Độ chính xác dọc là yếu tố quan trọng quyết định chất lượng đo lường của máy hiện sóng. Chúng đảm bảo tín hiệu được hiển thị chính xác, giúp người dùng phân tích và xử lý dữ liệu một cách hiệu quả.
1. Các khái niệm chính về độ chính xác dọc
Tổng quan về độ chính xác dọc
Độ chính xác dọc trong máy hiện sóng là gì?
Độ chính xác dọc đề cập đến độ chính xác của điện áp được nhìn thấy trên màn hình, cả về mặt hình ảnh và trong các phép đo. Đây là thước đo mức độ điện áp bạn đọc trên màn hình máy hiện sóng gần với điện áp thực tế của tín hiệu của bạn. Độ chính xác dọc càng cao, điện áp hiển thị trên máy hiện sóng càng gần với điện áp thực tế của tín hiệu.
Hai thông số kỹ thuật chính xác định độ chính xác dọc:
- Số bit của bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số (ADC).
- Sàn nhiễu đầu trước của máy hiện sóng.
Số bit ADC càng cao, độ phân giải dọc có được càng nhiều, do đó, tín hiệu càng chính xác. Ngoài ra, sàn nhiễu đầu trước càng thấp, máy hiện sóng càng ít ảnh hưởng đến tín hiệu đo. Các máy hiện sóng đều có một số nhiễu bên trong giống như mọi thiết bị điện tử khác. Nhiễu trên máy hiện sóng sẽ cộng vào tín hiệu đo và làm sai lệch các phép đo của bạn.
Tại sao độ chính xác dọc lại quan trọng đối với các phép đo tín hiệu?
Độ chính xác dọc là rất quan trọng đối với các phép đo tín hiệu. Chúng đảm bảo rằng điện áp hiển thị trên màn hình máy hiện sóng gần với điện áp thực tế của tín hiệu. Độ chính xác dọc thấp có thể dẫn đến việc các phép đo không chính xác. Từ đó, dẫn đến việc thiết kế lại, tìm nguồn cung ứng linh kiện và gây lãng phí thời gian.
Một số lý do tại sao độ chính xác dọc lại quan trọng đối với các phép đo tín hiệu:
- Phát hiện các tín hiệu nhỏ: Khi đo các tín hiệu nhỏ, quan trọng là phải có máy hiện sóng với độ chính xác dọc cao. Điều đó có thể giúp phân biệt các tín hiệu với nhiễu. Nếu sàn nhiễu cao hơn mức lượng tử hóa ADC, người dùng sẽ không thể tận dụng lợi thế của các bit ADC bổ sung.
Ví dụ: Khi đo một tín hiệu 53 µV, máy hiện sóng dòng 3000G X-Series, không thể nhìn thấy tín hiệu 53 µV trên phép biến đổi Fourier nhanh (FFT). Điều này là do nhiễu đầu vào quá cao, ở mức 372 µV RMS. Trong khi đó, dòng HD3, với mức nhiễu sàn < 50 µV RMS, hiển thị rõ tín hiệu cực nhỏ 53 µV trên FFT nhờ vào nhiễu đầu vào thấp. Nhiễu thấp của máy hiện sóng cho phép ghi lại những chi tiết tín hiệu nhỏ nhất.
- Đo chính xác biên độ tín hiệu: Độ chính xác dọc cao là điều cần thiết để đo chính xác biên độ tín hiệu. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như thiết kế mạch. Vì đối với mạch, một lỗi nhỏ về biên độ tín hiệu cũng gây ra sự cố nghiêm trọng.
- Đặc trưng nhiễu: Nhiễu có thể ảnh hưởng đến cả phép đo theo chiều ngang và chiều dọc. Bằng cách sử dụng máy hiện sóng có độ chính xác dọc cao, người dùng có thể đo chính xác lượng nhiễu trong tín hiệu và xác định nguồn của nhiễu.
Những yếu tố nào ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo điện áp trong máy hiện sóng?
Độ chính xác của phép đo điện áp trong máy hiện sóng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố:
Độ phân giải của ADC:
Bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số (ADC) chịu trách nhiệm chuyển đổi tín hiệu điện áp analog thành dạng kỹ thuật số. Số bit trong ADC càng cao, máy hiện sóng càng có thể phát hiện ra nhiều mức điện áp hơn. Từ đó, dẫn đến độ phân giải cao hơn và điện áp đo được chính xác hơn.
Ví dụ: Máy hiện sóng dòng HD3 Series có ADC 14 bit, mang lại độ phân giải cao hơn. Cụ thể là gấp 64 lần so với máy hiện sóng 8 bit.
Sàn nhiễu:
Các máy hiện sóng đều tạo ra một lượng nhiễu nhất định. Sàn nhiễu là mức điện áp nhiễu tối thiểu mà máy hiện sóng có thể phát hiện. Sàn nhiễu càng thấp, máy hiện sóng có thể đo chính xác các tín hiệu nhỏ hơn.
Đáp ứng tần số:
Đáp ứng tần số của máy hiện sóng mô tả khả năng xử lý chính xác các tín hiệu ở các tần số khác nhau. Để đo điện áp chính xác, máy hiện sóng phải có đáp ứng tần số phẳng. Có nghĩa là máy hiện sóng khuếch đại tất cả các tần số trong băng thông một cách đồng đều. Khi đáp ứng tần số không phẳng, một số tần số được khuếch đại nhiều hơn những tần số khác. Từ đó, dẫn đến đo điện áp không chính xác.
Hiệu chuẩn:
Máy hiện sóng phải được hiệu chuẩn đúng cách để đảm bảo phép đo điện áp chính xác.
