Đo tín hiệu nhỏ và méo hài bằng máy hiện sóng 16 bit PicoScope 5000

Cần kiểm tra ripple 10 mV RMS trên đường nguồn 12 V, bạn cắm que đo vào máy hiện sóng 8 bit ở chế độ DC và chỉ thấy một vệt dày gần như đứng yên. Ripple vẫn ở đó, nhưng nằm lẫn trong nhiễu nền của chính cái máy đang đo. Đây là tình huống điển hình mà một máy hiện sóng 16 bit giải quyết được — với điều kiện cấu hình đúng, vì bản thân con số “16 bit” không tự động mang lại phép đo sạch.

Bài này đi theo trục quy trình đo: đặt dải vào, chọn ghép nối, chọn que đo, giới hạn băng thông, rồi mới đọc kết quả. Nếu bạn đang ở bước sớm hơn — chọn model nào trong dòng — hãy đọc bài máy hiện sóng 16 bit PicoScope 5000D và 5000E trước. Số liệu dưới đây lấy từ trang thông số của Pico Technology cho hai dòng 5000D và 5000E.

Máy hiện sóng 16 bit thực sự mang lại điều gì

Câu trả lời quen thuộc là “nhiều mức lượng tử hơn”: bộ chuyển đổi 8 bit chia dải vào thành 256 mức, 16 bit chia thành 65 536 mức. Pico ghi bước lượng tử của 5000D theo phần trăm dải vào — dưới 0,6% ở chế độ 8 bit và dưới 0,0025% ở chế độ 16 bit.

Nhưng dừng ở đó là hiểu sai bản chất phép đo. Trên dòng 5000E ở dải nhạy nhất ±5 mV, toàn dải 10 mV chia cho 65 536 mức cho bước lượng tử khoảng 0,15 µV — trong khi nhiễu nền của chính máy ở dải này là 22 µV RMS, tức lớn hơn bước lượng tử khoảng 144 lần. Trên 5000D, nhiễu ở dải nhạy nhất chế độ 16 bit là 70 µV RMS; cùng dải đó chế độ 8 bit cho 120 µV RMS. Chuyển từ 8 bit lên 16 bit chỉ giảm nhiễu nền khoảng 1,7 lần, không phải 256 lần.

Kết luận cần nhớ trước khi chạm vào bất kỳ nút nào: số bit không phải giới hạn của phép đo, tầng đầu vào mới là giới hạn. Bit nhiều giúp không đánh mất tín hiệu nhỏ khi số hoá, còn nhìn thấy nó hay không phụ thuộc vào các quyết định cấu hình bên dưới. Đó là lý do một máy 16 bit cấu hình cẩu thả có thể cho kết quả tệ hơn máy 8 bit cấu hình cẩn thận.

Ba con số mô tả dải động máy hiện sóng

Ba đại lượng sau quyết định bạn đo được gì, và cần đối chiếu với yêu cầu phép đo trước khi bắt máy.

Nhiễu nền RMS — mức nhiễu của chính máy khi không có tín hiệu, tính theo dải vào và bộ lọc băng thông đang bật. Đây là sàn dưới: tín hiệu nhỏ hơn con số này sẽ không tách được ra khỏi nền.

SFDR (spurious-free dynamic range) — khoảng cách từ đỉnh tín hiệu chính tới thành phần giả lớn nhất trong phổ. 5000E đạt trên 73 dB ở chế độ 16 bit (tín hiệu 1 MHz, −2 dBFS, dải ±50 mV đến ±20 V); 5000D đạt 70 dB ở các chế độ 14 đến 16 bit (100 kHz, toàn thang).

Méo hài — tổng năng lượng các hài do chính máy sinh ra. 5000E chế độ 16 bit dưới −73 dB, khoảng 0,022%. 5000D chế độ 12 bit trở lên là −70 dB, khoảng 0,032%. Bản 5000E+ chuyển sang 8 bit chỉ còn dưới −50 dB, tức khoảng 0,32% — kém hơn chế độ 16 bit khoảng 14 lần.

Bước 1 — Chọn dải vào nhỏ nhất mà tín hiệu vẫn lọt

Đây là quyết định ảnh hưởng lớn nhất và cũng hay bị bỏ qua nhất: nhiễu nền của máy tỉ lệ với dải vào đang chọn, nên để dải rộng “cho an toàn” là tự đánh mất phép đo. Lấy đúng tình huống đầu bài — ripple 10 mV RMS trên đường 12 V, đo bằng 5000E với bộ lọc 20 MHz.

