Tờ thông số của linh kiện ghi thời gian lên 300 ps. Máy hiện sóng 1 GHz trên bàn đo ra 461 ps. Không có ai sai cả — và đó chính là vấn đề. Phân tích tín hiệu xung là một trong số ít phép đo mà kết quả hiển thị gần như luôn khác giá trị thật, theo một quy luật tính được trước. Hiểu quy luật đó là điều kiện cần để biết khi nào con số trên màn hình dùng được và khi nào phải đổi thiết bị.
Xung được định nghĩa thế nào trước khi được đo
Trước khi bàn tới sai số, cần thống nhất định nghĩa. IEEE Std 181 — Standard for Transitions, Pulses, and Related Waveforms — đưa ra khoảng một trăm thuật ngữ và, quan trọng hơn, các thuật toán để tính chúng từ dữ liệu thật.
Điểm mấu chốt của tiêu chuẩn là nó không giả định xung có hai mức phẳng lý tưởng. Hai mức trạng thái (state level) được xác định bằng phương pháp histogram: dựng biểu đồ phân bố biên độ của toàn bộ dạng sóng, hai cụm dày nhất chính là mức thấp và mức cao. Cách làm này bỏ qua phần vọt lố và dao động sau chuyển mức, nên hai mức trạng thái ổn định hơn nhiều so với việc lấy giá trị lớn nhất và nhỏ nhất.
Từ hai mức đó mới sinh ra biên độ xung, rồi tới các mức tham chiếu. Thời gian chuyển mức (transition duration) là khoảng cách giữa hai thời điểm mà dạng sóng cắt hai mức tham chiếu; nếu không quy định gì khác, đó là mức 10% và 90%. Đây chính là “thời gian lên” quen thuộc, nhưng được phát biểu chặt chẽ hơn để tránh mơ hồ.
Hệ quả thực hành: khi so hai kết quả đo, phải kiểm tra chúng dùng cùng cặp mức tham chiếu. Nhiều datasheet linh kiện tốc độ cao công bố theo 20%–80% vì phần giữa của sườn tuyến tính hơn và ít bị vọt lố làm nhiễu. Con số 20%–80% luôn nhỏ hơn con số 10%–90% của cùng một sườn xung. So thẳng hai giá trị này với nhau là một lỗi thường gặp và luôn cho kết luận sai.
Thời gian lên của máy: công thức 0,35 chỉ đúng với đáp ứng Gauss
Công thức quen thuộc nhất trong nghề là thời gian lên bằng 0,35 chia cho băng thông. Điều ít được nói kèm là công thức này chỉ áp dụng cho máy có đáp ứng tần số dạng Gauss. Keysight ghi rõ quan hệ lý thuyết của hệ Gauss là 0,339/băng thông, còn ngành đo lường đã quy ước dùng 0,35/băng thông làm công thức thực hành.
Máy hiện sóng số hiện đại băng thông cao lại thường có đáp ứng phẳng tối đa (maximally flat): bằng phẳng hơn hẳn ở dưới điểm −3 dB rồi dốc xuống rất nhanh khi vượt qua. Với dạng đáp ứng này, quan hệ trở thành thời gian lên bằng N chia băng thông, với N nằm trong khoảng 0,4 đến 0,5. Ranh giới thực tế: máy có băng thông từ 1 GHz trở xuống thường là đáp ứng Gauss, còn trên 1 GHz thường là phẳng tối đa.
Ví dụ do Keysight đưa ra rất rõ: cùng băng thông 1 GHz, máy đáp ứng Gauss có thời gian lên 350 ps, còn máy đáp ứng phẳng là 440 ps. Máy “chậm hơn” ở đây lại là máy đo chính xác hơn — vì với tín hiệu có phổ nằm dưới điểm −3 dB, đáp ứng phẳng ít làm suy giảm thành phần tần số hơn. Với một sườn xung 700 ps, Keysight ghi nhận máy đáp ứng phẳng đo sai khoảng 3% trong khi máy Gauss cùng băng thông sai khoảng 9%.
Cộng sai số: công thức RSS và bao nhiêu băng thông là đủ
Thời gian lên hiển thị trên màn hình không phải của tín hiệu, mà là kết hợp của tín hiệu với cả chuỗi đo. Quan hệ được dùng phổ biến là căn bậc hai của tổng bình phương:
Thời gian lên đo được = √(RTtín hiệu² + RThệ thống²)
Băng thông hệ thống (hệ Gauss) = 1 / √(1/BWđầu dò² + 1/BWmáy²)
Quay lại con số ở đầu bài. Tín hiệu thật có thời gian lên 300 ps, đo bằng máy 1 GHz đáp ứng Gauss (thời gian lên hệ thống 350 ps): kết quả hiển thị là √(300² + 350²) ≈ 461 ps, tức sai hơn 50%. Cũng tín hiệu đó, đo bằng máy 4 GHz đáp ứng phẳng (thời gian lên hệ thống khoảng 112 ps): kết quả là √(300² + 112²) ≈ 320 ps, sai khoảng 7%.
Từ chính công thức đó rút ra quy tắc chọn băng thông: muốn sai số thời gian lên dưới khoảng 5%, thời gian lên của hệ thống đo phải nhỏ hơn một phần ba thời gian lên của tín hiệu. Một cách kiểm tra nhanh khác cũng do Keysight đưa ra: tần số tín hiệu lớn nhất xấp xỉ 0,5 chia cho thời gian lên (theo mức 10%–90%). Sườn xung 300 ps tương ứng nội dung phổ tới khoảng 1,7 GHz — đủ để thấy ngay rằng máy 1 GHz không phải công cụ phù hợp, không cần đo thử.