Độ trễ pha:
Độ trễ pha là sự dịch chuyển pha của tín hiệu khi đi qua máy hiện sóng. Độ trễ pha có thể gây ra hiện tượng méo dạng trong dạng sóng và dẫn đến đo điện áp không chính xác.
Độ phóng đại phần mềm:
Khi máy hiện sóng đặt thành độ nhạy dọc rất nhỏ, sẽ chuyển sang chế độ phóng đại phần mềm. Trong chế độ này, máy hiện sóng phóng đại tín hiệu được hiển thị mà không tăng độ phân giải. Điều này làm giảm độ phân giải và độ chính xác đo lường.
Lựa chọn đầu dò:
Đầu dò được sử dụng để kết nối máy hiện sóng với mạch đang được kiểm tra. Mỗi đầu dò có tần số đáp ứng và trở kháng riêng biệt. Điều đó có thể làm ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo điện áp.
Công thức nào để đạt được độ chính xác dọc cao nhất?
Công thức để đạt được độ chính xác dọc cao nhất trong máy hiện sóng được thể hiện:
Số bit ADC cao nhất + Sàn nhiễu thấp nhất = Độ chính xác dọc cao nhất
Nguyên nhân:
- Số bit ADC: Bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số (ADC) chịu trách nhiệm chuyển đổi tín hiệu điện áp analog thành dạng kỹ thuật số. Số bit ADC càng cao thì máy hiện sóng có độ phân giải dọc càng cao. Từ đó, cho phép phân biệt các mức điện áp nhỏ hơn, dẫn đến phép đo chính xác hơn.
- Sàn nhiễu: Sàn nhiễu là mức điện áp nhiễu tối thiểu mà máy hiện sóng có thể phát hiện. Sàn nhiễu càng thấp, máy hiện sóng càng ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu nội tại. Từ đó, cho phép đo chính xác hơn các tín hiệu, đặc biệt là các tín hiệu nhỏ.
Vì vậy, để đạt được độ chính xác dọc cao nhất, cần phải tối ưu hóa cả hai yếu tố: tăng số bit ADC và giảm sàn nhiễu.
2. Vai trò của ADC trong độ chính xác dọc
Tầm quan trọng của độ phân giải ADC (số bit)
Tăng độ phân giải ADC cải thiện độ chính xác của phép đo như thế nào?
Độ phân giải ADC cao hơn sẽ cải thiện độ chính xác đo lường bằng cách tăng độ phân giải dọc của máy hiện sóng. Độ phân giải dọc đề cập đến mức lượng tử hóa nhỏ nhất được xác định bởi ADC trong máy hiện sóng. Nói cách khác, đó là mức điện áp nhỏ nhất mà máy hiện sóng có thể phát hiện và hiển thị.
Ví dụ: Máy hiện sóng có ADC 8 bit có thể mã hóa đầu vào analog thành một trong 256 mức. Có nghĩa là máy hiện sóng chỉ có thể hiển thị điện áp theo bội số của 1/256 toàn thang đo dọc. Máy hiện sóng có ADC 14 bit có thể mã hóa đầu vào analog thành một trong 16,384 mức. Điều này có nghĩa là máy hiện sóng có thể hiển thị điện áp theo bội số của 1/16,384 toàn thang đo dọc. Đảm bảo mang lại độ phân giải tối ưu hơn.
Độ phân giải dọc không phải là yếu tố duy nhất ảnh hưởng đến độ chính xác đo lường. Các yếu tố khác như nhiễu tầng đầu ra của máy hiện sóng, cũng có thể gây ảnh hưởng. Tuy nhiên, độ phân giải ADC cao hơn là yếu tố quan trọng để đạt được độ chính xác đo lường cao.
Số bit của ADC ảnh hưởng đến độ chính xác dọc như thế nào?
Số bit của bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số (ADC) ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác dọc của máy hiện sóng. Số bit ADC càng cao, độ chính xác dọc càng cao. Điều này là do số bit ADC xác định độ phân giải dọc của máy hiện sóng. Có nghĩa là mức điện áp nhỏ nhất mà máy hiện sóng có thể phát hiện.
Một số điểm chính giải thích ảnh hưởng của số bit ADC đến độ chính xác dọc:
Độ phân giải dọc:
ADC với số bit cao hơn có thể phân biệt nhiều mức điện áp hơn. Điều này dẫn đến độ phân giải tốt hơn và khả năng hiển thị các thay đổi điện áp nhỏ hơn.
Lượng tử hóa:
ADC hoạt động bằng cách lượng tử hóa tín hiệu analog đầu vào. Chúng chia tín hiệu thành một số bước rời rạc. Số bit ADC xác định số bước lượng tử hóa có sẵn. ADC có số bit cao hơn sẽ có nhiều bước lượng tử hóa hơn, dẫn đến mức lượng tử hóa nhỏ hơn và đo chính xác hơn.
Ví dụ: Một máy hiện sóng với ADC 8 bit có thể mã hóa đầu vào analog thành một trong 256 mức. Trong khi đó, với ADC 14 bit, máy hiện sóng có thể mã hóa thành 16.384 mức. Có nghĩa là máy hiện sóng 14 bit phân biệt các mức điện áp nhỏ hơn 64 lần so với máy hiện sóng 8 bit.
Ảnh hưởng trực quan:
Khi so sánh các phép đo thực hiện trên máy hiện sóng Keysight InfiniiVision 3000G X-Series và dòng HD3. Cùng một thiết lập đầu dò, dòng HD3 cung cấp các phép đo chính xác hơn. Nguyên nhân là vì dòng máy HD3 có độ phân giải theo phương thẳng đứng cao hơn đáng kể với ADC 14-bit và mức nhiễu sàn thấp 50 µV RMS. Ngược lại, 3000G chỉ có 8 bit và mức nhiễu là 250 µV RMS. Sự khác biệt này ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của phép đo.