• Ghép nối DC buộc phải dùng dải ±10 V để chứa mức một chiều 12 V. Nhiễu nền ở dải này là 3,9 mV RMS, cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu 10 / 3,9 ≈ 2,6 lần, khoảng 8 dB. Ripple hiện ra như một vệt dày, không đo được biên độ.
• Ghép nối AC bỏ mức một chiều, phần xoay chiều còn lại vài chục mV nên dùng được dải ±50 mV. Nhiễu nền 0,030 mV RMS, tỉ số tín hiệu trên nhiễu thành 10 / 0,030 ≈ 333 lần, khoảng 50 dB.

Cùng một máy, cùng một tín hiệu, chênh nhau 42 dB chỉ vì dải vào. Nhiễu nền giảm từ 3,9 mV xuống 0,030 mV — khoảng 130 lần.

Một bẫy riêng của dòng 5000D. Thông số ghi rõ: ở dải ±20 mV, các chế độ 14 đến 16 bit bị giảm 1 bit độ phân giải phần cứng; ở dải ±10 mV, chế độ 12 bit giảm 1 bit còn các chế độ 14 đến 16 bit giảm 2 bit. Đặt 5000D ở dải nhạy nhất và chế độ 16 bit thì thực nhận khoảng 14 bit. Bước lượng tử vẫn cỡ 1,2 µV — nhỏ hơn nhiễu nền 70 µV khoảng 57 lần — nên phép đo không hỏng, nhưng đó là lý do thêm bit không cải thiện kết quả ở dải nhỏ nhất. Dòng 5000E không có ghi chú giảm bit này; máy như PicoScope 5242D vì thế hợp với tín hiệu từ vài chục mV trở lên hơn là mức microvolt.

Bước 2 — Ghép nối AC và bù offset để loại thành phần một chiều

Bước 1 chỉ thực hiện được nếu tách được mức một chiều ra khỏi tín hiệu. Có hai cách, không thay thế nhau.

Ghép nối AC là cách nhanh nhất. Cả hai dòng đều có ghép nối AC/DC ở trở kháng vào 1 MΩ. Lưu ý trên 5000E: ngõ vào 50 Ω chỉ hỗ trợ ghép nối DC. Nếu phép đo cần phối hợp trở kháng 50 Ω thì không dùng được cách này.

Bù offset tương tự giữ được thông tin một chiều mà vẫn kéo tín hiệu về giữa màn hình. Trên 5000D, khoảng bù offset là ±250 mV với các dải 10 đến 200 mV, ±2,5 V với dải 500 mV đến 2 V, và ±20 V với dải 5 đến 20 V. Sai số offset cơ bản ±500 µV cộng 1% toàn thang; phần mềm có hàm “zero offset” để hiệu chỉnh trước khi đo.

Quy tắc thực dụng: cần giá trị tuyệt đối của mức một chiều thì dùng bù offset; chỉ quan tâm thành phần biến thiên như ripple thì dùng ghép nối AC, vì nó cho phép xuống dải vào nhỏ hơn nhiều.

Bước 3 — Que đo 10:1 nhân nhiễu quy về đầu vào lên 10 lần

Que đo suy giảm 10:1 chia tín hiệu cho 10 trước khi tới máy, trong khi nhiễu nền của máy không đổi — quy về đầu que, nhiễu bị nhân lên 10 lần. Với dải ±50 mV và bộ lọc 20 MHz, nhiễu nền 0,030 mV RMS ở đầu BNC trở thành 0,30 mV RMS quy về đầu que, mất đúng một bậc độ nhạy vừa giành được ở bước 1.

Vì vậy khi đo tín hiệu nhỏ, hãy dùng que đo 1:1 hoặc kết nối đồng trục trực tiếp. Que 10:1 chỉ cần khi biên độ vượt dải vào hoặc khi cần giảm tải điện dung lên mạch — đó là đánh đổi có ý thức, không phải mặc định. Kèm theo là quy tắc tiếp mát: dùng đầu tiếp mát ngắn dạng lò xo thay cho dây kẹp cá sấu dài, vì vòng dây mát dài thu nhiễu chuyển mạch đủ để lấn át tín hiệu ở dải ±50 mV.

Bước 4 — Giới hạn băng thông để khai thác độ phân giải dọc

Nhiễu nhiệt trải đều theo tần số, nên cắt băng thông là cắt nhiễu. Đây là chỗ độ phân giải dọc thực sự được khai thác.

Trên dải ±10 mV, nhiễu nền theo bộ lọc lần lượt là 0,022 mV ở 20 MHz; 0,038 mV ở 60 MHz; 0,051 mV ở 100 MHz; và 0,071 mV ở 200 MHz. Băng thông tăng 10 lần thì nhiễu tăng khoảng 3,2 lần — đúng bằng căn bậc hai của 10, như dự đoán với nhiễu trắng. Dải ±50 mV lặp lại quy luật: 0,030 mV ở 20 MHz và 0,10 mV ở 200 MHz.

