PicoScope 5000 trong lab âm thanh, cảm biến và y sinh: vì sao cần 16 bit

Có một loại phép đo mà máy hiện sóng 8 bit thông thường không làm được, không phải vì chậm mà vì thô: tín hiệu cần nhìn chỉ chiếm vài phần nghìn dải vào. Méo hài của một mạch khuếch đại âm thanh, đầu ra vài chục micrôvôn của một cầu đo biến dạng, hay dòng rò trên một mạch cảm biến sinh học — cả ba đều biến mất dưới bậc lượng tử của một máy 8 bit. Cả ba đều là công việc của một máy hiện sóng phòng thí nghiệm có độ phân giải dọc cao. Bài này đi qua ba nhóm công việc như thế và giải thích con số nào trong bảng thông số của dòng PicoScope 5000 thực sự trả lời chúng.

16 bit đổi được gì: 256 lần chi tiết dọc

So với một máy 8 bit cùng dải vào, phần cứng 16 bit chia thang đo thành số bậc lớn gấp 256 lần. Trên dòng 5000D, bậc lượng tử ở chế độ 8 bit chiếm dưới 0,6% dải vào; ở chế độ 16 bit con số đó xuống dưới 0,0025%. Đây không phải phép nội suy phần mềm — mỗi bậc thêm là một mức điện áp mà bộ số hoá thực sự phân biệt được.

Hai con số còn quan trọng hơn cho công việc đo tín hiệu nhỏ nằm ở dòng 5000E: nhiễu nền 22 µV RMS đo ở băng thông 20 MHz, và dải động không nhiễu giả trên 73 dB. Cách ly giữa các kênh tốt hơn 500:1 điển hình. Nghĩa là một tín hiệu vài chục micrôvôn vẫn nổi trên sàn nhiễu của chính thiết bị đo, thay vì chìm vào đó.

Lab âm thanh: máy hiện sóng đo âm thanh thay cả một bàn thiết bị

Đo một mạch khuếch đại âm thanh cần bốn thứ: một nguồn tín hiệu sạch, một bộ thu độ phân giải cao, một bộ phân tích phổ, và các phép đo chất lượng tín hiệu. Dòng 5000 gộp cả bốn vào một hộp USB.

Bộ phân tích phổ dựa trên FFT lấy tới một triệu điểm, cho độ phân giải tần số đủ mịn và sàn nhiễu thấp ngay cả với một dạng sóng đơn không lặp lại. Quan trọng hơn với công việc âm thanh, phần mềm tính sẵn bốn phép đo chất lượng: THD, SNR, SINAD và IMD — không phải tự xuất dữ liệu ra rồi tính bằng bảng tính. Có thể xem đồng thời dạng sóng miền thời gian và phổ của cùng một lần bắt, nên một vấn đề nhìn thấy ở miền tần số truy ngược được về đúng đoạn tín hiệu gây ra nó.

Bộ phát sóng tuỳ ý tích hợp đóng vai nguồn tín hiệu: phát dạng chuẩn, quét tần số cho phép thử linh kiện, hoặc dạng sóng tự vẽ và nạp từ tệp CSV. Ghép bộ phát quét tần với bộ phân tích phổ là có một máy phân tích mạng vô hướng quét tần — đủ để dựng đường đáp tuyến biên độ của một mạch lọc hay một tầng khuếch đại mà không cần mua thiết bị riêng.

Với công việc âm thanh, băng thông không phải ràng buộc: dải nghe kết thúc ở 20 kHz và hài bậc cao cần quan tâm hiếm khi vượt vài trăm kilohertz. Bậc PicoScope 5442D hay PicoScope 5462E đã dư; thứ nên ưu tiên là độ phân giải và sàn nhiễu.

Đo cảm biến: nơi micrôvôn là đơn vị làm việc

Cầu đo biến dạng, cặp nhiệt, cảm biến Hall, tế bào tải, cảm biến áp suất — nhóm này có chung một đặc điểm: tín hiệu ra rất nhỏ, thay đổi chậm, và thường nằm trên một mức một chiều lớn hơn nó nhiều lần. Đúng ba điều kiện làm một máy 8 bit vô dụng.