Ảnh hưởng của nhiễu:
Tuy nhiên, nếu mức nhiễu cao hơn mức lượng tử hóa ADC, thì việc tăng số bit ADC sẽ không cải thiện độ chính xác. Do đó, để tận dụng tối đa ADC có số bit cao, máy hiện sóng phải có sàn nhiễu thấp.
So sánh độ phân giải giữa các mức bit ADC
Sự khác biệt trong độ phân giải giữa ADC 8-bit và 14-bit là gì?
Độ phân giải của Bộ chuyển đổi Analog sang Kỹ thuật số (ADC) là yếu tố quan trọng trong việc xác định độ chính xác dọc của máy hiện sóng. Chúng đề cập đến mức lượng tử hóa nhỏ nhất mà ADC có thể phân biệt. Đại diện cho thay đổi điện áp nhỏ nhất mà máy hiện sóng có thể phát hiện và hiển thị.
Sự khác biệt chính giữa ADC 8-bit và 14-bit nằm ở số lượng mức lượng tử hóa mà chúng có thể xử lý:
- ADC 8-bit: Có thể mã hóa tín hiệu đầu vào analog thành một trong 256 mức (2^8 = 256).
- ADC 14-bit: Có khả năng mã hóa tín hiệu đầu vào thành 16.384 mức (2^14 = 16.384).
Điều này có nghĩa là ADC 14-bit có độ phân giải cao hơn 64 lần so với ADC 8-bit (16.384 / 256 = 64).
Ví dụ:
Giả sử hai máy hiện sóng được đặt ở thang đo dọc 800 mV toàn màn hình.
- Máy hiện sóng 8-bit có độ phân giải 3.125 mV (800 mV / 256 mức).
- Máy hiện sóng 14-bit có độ phân giải 48.8 µV (800 mV / 16.384 mức).
Như vậy, máy hiện sóng 14-bit có thể phát hiện và hiển thị những thay đổi điện áp nhỏ tới 48.8 µV, trong khi máy hiện sóng 8-bit chỉ có thể phát hiện những thay đổi lớn hơn 3.125 mV.
Ảnh hưởng đến Độ chính xác:
Độ phân giải cao hơn của ADC 14-bit mang lại độ chính xác dọc cao hơn. Từ đó, cho phép hiển thị tín hiệu chi tiết và chính xác hơn. Điều này là quan trọng khi đo các tín hiệu nhỏ hoặc những thay đổi nhỏ trong tín hiệu lớn.
Lưu ý:
- Độ phân giải cao hơn của ADC không phải lúc nào cũng chuyển thành độ chính xác dọc cao hơn. Nếu độ nhiễu nền cao hơn mức lượng tử hóa của ADC, việc tăng số bit ADC sẽ không mang lại lợi ích đáng kể.
- ENOB là thông số quan trọng để đánh giá hiệu suất động của máy hiện sóng, bao gồm nhiễu. ENOB càng cao thì phép đo càng chính xác.
Ảnh hưởng của chế độ độ phân giải cao đến độ chính xác
Chế độ độ phân giải cao cải thiện độ chính xác của máy hiện sóng như thế nào?
Chế độ phân giải cao giúp nâng cao độ chính xác của máy hiện sóng bằng cách tăng độ sâu bit hiệu quả. Về cơ bản, chúng cung cấp nhiều mức lượng tử hóa hơn để biểu diễn tín hiệu analog. Mặc dù số lượng bit ADC cao hơn về mặt lý thuyết sẽ tăng độ phân giải, nhưng chúng còn phụ thuộc vào nhiễu đầu cuối của máy hiện sóng.
Máy hiện sóng thường sử dụng kỹ thuật lấy mẫu quá mức kết hợp với bộ lọc xử lý tín hiệu số (DSP) để tăng độ phân giải dọc.
Ví dụ: Dòng máy hiện sóng InfiniiVision HD3 sử dụng kỹ thuật nâng cao để tăng độ phân giải từ 14 bit (mặc định của ADC) lên mức tương đương 16 bit.
Kỹ thuật này hoạt động bằng cách thu thập tín hiệu ở tốc độ lấy mẫu cao hơn so với yêu cầu thông thường. Điều này tạo ra nhiều dữ liệu hơn, cho phép xử lý tín hiệu một cách chi tiết hơn. Sau đó, tín hiệu được xử lý bằng các thuật toán kỹ thuật số để loại bỏ nhiễu và cải thiện độ chính xác. Như vậy, tốc độ lấy mẫu cao kết hợp với xử lý kỹ thuật số giúp máy hiện sóng đo được các tín hiệu nhỏ hơn và rõ ràng hơn mà không cần thay đổi phần cứng.
Tại sao độ phân giải ADC cao hơn không phải luôn đảm bảo độ chính xác tốt hơn?
Mặc dù độ phân giải ADC cao có thể có ENOB tuyệt vời. Tuy nhiên nhiễu đầu cuối kém của máy hiện sóng sẽ làm giảm đáng kể ENOB của toàn hệ thống đo lường. Do đó, người dùng sẽ không thể tận dụng lợi thế của các bit ADC bổ sung.