Bộ lọc chọn được ở chế độ 16 bit là 20, 60, 100 và 200 MHz tuỳ model. Hai mức 350 MHz và 500 MHz chỉ có trên bản 5000E+ ở chế độ 8 bit, nên không thể có đồng thời băng thông 500 MHz và độ phân giải 16 bit trong cùng một lần thu.

Nguyên tắc đặt bộ lọc: chọn mức thấp nhất còn cao hơn thành phần tần số cao nhất mà bạn thực sự cần. Đo ripple nguồn tuyến tính vài trăm kHz thì 20 MHz là quá đủ; đo gai chuyển mạch cần biết thời gian sườn thì phải nới lên và chấp nhận nhiễu nền cao hơn. Máy PicoScope 5464E giữ 16 bit ở toàn dải 200 MHz, còn bản PicoScope 5462E+ cho phép đổi sang 8 bit khi cần băng thông rộng hơn.

Ngoài bộ lọc phần cứng, cả hai dòng còn có chế độ nâng cao độ phân giải bằng phần mềm, cộng thêm 4 bit so với độ phân giải phần cứng. Cơ chế là lọc thông thấp trên dữ liệu đã thu, nên nó cũng đánh đổi băng thông lấy độ sạch — một tầng lọc nữa, không phải bit miễn phí.

Bước 5 — Đo méo hài trong miền tần số

Đến đây tín hiệu đã sạch, có thể chuyển sang phổ. Bộ phân tích FFT trong PicoScope 7 lấy tới một triệu điểm và có sẵn các phép đo tự động THD, SNR, SINAD và IMD. Quy trình đo méo hài theo thứ tự sau:

1. Đặt biên độ tín hiệu gần đầy thang. Thông số méo hài của cả hai dòng đều đo ở mức gần toàn thang — 5000E ở −2 dBFS, 5000D ở toàn thang. Tín hiệu chỉ chiếm 10% dải vào sẽ cho kết quả xấu hơn thông số; đó là lỗi cấu hình, không phải lỗi thiết bị.
2. Giữ chế độ 16 bit. Trên bản E+, nếu máy đang ở 8 bit thì sàn méo là −50 dB, không đủ để đánh giá hầu hết mạch tương tự.
3. Bật bộ lọc băng thông thấp nhất còn chứa đủ số hài cần xét. Đọc tới hài bậc 5 của tín hiệu 1 MHz thì cần qua 5 MHz, nên 20 MHz là hợp lý.
4. Chọn cửa sổ FFT phù hợp — cửa sổ có độ rò phổ thấp giúp tách hài nhỏ nằm cạnh sóng mang lớn.
5. Tăng số điểm FFT để hạ nền phổ và tách các vạch gần nhau.
6. Đọc THD, SNR và SINAD từ bảng phép đo tự động, kèm trung bình và độ lệch chuẩn.

Bước 6 — Kiểm tra sàn méo của chính máy trước khi tin con số

Máy hiện sóng cũng sinh méo hài, và không thể đo mạch sạch hơn sàn méo của chính thiết bị. Sàn méo lấy từ thông số: 5000E chế độ 16 bit khoảng 0,022%, 5000D chế độ 12 bit trở lên khoảng 0,032%, 5000E+ chế độ 8 bit khoảng 0,32%. Nếu mạch cần đo công bố méo hài 0,01%, kết quả đọc được chủ yếu là méo của máy. Thông lệ kỹ thuật là chỉ tin con số khi méo của vật cần đo lớn hơn sàn thiết bị vài lần; dưới ngưỡng đó cần thiết bị chuyên dụng cho phân tích méo.

Cách kiểm tra thực tế: ngắn mạch đầu vào và ghi lại phổ nền ở đúng cấu hình dải vào, bộ lọc và số điểm FFT sẽ dùng. Phổ nền đó là chuẩn tham chiếu — mọi vạch trong phép đo thật mà không cao hơn nó rõ rệt đều đáng nghi. Nếu dùng máy phát sóng tích hợp để tạo tín hiệu thử, méo của chính máy phát cũng cộng vào kết quả.

Cần đo gì thì đặt cấu hình nào

Phép đo	Ghép nối và dải vào	Bộ lọc băng thông	Chế độ
Ripple nguồn một chiều	AC, dải nhỏ nhất chứa phần xoay chiều	20 MHz	16 bit
Méo hài mạch tương tự	AC hoặc DC, tín hiệu gần đầy thang	Thấp nhất còn chứa đủ số hài	16 bit, FFT nhiều điểm
Tín hiệu cảm biến mức microvolt	Dải nhạy nhất, que đo 1:1	20 MHz	16 bit kèm nâng cao độ phân giải
Gai chuyển mạch và thời gian sườn	Dải vừa đủ chứa biên độ đỉnh	200 MHz trở lên	16 bit trên 5000E, hoặc 8 bit trên bản E+
Vừa cần cạnh nhanh vừa cần biên độ tinh	Hai lần thu riêng biệt	Đổi theo từng lần	Chuyển chế độ giữa hai lần đo

Dòng cuối bảng đáng nhấn mạnh: trên bản E+, băng thông rộng và độ phân giải cao là hai chế độ loại trừ nhau, cách làm đúng là thu hai lần rồi ghép kết luận. Với 5000D, chọn 16 bit là băng thông tụt về 60 MHz.