Ở đây độ phân giải dọc quyết định trực tiếp con số cuối cùng. Với thang ±100 mV và chế độ 16 bit, mỗi bậc lượng tử nhỏ hơn 0,0025% dải vào — đủ để phân giải những thay đổi cỡ micrôvôn mà một máy 8 bit chỉ ghi lại thành một đường thẳng. Cách ly kênh tốt hơn 500:1 giữ cho một kênh mang tín hiệu lớn không làm bẩn kênh đang đo tín hiệu nhỏ bên cạnh — tình huống rất hay gặp khi đo đồng thời kích thích và đáp ứng.

Tính chất chậm của hiện tượng lại đặt ra yêu cầu khác: cửa sổ quan sát dài. Bộ nhớ sâu và chế độ truyền liên tục qua USB cho phép ghi một quá trình kéo dài mà vẫn giữ độ phân giải dọc đầy đủ. Mọi phép toán trên kênh — lọc, kênh toán — đều được giữ ở tối thiểu 16 bit, nên khi phóng to vào vùng tín hiệu nhỏ, thứ nhìn thấy là dữ liệu thật chứ không phải nhiễu lượng tử hoá của chuỗi xử lý.

Với nhóm cảm biến, bản MSO thường đáng tiền: 16 kênh số cho phép nhìn tín hiệu tương tự của cảm biến cạnh bus số mà vi điều khiển dùng để đọc nó. Phần mềm giải mã được hơn 40 giao thức nối tiếp, và trên bản MSO có thể giải mã tới 20 kênh dữ liệu cùng lúc.

Thiết bị y sinh: đo trong phòng thiết kế, không đo trên người

Tín hiệu sinh học nằm ở đúng vùng mà dòng 5000 mạnh: điện tim cỡ milivôn, điện cơ và điện não còn nhỏ hơn, tất cả đều chậm và đều chìm trong nhiễu nguồn 50 Hz. Trong phát triển thiết bị y sinh, dòng 5000 dùng để đo chính mạch điện tử của thiết bị — tầng khuếch đại đầu vào, mạch lọc, bộ chuyển đổi, đường nguồn — nơi biên độ và độ ồn quyết định chất lượng của cả máy.

Về mặt kỹ thuật, ba năng lực dùng nhiều nhất trong nhóm này là: sàn nhiễu thấp để đo được tạp âm quy về đầu vào của tầng khuếch đại; bộ phân tích phổ để định lượng thành phần 50 Hz và hài của nó xâm nhập vào mạch; và bộ đệm 40.000 dạng sóng để giữ lại những nhiễu đột biến hiếm gặp trong một phiên ghi dài. Ở chế độ trigger nhanh, máy bắt tới 2 triệu dạng sóng mỗi giây và lấp đầy bộ đệm chỉ trong 20 ms.

PicoScope 5000 ứng dụng theo ba nhóm model

Tên gọi “5000” phủ ba nhóm phần cứng khác nhau, và nhầm nhóm là chọn sai máy:

Nhóm	Độ phân giải	Đặc điểm quyết định	Hợp với
5000D (5242D–5444D)	FlexRes 8/12/14/15/16 bit	Nhiều nấc độ phân giải; ở 16 bit băng thông còn 60 MHz, thời gian lên 5,8 ns	Đo cảm biến, tín hiệu chậm, giảng dạy đo lường
5000E (5462E–5464E)	16 bit cố định, cả 4 kênh	Sàn nhiễu 22 µV RMS, SFDR trên 73 dB — không phải chuyển chế độ	Lab âm thanh, đo tín hiệu nhỏ, mạch y sinh
5000E Plus (5462E+–5464E+)	FlexRes 8/16 bit	Chế độ 8 bit mở tới 500 MHz, 5 GS/s, bộ nhớ 2 GS, phân giải thời gian 200 ps	Vừa đo tín hiệu nhỏ vừa cần bắt sườn nhanh