Nhiễu có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm:
- Đầu cuối của máy hiện sóng
- ADC trong máy hiện sóng
- Đầu dò
- Cáp được kết nối với thiết bị
Số lượng bit hiệu quả (ENOB) là thước đo nhằm đánh giá hiệu suất thực tế của máy hiện sóng. Chỉ số này không chỉ phản ánh độ phân giải của ADC mà còn tính đến các yếu tố gây ảnh hưởng như nhiễu và méo tín hiệu. Tuy nhiên, ENOB tổng thể của máy hiện sóng thường thấp hơn ENOB của ADC. Vì chúng còn chịu ảnh hưởng từ các thành phần khác trong máy, như mạch đầu vào,… Mặc dù ENOB càng cao thì phép đo càng chính xác, kỹ sư không nên chỉ dựa vào chỉ số này để đánh giá độ tin cậy của tín hiệu. Đó là vì ENOB không tính đến các vấn đề như lỗi bù hay méo pha. Đây những yếu tố góp phần làm sai lệch kết quả đo lường.
3. Nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu đến độ chính xác
Nguồn gốc của nhiễu trong máy hiện sóng
Vai trò của sàn nhiễu trong độ chính xác dọc của máy hiện sóng là gì?
Sàn nhiễu của máy hiện sóng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ chính xác dọc. Chúng đề cập đến mức điện áp nhiễu tối thiểu mà máy hiện sóng có thể phát hiện được. Bất kỳ tín hiệu nào nhỏ hơn sàn nhiễu sẽ bị che đậy bởi nhiễu và không thể đo chính xác. Do đó, sàn nhiễu càng thấp, độ chính xác dọc của máy hiện sóng càng cao.
Một số điểm chính giải thích vai trò của sàn nhiễu trong độ chính xác dọc:
- Ảnh hưởng đến các tín hiệu nhỏ: Sàn nhiễu ảnh hưởng đáng kể khi đo các tín hiệu nhỏ. Khi sàn nhiễu cao, các tín hiệu nhỏ có thể bị lẫn vào nhiễu. Do đó, việc đo chính xác biên độ hoặc các đặc tính khác của tín hiệu trở nên khó khăn.
- Mối quan hệ với số bit ADC: Mặc dù máy hiện sóng có ADC với số bit cao, mang lại độ phân giải lý thuyết cao. Tuy nhiên, nếu sàn nhiễu cao, độ phân giải bổ sung này sẽ không được sử dụng hiệu quả. Điều này là do nhiễu sẽ giới hạn khả năng của máy hiện sóng trong việc phân biệt giữa các mức điện áp nhỏ.
- Số hiệu quả của bit (ENOB): ENOB là thông số kỹ thuật tính đến nhiễu của hệ thống và cho bạn biết có bao nhiêu bit trong ADC thực sự hiệu quả trong việc thực hiện phép đo. ENOB luôn thấp hơn số bit ADC do ảnh hưởng của nhiễu.
Nhiễu lượng tử hóa là gì, chúng liên quan như thế nào đến máy hiện sóng?
Nhiễu lượng tử hóa là một dạng nhiễu không thể tránh khỏi trong quá trình chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số của ADC trong máy hiện sóng.
Tín hiệu analog là tín hiệu liên tục và thay đổi mượt mà theo thời gian (dạng sóng hình sin). ADC chuyển đổi tín hiệu liên tục này thành tín hiệu số bằng cách chia thang đo điện áp thành các mức rời rạc, gọi là mức lượng tử hóa. ADC lấy mẫu tín hiệu analog tại các điểm thời gian cụ thể. Mỗi mẫu này được gán giá trị gần nhất tương ứng với một mức lượng tử hóa. Ví dụ: Nếu tín hiệu analog có giá trị là 1,23 V nhưng mức lượng tử hóa gần nhất là 1,2 V, ADC sẽ chọn 1,2V. Sai lệch giữa giá trị thực của tín hiệu analog (1,23V) và giá trị được gán (1,2V) được gọi là lỗi lượng tử hóa.
Lỗi lượng tử hóa này biểu hiện dưới dạng nhiễu lượng tử hóa, làm chồng chéo lên tín hiệu được số hóa. Mức nhiễu lượng tử hóa tỷ lệ nghịch với độ phân giải của ADC. Một ADC có nhiều bit hơn có thể biểu diễn tín hiệu bằng nhiều mức lượng tử hóa hơn. Từ đó, dẫn đến lỗi lượng tử hóa nhỏ hơn và nhiễu lượng tử hóa thấp hơn.
Mặc dù nhiễu lượng tử hóa hiện diện trong tất cả các máy hiện sóng, nhưng nó thường không phải là nguồn nhiễu chủ yếu. Tuy nhiên, nhiễu lượng tử hóa có thể trở nên nghiêm trọng khi đo các tín hiệu rất nhỏ, trong đó mức nhiễu tổng thể thấp là rất quan trọng.
Phương pháp đo nhiễu của máy hiện sóng
Làm thế nào để đo mức nhiễu của máy hiện sóng?
Để kiểm tra mức nhiễu của máy hiện sóng, cần ngắt kết nối các đầu vào để đảm bảo không có tín hiệu bên ngoài làm nhiễu kết quả. Sau đó, chuyển đầu vào sang chế độ 50 Ω hoặc 1 MΩ. Đồng thời, cài đặt tốc độ lấy mẫu cao cùng bộ nhớ lớn (1 Mpt) để bao phủ toàn bộ băng thông của máy. Cho máy hiện sóng hoạt động với độ bền vô hạn, quan sát độ dày của dạng sóng thu được. Dạng sóng càng dày thì nhiễu do máy hiện sóng tạo ra bên trong càng lớn.
Ngoài ra, khi sử dụng tính năng đo “AC RMS” để biết mức nhiễu cụ thể tại từng cài đặt dọc (V/div). Mỗi kênh của máy hiện sóng sẽ có mức nhiễu khác nhau. Kết quả đo được giúp hiểu rõ hơn về khả năng của máy trong việc đo các tín hiệu nhỏ hơn mức nhiễu. Vì nhiễu ảnh hưởng đến cả thời gian và điện áp trong phép đo. Máy hiện sóng có mức nhiễu thấp sẽ mang lại kết quả chính xác hơn.