Những sai sót hay gặp

• Để dải vào rộng hơn mức cần thiết, mất phần lớn dải động máy hiện sóng ngay từ bước đầu.
• Dùng que đo 10:1 theo thói quen khi đo tín hiệu vài mV, khiến nhiễu quy về đầu vào tăng 10 lần.
• Để băng thông đầy đủ khi chỉ cần quan sát ripple tần số thấp, hoặc dùng dây tiếp mát dài rồi quy nhiễu thu được cho mạch cần đo.
• Đo méo hài với tín hiệu chỉ chiếm một phần nhỏ dải vào rồi kết luận mạch kém.
• So sánh nhiễu nền giữa hai máy mà không đối chiếu điều kiện đo — 22 µV RMS của 5000E gắn với bộ lọc 20 MHz, còn 70 µV RMS của 5000D gắn với dải nhạy nhất.

Hiệu chuẩn và độ tin cậy của con số đo được

Mọi con số ở trên giả định máy còn nằm trong sai số công bố. Sai số hệ số khuếch đại của 5000D là ±0,5% giá trị cộng 1 LSB ở các chế độ 12 đến 16 bit và ±2% ở chế độ 8 bit, đo trong khoảng 15 đến 30 °C sau một giờ khởi động. Chi tiết “sau một giờ khởi động” hay bị bỏ qua, dù đó là điều kiện để thông số có hiệu lực.

Khi kết quả đo dùng cho hồ sơ chất lượng hoặc nghiệm thu, thiết bị cần giấy chứng nhận hiệu chuẩn còn hiệu lực. Techmaster vận hành phòng hiệu chuẩn thiết bị đo và hỗ trợ hiệu chuẩn định kỳ cho máy hiện sóng. Để đối chiếu với một cấu hình để bàn, xem bài ứng dụng máy hiện sóng Keysight DSOX3014G. Danh mục đầy đủ có tại trang thiết bị đo Pico Technology, trong đó PicoScope 5444D là cấu hình 4 kênh phổ biến cho phòng thí nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

Máy hiện sóng 16 bit có nhìn thấy tín hiệu nhỏ hơn 256 lần so với máy 8 bit không?

Không. Số mức lượng tử tăng 256 lần, nhưng giới hạn thực tế là nhiễu nền của tầng đầu vào. Trên PicoScope 5000D ở cùng dải nhạy nhất, nhiễu nền là 120 µV RMS ở chế độ 8 bit và 70 µV RMS ở chế độ 16 bit — cải thiện khoảng 1,7 lần. Lợi ích lớn hơn nằm ở dải động cao hơn trong miền tần số.

Vì sao bật bộ lọc 20 MHz lại cải thiện phép đo nhiều đến vậy?

Vì nhiễu trải đều theo tần số nên cắt băng thông là cắt nhiễu. Thông số PicoScope 5000E trên dải ±10 mV cho nhiễu nền 0,022 mV RMS với bộ lọc 20 MHz và 0,071 mV RMS với bộ lọc 200 MHz — chênh khoảng 3,2 lần, đúng bằng căn bậc hai của tỉ số băng thông.

Đo ripple nên dùng ghép nối AC hay bù offset?

Dùng ghép nối AC nếu chỉ cần biên độ ripple, vì nó cho phép hạ xuống dải vào nhỏ hơn nhiều; dùng bù offset nếu cần giữ giá trị tuyệt đối của mức một chiều. Ngõ vào 50 Ω của 5000E chỉ có ghép nối DC.

Có đo được đồng thời băng thông 500 MHz và độ phân giải 16 bit không?

Không. Trên PicoScope 5000E+, băng thông 500 MHz chỉ có ở chế độ 8 bit; chế độ 16 bit giới hạn ở 60, 100 hoặc 200 MHz tuỳ model. Trên PicoScope 5000D, chọn chế độ 16 bit làm băng thông giảm còn 60 MHz. Cách xử lý là thu hai lần với hai cấu hình khác nhau.

Máy hiện sóng đo được mạch có méo hài thấp tới mức nào?

Giới hạn là sàn méo của chính thiết bị: khoảng 0,022% với PicoScope 5000E ở chế độ 16 bit và 0,032% với PicoScope 5000D ở chế độ 12 bit trở lên. Thấp hơn đáng kể mức đó thì cần thiết bị chuyên dụng cho phân tích méo.

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