất hiện một lần trong 200 lần bắt sẽ bị chia cho 200 và biến mất. Nếu mục tiêu là săn sự kiện hiếm, averaging là công cụ sai.

Nguyên tắc chọn: nhiễu ngẫu nhiên trên tín hiệu lặp lại thì dùng averaging; tín hiệu đơn lẻ hoặc không lặp thì dùng high resolution.

Giới hạn băng thông: công cụ đơn giản nhất, hay bị quên nhất

Công suất nhiễu nhiệt tỉ lệ thuận với băng thông, nên biên độ nhiễu hiệu dụng tỉ lệ với căn bậc hai của băng thông. Bật bộ giới hạn băng thông 20 MHz trên một kênh đang chạy ở băng thông 1 GHz là một trong những thao tác có tỉ lệ lợi ích trên công sức cao nhất trong toàn bộ quy trình đo tín hiệu nhỏ.

Điều kiện áp dụng rõ ràng: chỉ dùng khi tín hiệu quan tâm thực sự nằm trong dải đã giới hạn. Gợn sóng nguồn DC, tín hiệu cảm biến chậm, dòng tiêu thụ trung bình đều là ứng viên lý tưởng. Ngược lại, khi đo thời gian lên của sườn xung, giới hạn băng thông sẽ trực tiếp làm sai kết quả.

Cùng nhóm thao tác “dọn đường” còn có: dùng đầu dò suy giảm 1:1 thay vì 10:1 khi biên độ nhỏ, rút ngắn dây đất để giảm vòng thu nhiễu, và ghép AC để tăng độ nhạy dọc mà tín hiệu không chạy ra khỏi màn hình.

Khi kỹ thuật hết dư địa: chọn phần cứng theo độ phân giải

Ba kỹ thuật trên đều là cách mua thêm bit bằng cách trả bằng băng thông hoặc thời gian. Khi bài toán đòi hỏi đồng thời cả độ phân giải cao lẫn băng thông rộng, chỉ còn cách đổi sang ADC nhiều bit hơn ngay từ đầu.

• Keysight MSOX3104G — InfiniiVision 3000G X-Series, băng thông 1 GHz, 4 kênh tương tự cộng 16 kênh số, tốc độ lấy mẫu 5 GSa/s, bộ nhớ 4 Mpts, tốc độ cập nhật tới 1.000.000 dạng sóng mỗi giây. Đây là nền tảng 8 bit điển hình: đủ dùng cho phần lớn công việc khi kết hợp high resolution với giới hạn băng thông.
• Keysight EXR058A — Infiniium EXR-Series với ADC 10 bit gốc, 16 GSa/s trên mọi kênh đồng thời, 8 kênh tương tự, bộ nhớ tiêu chuẩn 100 Mpts mỗi kênh. Ở chế độ high resolution, dòng EXR có thể đạt tới 16 bit. Đây là lựa chọn khi cần nhiều kênh và độ phân giải tốt cùng lúc.
• Keysight HD304MSO — dòng HD3 với ADC 14 bit ngay ở tầng thu nhận, băng thông 1 GHz, 4 kênh tương tự cộng 16 kênh số, 3,2 GSa/s, bộ nhớ 100 Mpts. Khi cần nhìn thấy chi tiết millivolt mà vẫn giữ băng thông hàng trăm MHz, đây là hướng đi đúng thay vì cố ép một máy 8 bit.

Với dòng điện biên độ nhỏ — bài toán phổ biến khi đo tiêu thụ của thiết bị chạy pin — nút thắt thường nằm ở đầu dò chứ không ở máy. Keysight N2820A là đầu dò dòng AC/DC độ nhạy cao với dải đo từ 50 µA tới 5 A, tức dải động trên 20.000:1 (86 dB). Điểm đặc biệt của nó là hai ngõ ra đồng thời: kênh zoom-out băng thông 3 MHz cho bức tranh tổng thể, và kênh zoom-in băng thông 500 kHz cho chi tiết mức thấp — nhờ vậy quan sát được cả dòng ngủ vài chục µA lẫn xung phát vài ampe mà không phải đổi thang giữa chừng.

Quy trình rút gọn khi đo tín hiệu biên độ nhỏ

1. Xác định băng thông thực sự cần thiết của tín hiệu, rồi giới hạn băng thông kênh xuống mức đó. Đây luôn là bước đầu tiên.
2. Tối ưu đường dẫn tín hiệu: đầu dò phù hợp, dây đất ngắn, ghép AC nếu cần loại thành phần một chiều.
3. Đặt thang dọc sao cho tín hiệu chiếm càng nhiều ô màn hình càng tốt — đây là cách dùng hết số mức lượng tử sẵn có.
4. Tín hiệu lặp lại và trigger ổn định thì bật averaging; tín hiệu đơn lẻ thì bật high resolution.
5. Nếu vẫn không đủ, vấn đề nằm ở số bit của phần cứng — chuyển sang máy 10 bit hoặc 14 bit.

Ranh giới giữa bước 4 và bước 5 là chỗ đáng cân nhắc kỹ nhất; chúng tôi đã phân tích riêng ngưỡng chuyển đổi này trong bài Máy hiện sóng độ phân giải cao: khi nào 8 bit không còn đủ.

Kết luận

Không có nút bấm nào tạo thêm thông tin từ hư không. Cả ba kỹ thuật giảm nhiễu đều là những cuộc đổi chác có điều kiện rõ ràng: high resolution đổi tốc độ lấy mẫu lấy số bit và dùng được cho tín hiệu đơn lẻ; averaging đổi thời gian lấy √N nhưng đòi hỏi tín hiệu lặp lại và sẽ xóa mất sự kiện hiếm; giới hạn băng thông rẻ nhất nhưng làm sai phép đo sườn xung. Hiểu đúng cái giá của từng lựa chọn là điều phân biệt một phép đo tin cậy với một dạng sóng trông thì đẹp mà không dùng được.

Techmaster Electronics là đại lý ủy quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Để được tư vấn chọn máy hiện sóng theo đúng bài toán độ phân giải — băng thông, hoặc để hiệu chuẩn thiết bị đang sử dụng, xin liên hệ hotline 0908 173 345.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.