Tầm quan trọng của việc giảm thiểu nhiễu để quan sát tín hiệu rõ ràng
Tại sao việc giảm thiểu nhiễu lại quan trọng đối với các phép đo bằng máy hiện sóng?
Giảm thiểu nhiễu là rất quan trọng đối với các phép đo bằng máy hiện sóng vì nhiễu đại diện cho độ lệch dọc so với giá trị tín hiệu thực. Người dùng sẽ không thể nhìn thấy chi tiết tín hiệu nhỏ hơn mức nhiễu của máy hiện sóng.
Ví dụ: khi đo tín hiệu 53 µV trên máy hiện sóng Keysight InfiniiVision 3000G X-Series có mức nhiễu nền là 372 µVRMS, người ta không thể nhìn thấy tín hiệu trên biến đổi Fourier nhanh (FFT). Điều này là do mức nhiễu nền cao. Tuy nhiên, khi sử dụng máy hiện sóng Keysight InfiniiVision dòng HD3 với mức nhiễu nền nhỏ hơn 50 µVRMS. Tín hiệu 53 µV có thể được nhìn thấy rõ ràng trên FFT.
Ngoài ra, nếu mức nhiễu cao hơn mức lượng tử hóa ADC, người dùng sẽ không thể tận dụng lợi thế của các bit ADC bổ sung. Nhiễu có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau. Tuy nhiên, đầu trước của máy hiện sóng là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng tổng nhiễu của chúng.
4. Số Bit Hiệu Dụng (ENOB)
Định nghĩa và ý nghĩa của ENOB
Số Bit Hiệu Dụng (ENOB) là gì?
Số Bit Hiệu Dụng (ENOB) là thước đo hiệu suất động của máy hiện sóng, xét đến nhiễu. Chúng biểu thị có bao nhiêu bit của bộ chuyển đổi Analog sang Digital (ADC) thực sự hiệu quả. Từ đó có thể thực hiện các phép đo, có tính đến sự hiện diện của nhiễu. Giá trị ENOB luôn nhỏ hơn số bit ADC.
Ví dụ: Máy hiện sóng InfiniiVision dòng 3000G/4000G X-Series 8 bit có ENOB hệ thống khoảng 6,9 bit. Trong khi đó, máy hiện sóng dòng HD3 14 bit có ENOB hệ thống trên 10,4 bit.
ENOB không phải là một giá trị cố định mà được biểu diễn dưới dạng các đường cong. Những đường cong này được tạo ra bằng cách quét một sóng hình sin có biên độ cố định qua các tần số khác nhau, và máy hiện sóng đo các kết quả ở từng tần số, tại các cài đặt dọc cụ thể.
Trong miền thời gian: ENOB được tính bằng cách so sánh sóng hình sin lý tưởng (hoàn hảo) với sóng đo được. Sau đó xác định lỗi gây ra bởi nhiễu, méo tín hiệu như phi tuyến pha hoặc méo từ ADC.
Trong miền tần số: ENOB được tính bằng cách lấy công suất của tín hiệu chính trừ đi tổng công suất băng thông rộng. Cả hai cách tính đều cho kết quả tương đương.
Tóm lại, ENOB giúp người dùng đánh giá độ chính xác thực tế của máy hiện sóng khi làm việc trong điều kiện nhiễu. Từ đó có thể lựa chọn thiết bị phù hợp với yêu cầu đo lường chính xác.
ENOB khác với độ phân giải ADC như thế nào?
ENOB (Số bit hiệu dụng) và độ phân giải bit ADC là hai khái niệm khác nhau. Tuy nhiên chúng có liên quan đến hiệu suất dọc của máy hiện sóng.
- Độ phân giải ADC: Đây là số bit mà máy hiện sóng sử dụng để “chuyển đổi” tín hiệu analog thành dạng số. Số bit càng cao, máy hiện sóng càng có khả năng phân biệt những mức điện áp rất nhỏ. Ví dụ: Máy hiện sóng 14 bit phân biệt chi tiết hơn 64 lần so với máy 8 bit.
- ENOB (Số Bit Hiệu Dụng): ENOB đo hiệu suất thực tế của cả hệ thống máy hiện sóng, bao gồm các yếu tố như nhiễu. Chúng cho biết trong số các bit của ADC, có bao nhiêu bit thực sự hữu ích để đo tín hiệu chính xác. Do ảnh hưởng của nhiễu và các yếu tố không hoàn hảo trong hệ thống, ENOB luôn nhỏ hơn số bit ADC lý thuyết.
Nhà sản xuất có thể cung cấp giá trị ENOB của bản thân ADC của máy hiện sóng. Tuy nhiên, con số này không có ý nghĩa nhiều. Do nhiễu ở đầu trước của máy hiện sóng làm giảm đáng kể ENOB của toàn bộ hệ thống đo.
Tóm lại, độ phân giải bit ADC là thông số kỹ thuật lý tưởng dựa trên khả năng của ADC. Trong khi đó, ENOB là thước đo thực tế hơn về hiệu suất của máy hiện sóng, tính đến nhiễu.