Cần nhấn mạnh một giới hạn mà chính Keysight lưu ý: các công thức cộng băng thông và thời gian lên theo kiểu Gauss không áp dụng cho hệ đáp ứng phẳng. Với máy băng thông cao, hãy dùng băng thông hệ thống do nhà sản xuất công bố cho từng tổ hợp máy và đầu dò thay vì tự tính. Phần ảnh hưởng của đầu dò lên băng thông hệ thống và tải dung kháng đặt lên mạch được bàn kỹ trong bài Chọn đầu dò máy hiện sóng: băng thông hệ thống và tải dung kháng.
Độ rộng xung, tốc độ lấy mẫu và bài toán xung hẹp
Băng thông quyết định độ trung thực của sườn xung, nhưng độ rộng xung lại đặt ra một ràng buộc khác: tốc độ lấy mẫu và độ sâu bộ nhớ.
Với xung đơn (single-shot), máy chỉ có đúng một lần bắt. Số điểm mẫu nằm trên sườn xung bằng thời gian lên nhân tốc độ lấy mẫu. Một máy 2 GSa/s lấy mẫu mỗi 500 ps — trên một sườn 350 ps sẽ không có nổi một điểm. Khi đó hình dạng sườn hoàn toàn do thuật toán nội suy dựng lại, và các tham số vọt lố hay thời gian ổn định trở nên không đáng tin. Ở chiều ngược lại, Keysight DSOX3104G và MSOX3104G công bố tốc độ lấy mẫu tối đa 5 GSa/s với bộ nhớ 4 Mpts — mỗi mẫu cách nhau 200 ps, đủ để dựng một sườn 350 ps bằng dữ liệu thật thay vì bằng nội suy. Điểm cần đọc kỹ là nhiều dòng máy hiện sóng chia sẻ bộ số hoá giữa các kênh, nên tốc độ lấy mẫu thực tế trên mỗi kênh có thể thấp hơn giá trị tối đa khi bật đủ kênh. Cấu hình đo quyết định con số thật, không phải con số lớn nhất in trên vỏ máy.
Với chuỗi xung lặp lại ổn định, ràng buộc nhẹ hơn nhiều vì máy có thể dựng ảnh từ nhiều lần bắt. Nhưng ngay cả khi đó, việc đo độ rộng xung vẫn cần đủ điểm mẫu quanh hai mức tham chiếu giữa (thường là 50%) để phép nội suy không tự tạo ra sai số.
Cùng một xung nhìn từ miền tần số
Với xung RF, miền tần số cho những thông tin mà miền thời gian khó lấy. Một chuỗi xung tuần hoàn có phổ gồm các vạch cách nhau đúng bằng tần số lặp xung, nằm dưới một đường bao có các điểm không cách nhau bằng nghịch đảo của độ rộng xung. Hai quan hệ này cho phép đọc ngược: khoảng cách giữa các điểm không cho biết độ rộng xung, khoảng cách giữa các vạch cho biết tần số lặp.
Điều kiện để nhìn thấy được cấu trúc đó là băng thông giải phân phải đủ hẹp so với tần số lặp xung; nếu quá rộng, các vạch phổ nhoè vào nhau và chỉ còn thấy đường bao. Với xung hẹp hoặc chuỗi xung có chu kỳ nhiệm vụ rất thấp, năng lượng bị trải mỏng trên dải rộng nên mức hiển thị tụt xuống đáng kể so với công suất đỉnh thật — hiệu ứng cần được tính đến khi so kết quả với ngưỡng. Máy phân tích tín hiệu có băng thông phân tích rộng như Keysight N9040B UXA phù hợp cho nhóm phép đo này, đặc biệt khi cần bao trọn cả chirp hoặc cả cụm xung trong một lần thu.
Chọn thiết bị cho phân tích tín hiệu xung
Quy trình chọn máy rút gọn thành bốn câu hỏi theo đúng thứ tự:
- Thời gian lên của tín hiệu là bao nhiêu? Nhân nghịch đảo với 0,5 để ước lượng nội dung phổ, rồi chọn băng thông sao cho thời gian lên hệ thống nhỏ hơn một phần ba thời gian lên tín hiệu.
- Đo xung đơn hay xung lặp? Xung đơn đòi tốc độ lấy mẫu thực tế trên kênh đang dùng, không phải tốc độ liên kênh.
- Cần bao nhiêu kênh cùng lúc? Với gỡ rối mạch số kèm tín hiệu điều khiển, Keysight MSOX3104G băng thông 1 GHz với 4 kênh tương tự và 16 kênh số cho phép xem đồng thời sườn xung và trạng thái logic sinh ra nó.
- Có cần nguồn xung chuẩn để kiểm chứng chuỗi đo không? Một máy phát xung như Keysight 81160A tạo xung tới 330 MHz với sườn đặt được, dùng làm tín hiệu tham chiếu để tách sai số của hệ đo khỏi đặc tính của mẫu thử.
Kết luận
Trong phân tích tín hiệu xung, ba con số quyết định độ tin cậy của kết quả: cặp mức tham chiếu dùng để định nghĩa thời gian lên, hằng số chuyển đổi giữa băng thông và thời gian lên ứng với dạng đáp ứng của máy, và tỉ lệ giữa thời gian lên hệ thống với thời gian lên tín hiệu. Bỏ qua bất kỳ con số nào trong ba con số đó, phép đo vẫn cho ra kết quả — chỉ là kết quả không mô tả mẫu thử.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và hiệu chuẩn máy hiện sóng, máy phát xung, máy phân tích tín hiệu theo ISO/IEC 17025. Cần tư vấn chọn băng thông cho phép đo xung cụ thể, liên hệ hotline 0908 173 345.