Điểm cần nhớ khi so hai dòng: 5000D có nhiều nấc độ phân giải hơn nhưng đánh đổi băng thông khi lên 16 bit; 5000E cho 16 bit trên cả bốn kênh mà không phải chuyển chế độ. Chỉ bản 5000E Plus mới có FlexRes trong dòng E — ba mã 5462E, 5463E và 5464E là 16 bit cố định. Quy trình đo tín hiệu nhỏ và méo hài từng bước nằm ở bài đo tín hiệu nhỏ và méo hài bằng máy hiện sóng 16 bit.

Các model trong dòng PicoScope 5000

Bảng so sánh đầy đủ từng thông số giữa ba nhóm nằm ở bài PicoScope 5000D và 5000E — máy hiện sóng 16 bit. Bản MSO của mỗi mã thêm 16 kênh số, phần tương tự giữ nguyên.

Con số đo được chỉ có giá trị khi máy còn trong hạn hiệu chuẩn

Ba nhóm công việc ở trên đều có điểm chung: kết quả đo thường đi vào một báo cáo. Báo cáo đo đặc tính linh kiện âm thanh, hồ sơ hiệu chuẩn cảm biến, tài liệu thiết kế thiết bị y sinh — cả ba đều yêu cầu thiết bị đo còn hiệu lực hiệu chuẩn thì con số mới được chấp nhận. Techmaster có phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho nhóm thiết bị đo điện. Nếu quy trình của bạn buộc dùng máy để bàn có màn hình rời, tham khảo so sánh với Keysight MSOX2014A trước khi chốt cấu hình.

Câu hỏi thường gặp

Máy hiện sóng 16 bit hơn máy 8 bit bao nhiêu lần về chi tiết biên độ?
256 lần, vì mỗi bit thêm chia đôi bậc lượng tử. Trên dòng 5000D, bậc lượng tử ở chế độ 8 bit chiếm dưới 0,6% dải vào, còn ở chế độ 16 bit là dưới 0,0025%. Đây là độ phân giải phần cứng, không phải nội suy phần mềm.

PicoScope 5462E, 5463E và 5464E có FlexRes không?
Không. Ba mã này là 16 bit cố định trên cả bốn kênh. Chỉ các bản Plus — 5462E+, 5463E+ và 5464E+ — mới có FlexRes chuyển giữa 8 và 16 bit. Dòng 5000D thì có FlexRes năm nấc: 8, 12, 14, 15 và 16 bit.

Dùng PicoScope để đo tín hiệu điện tim trên người được không?
Không. PicoScope là thiết bị đo phòng thí nghiệm, không phải thiết bị y tế và không được chứng nhận để nối trực tiếp với bệnh nhân. Trong lĩnh vực y sinh, máy dùng để đo mạch điện tử của thiết bị trên bàn thiết kế; mọi phép đo có tiếp xúc người phải qua tầng cách ly đạt chuẩn y tế riêng.

Đo méo hài của mạch âm thanh có cần thêm máy phân tích không?
Không cần trong phần lớn trường hợp. Phần mềm có bộ phân tích phổ FFT tới một triệu điểm và tính sẵn THD, SNR, SINAD cùng IMD. Ghép với bộ phát sóng tuỳ ý tích hợp ở chế độ quét tần, máy đóng vai một máy phân tích mạng vô hướng quét tần để dựng đường đáp tuyến biên độ.

Vì sao chọn dải vào nhỏ nhất lại không phải lúc nào cũng tốt?
Vì trên dòng 5000D, các dải nhỏ nhất bị giảm độ phân giải phần cứng. Ở dải ±20 mV, các chế độ 14 đến 16 bit mất một bit; ở dải ±10 mV, chế độ 12 bit mất một bit và các chế độ 14–16 bit mất hai bit. Nên chọn dải nhỏ nhất mà tín hiệu vẫn lọt trọn, không nhỏ hơn.

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