Những yếu tố làm giảm ENOB của máy hiện sóng
ENOB là thước đo hiệu suất động, cho biết có bao nhiêu bit trong ADC thực sự hiệu quả trong việc thực hiện các phép đo. ENOB (Số bit hiệu quả) của máy hiện sóng có thể bị giảm bởi một số yếu tố:
- Nhiễu đầu cuối: Nhiễu này xuất phát từ các thành phần đầu vào của máy hiện sóng. Bao gồm bộ lọc analog, đường dẫn chuyển đổi giữa trở kháng 1 MΩ và 50 Ω, bộ suy giảm tín hiệu. Nguồn nhiễu này có thể chồng lên tín hiệu đo, làm sai lệch kết quả và giảm độ chính xác. Khi mức nhiễu tăng, ENOB của máy hiện sóng sẽ giảm, từ đó dẫn đến hiệu suất kém hơn.
- Lỗi bù và méo pha: Đây là những yếu tố không được ENOB tính đến. Tuy nhiên, chúng vẫn có thể gây ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của phép đo. Từ đó làm giảm giá trị ENOB thực tế và làm giảm hiệu quả của hệ thống.
Tóm lại, để có được ENOB cao hơn và có được các phép đo chính xác hơn. Điều quan trọng là phải giảm thiểu nhiễu trong hệ thống máy hiện sóng. Chọn máy hiện sóng có nhiễu đầu cuối thấp, xem xét các yếu tố như lỗi bù và méo pha. Vì chúng có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.
Mối quan hệ giữa ENOB và hiệu suất thực tế của hệ thống là gì?
Tại sao các kỹ sư không nên chỉ dựa vào ENOB để đánh giá tính toàn vẹn tín hiệu?
ENOB là một thông số kỹ thuật quan trọng để đánh giá chất lượng của máy hiện sóng. Tuy nhiên các kỹ sư không nên chỉ dựa vào ENOB để đánh giá toàn vẹn tín hiệu vì:
- ENOB không tính đến lỗi bù hoặc méo pha. Những lỗi này có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của phép đo, đặc biệt là khi phân tích các đặc tính thời gian của tín hiệu. Ví dụ, méo pha có thể làm sai lệch hình dạng dạng sóng, dẫn đến việc giải thích không chính xác về hành vi tín hiệu.
- ENOB là một loạt các đường cong, không phải là một số cụ thể. Chúng thay đổi theo tần số và cài đặt dọc. Do đó, một giá trị ENOB không thể nắm bắt đầy đủ hiệu suất của máy hiện sóng trong các điều kiện khác nhau.
- Các yếu tố như nhiễu từ đầu cuối của máy hiện sóng, có thể ảnh hưởng đến toàn vẹn tín hiệu. Nhiễu đầu cuối kém của máy hiện sóng làm giảm đáng kể ENOB của toàn bộ hệ thống đo lường. Trong khi đó, ENOB của ADC vẫn tương đối cao.
- ENOB tập trung vào hiệu suất dọc nhưng không giải quyết đầy đủ các khía cạnh liên quan đến thời gian của toàn vẹn tín hiệu. Độ chính xác thang thời gian, jitter và các yếu tố khác đóng vai trò quan trọng. Chúng đảm bảo truyền tín hiệu một cách chính xác và đáng tin cậy.
Để đánh giá toàn diện toàn vẹn tín hiệu, các kỹ sư nên xem xét nhiều yếu tố bổ sung:
Độ phẳng đáp ứng tần số:
Đáp ứng tần số phẳng đảm bảo máy hiện sóng xử lý tất cả các tần số trong băng thông của nó một cách đồng đều. Từ đó, dẫn đến việc thu thập và hiển thị chính xác dạng sóng.
Nhiễu:
Mức nhiễu thấp rất quan trọng để quan sát các tín hiệu nhỏ hoặc các thay đổi nhỏ trong các tín hiệu lớn hơn. Máy hiện sóng có nhiễu cao có thể che khuất các chi tiết tín hiệu quan trọng và làm giảm độ chính xác đo.
Độ chính xác thang thời gian:
Một thang thời gian chính xác cần thiết để đo chính xác các đặc tính thời gian của tín hiệu. Ví dụ như độ rộng xung, thời gian tăng và độ trễ.
Jitter:
Jitter đề cập đến độ lệch so với vị trí ngang lý tưởng. Chúng cũng có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của các phép đo thời gian.
Đáp ứng tần số phẳng là rất quan trọng đối với máy hiện sóng. Chúng đảm bảo rằng máy hiện sóng có thể thu và hiển thị dạng sóng một cách chính xác. Đáp ứng tần số phẳng có nghĩa là máy hiện sóng xử lý tất cả các tần số trong băng thông của chúng một cách đồng đều, mà không khuếch đại hay suy giảm bất kỳ tần số nào.
5. Đáp ứng Tần số
Tầm quan trọng của đáp ứng tần số và pha phẳng
Tại sao đáp ứng tần số phẳng lại quan trọng đối với máy hiện sóng?
Đáp ứng tần số phẳng là rất quan trọng đối với máy hiện sóng. Chúng đảm bảo rằng máy hiện sóng có thể thu và hiển thị dạng sóng một cách chính xác. Đáp ứng tần số phẳng có nghĩa là máy hiện sóng xử lý tất cả các tần số trong băng thông của chúng một cách đồng đều, mà không khuếch đại hay suy giảm bất kỳ tần số nào.
Một số nguyên nhân đáp ứng tần số phẳng quan trọng đối với máy hiện sóng:
Chính xác đo lường biên độ:
Nếu đáp ứng tần số không phẳng, một số tần số sẽ bị khuếch đại hoặc suy giảm nhiều hơn những tần số khác. Từ đó dẫn đến đo lường biên độ không chính xác. Điều này đặc biệt quan trọng khi đo các tín hiệu có nhiều thành phần tần số. Ví dụ như tín hiệu xung vuông.
Hiển thị dạng sóng trung thực:
Đáp ứng tần số không phẳng có thể làm méo dạng dạng sóng. Do đó gây khó khăn cho việc phân tích và giải thích hành vi tín hiệu. Một đáp ứng tần số không phẳng khiến các cạnh sắc nét trong dạng sóng xuất hiện bị tròn, méo.
Phân tích hài:
Các cạnh nhanh trong tín hiệu chứa nhiều sóng hài. Máy hiện sóng phải đo chính xác từng thành phần hài bằng biên độ chính xác. Đáp ứng tần số phẳng cho phép máy hiện sóng đo chính xác biên độ tất cả các sóng hài. Sau đó cung cấp thông tin chi tiết về nội dung tần số của tín hiệu.
Đáp ứng pha nhất quán:
Đáp ứng tần số phẳng còn đảm bảo đáp ứng pha nhất quán. Điều đó có nghĩa là các tần số được truyền qua máy hiện sóng với cùng một độ trễ pha. Điều này đặc biệt quan trọng để duy trì tính toàn vẹn thời gian của tín hiệu và ngăn ngừa méo dạng sóng do dịch pha.
Máy hiện sóng sử dụng các loại bộ lọc để đảm bảo tín hiệu được đo một cách chính xác, không bị méo dạng trong quá trình xử lý.
- Bộ lọc analog: Đây là phần cứng trong máy hiện sóng, giúp xử lý tín hiệu ở tần số cao hoặc loại bỏ các thành phần nhiễu không mong muốn. Tuy nhiên, khi chỉ sử dụng bộ lọc analog, đáp ứng tần số và pha có thể không hoàn toàn phẳng, dẫn đến méo tín hiệu.
- Bộ lọc hiệu chỉnh (correction filters): Bộ lọc hiệu chỉnh được thực hiện thông qua khối DSP (Digital Signal Processing) trong phần cứng. Bộ lọc này được thiết kế riêng cho từng dòng máy hiện sóng cụ thể. Chúng giúp tinh chỉnh tín hiệu để đạt được đáp ứng biên độ và pha phẳng hơn.
Khi máy hiện sóng sử dụng cả bộ lọc analog và bộ lọc hiệu chỉnh, tín hiệu được xử lý với độ chính xác cao hơn. Đáp ứng biên độ và pha phẳng giúp máy hiện sóng đo tín hiệu một cách trung thực, không làm méo dạng hoặc sai lệch.
Ví dụ: Máy hiện sóng chất lượng cao dòng HD3, bao gồm cả bộ lọc analog và bộ lọc hiệu chỉnh. Từ đó giúp đạt được đáp ứng tần số đồng nhất và phẳng.
Vai trò của bộ lọc hiệu chỉnh trong việc cải thiện độ chính xác tín hiệu
Bộ lọc hiệu chỉnh cải thiện độ chính xác tín hiệu như thế nào?
Bộ lọc hiệu chỉnh đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác tín hiệu trong máy hiện sóng. Điều này đảm bảo rằng tất cả các thành phần tần số của tín hiệu được xử lý đồng đều. Dạng sóng sẽ trở nên chính xác và đáng tin cậy hơn để phân tích.
Dưới đây là cách bộ lọc hiệu chỉnh cải thiện độ chính xác tín hiệu:
Bù cho các đặc tính không lý tưởng của bộ lọc analog:
Máy hiện sóng sử dụng bộ lọc analog để loại bỏ nhiễu và các tín hiệu không mong muốn. Tuy nhiên, các bộ lọc này gây ra biến dạng biên độ và pha, đặc biệt ở tần số cao. Bộ lọc hiệu chỉnh được thiết kế để bù cho các đặc tính không lý tưởng này bằng cách áp dụng các đặc tính nghịch đảo. Từ đó dẫn đến đáp ứng tổng thể phẳng hơn.
Tạo đáp ứng biên độ và pha phẳng:
Bộ lọc hiệu chỉnh, được triển khai bởi các khối DSP phần cứng. Chúng được điều chỉnh cho các dòng máy hiện sóng để tạo ra đáp ứng biên độ và pha phẳng. Điều này có nghĩa là máy hiện sóng xử lý tất cả các tần số trong băng thông của nó một cách đồng đều, mà không khuếch đại hoặc suy giảm bất kỳ tần số cụ thể nào. Tất cả các tần số trải qua cùng một độ trễ pha.
Kết quả là thu nhận dạng sóng chính xác hơn:
Bằng cách bù cho biến dạng pha và biên độ, bộ lọc hiệu chỉnh cho phép máy hiện sóng thu nhận dạng sóng chính xác hơn. Điều này rất quan trọng để thực hiện các phép đo chính xác, phân tích sóng hài và giải thích tín hiệu đáng tin cậy.
6. Tỷ lệ dọc và độ phân giải
Tỷ lệ dọc ảnh hưởng đến việc sử dụng bit ADC như thế nào?
Tỷ lệ dọc tác động đến việc sử dụng bit ADC ra sao?
Tỷ lệ dọc (vertical scaling) trong máy hiện sóng đóng vai trò quan trọng trong việc sử dụng các bit của ADC để đo lường tín hiệu. Điều chỉnh tỷ lệ này đúng cách có thể giúp tối ưu hóa độ phân giải của máy hiện sóng.
Ảnh hưởng của tỷ lệ dọc đến việc sử dụng bit ADC:
Tỷ lệ tối ưu:
Khi dạng sóng được chia tỷ lệ để chiếm gần như toàn bộ màn hình hiển thị dọc. Bộ chuyển đổi ADC của máy hiện sóng sẽ được kích hoạt đầy đủ. Điều này có nghĩa là tất cả các bit ADC có sẵn đang được sử dụng, mang lại độ phân giải tối đa cho phép đo.
Ví dụ: Máy hiện sóng có ADC 14 bit, dạng sóng được chia tỷ lệ để sử dụng toàn bộ màn hình. Kết quả là tất cả 14 bit sẽ được sử dụng để biểu diễn tín hiệu
Tỷ lệ không tối ưu:
Khi tín hiệu chỉ chiếm một phần nhỏ màn hình, số lượng bit ADC được sử dụng sẽ giảm. Điều đó dẫn đến mất độ phân giải.
Ví dụ: Nếu dạng sóng được chia tỷ lệ chiếm nửa màn hình dọc, chỉ 12 bit của ADC được sử dụng. Nếu chỉ chiếm một phần tư màn hình, số bit ADC được sử dụng giảm xuống còn 10.
Phóng đại phần mềm:
Khi phần cứng của máy hiện sóng không thể giảm tỷ lệ dọc thêm nữa. Máy hiện sóng sẽ chuyển sang chế độ “phóng đại phần mềm”. Trường hợp này, tín hiệu chỉ được phóng to trên màn hình mà không tăng độ phân giải thực tế.
Để đạt được độ phân giải cao nhất, người dùng nên điều chỉnh tỷ lệ dọc sao cho tín hiệu chiếm phần lớn màn hình. Đảm bảo sử dụng đầy đủ các bit của ADC.
Hạn chế của phóng đại phần mềm so với chia tỷ lệ phần cứng
Hạn chế của phóng đại phần mềm so với chia tỷ lệ phần cứng là gì?
Phóng đại phần mềm, không giống như chia tỷ lệ phần cứng. Chúng không làm tăng độ phân giải của phép đo. Tín hiệu có vẻ lớn hơn trên màn hình, nhưng không có thông tin bổ sung nào được thu thập. Đồng thời, độ chính xác của phép đo vẫn bị giới hạn bởi độ phân giải ban đầu của ADC.
Dưới đây là các hạn chế của việc phóng đại phần mềm so với chia tỷ lệ phần cứng:
Không có độ phân giải bổ sung:
Phóng đại phần mềm đơn giản là phóng to tín hiệu được hiển thị, không thêm bất kỳ điểm dữ liệu nào. Do đó, chúng không cải thiện độ phân giải của phép đo. Chia tỷ lệ phần cứng sử dụng toàn bộ phạm vi của ADC, dẫn đến độ phân giải cao hơn.
Độ chính xác đo bị hạn chế:
Phóng đại phần mềm không bổ sung thêm độ phân giải thực tế cho máy hiện sóng. Chúng chỉ đơn giản là phóng to tín hiệu hiển thị. Điều này làm giảm độ chính xác khi đo tín hiệu nhỏ hoặc phát hiện các thay đổi nhỏ trong tín hiệu lớn. Vì máy hiện sóng không sử dụng thêm bit của ADC để cải thiện độ chi tiết. Ngược lại, chia tỷ lệ phần cứng, sử dụng đầy đủ số bit ADC, mang lại kết quả đo chính xác hơn.
Có thể gây nhầm lẫn:
Phóng đại phần mềm gây nhầm lẫn cho người dùng. Chúng có thể khiến người dùng tin rằng họ đang xem tín hiệu chi tiết hơn so với thực tế.Điều này có thể dẫn đến các quyết định sai lầm trong phân tích tín hiệu. Do đó, cần hiểu rằng phóng đại phần mềm không thể thay thế cho việc sử dụng chia tỷ lệ phần cứng chính xác.
Mẹo tối ưu hóa độ phân giải thông qua tỷ lệ dọc
Làm thế nào để tối ưu hóa độ phân giải thông qua việc điều chỉnh tỷ lệ dọc?
Việc điều chỉnh tỷ lệ dọc trên máy hiện sóng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa độ phân giải của phép đo. Mục tiêu là sử dụng càng nhiều bit của bộ chuyển đổi analog sang kỹ số (ADC) càng tốt trong khi vẫn giữ dạng sóng hiển thị rõ ràng trên màn hình.
Cách để tối ưu hóa độ phân giải bằng cách sử dụng tỷ lệ dọc:
- Tối đa hóa việc sử dụng màn hình: Điều chỉnh tỷ lệ dọc (volts/division) sao cho dạng sóng lấp đầy gần như toàn bộ màn hình. Điều này đảm bảo rằng ADC của máy hiện sóng được sử dụng đầy đủ, giúp đạt được độ phân giải tối đa.
- Sử dụng cài đặt tỷ lệ dọc nhạy nhất: Cài đặt volts/division thấp nhất có thể giúp tăng độ nhạy và sử dụng nhiều bit ADC hơn. Miễn là tín hiệu vẫn nằm trong khung màn hình. Điều này làm tăng khả năng phân biệt các mức điện áp nhỏ, cải thiện độ chính xác.
- Tránh phóng đại phần mềm: Máy hiện sóng thường chuyển sang phóng đại phần mềm ở một cài đặt tỷ lệ dọc nhất định (<2 mV/div). Chúng chỉ phóng đại tín hiệu hiển thị mà không thêm bất kỳ điểm dữ liệu, độ phân giải nào. Đảm bảo sử dụng chia tỷ lệ phần cứng thay vì phóng đại phần mềm để duy trì độ phân giải tối ưu.
- Tham khảo biểu dữ liệu: Biểu dữ liệu cung cấp thông tin về các yếu tố như độ phân giải ADC, mức nhiễu, và giới hạn phóng đại phần mềm. Những thông tin này giúp người dùng chọn cài đặt phù hợp nhất cho mục tiêu đo lường.
