Thiết bị đo và kiểm tra thường cung cấp nhiều thang đo để đáp ứng các mức tín hiệu khác nhau. Tuy nhiên, thang đo rộng nhất không phải lúc nào cũng là lựa chọn phù hợp. Khi dùng một thang đo quá lớn cho tín hiệu nhỏ, kết quả hiển thị có thể trông hợp lý nhưng khả năng phân biệt những thay đổi nhỏ của tín hiệu sẽ bị hạn chế.
Vấn đề này đặc biệt đáng chú ý trên máy hiện sóng, nơi tín hiệu đầu vào được số hóa bởi bộ chuyển đổi tương tự sang số, hay ADC. Hiểu mối liên hệ giữa thang đo, số mức lượng tử và độ phân giải giúp người vận hành lựa chọn cài đặt hợp lý hơn.
Thang đo ảnh hưởng đến phép đo như thế nào?
Mỗi ADC chỉ có một số lượng mức số hóa hữu hạn. Toàn bộ khoảng điện áp của thang đo phải được phân chia cho các mức này. Vì vậy, nếu giữ nguyên độ phân giải bit của ADC nhưng mở rộng khoảng đo, mỗi mức lượng tử sẽ đại diện cho một khoảng điện áp lớn hơn.
Điều đó có nghĩa là một thang đo lớn có thể bao quát tín hiệu rộng hơn, nhưng đổi lại, khả năng nhận biết các biến thiên nhỏ trong toàn khoảng đo có thể giảm. Đây là lý do không nên mặc định sử dụng thang lớn nhất chỉ vì thang đó có thể quan sát cả tín hiệu nhỏ lẫn tín hiệu lớn.
Sai lệch lượng tử của ADC là gì?
Trong quá trình số hóa, ADC chuyển giá trị điện áp liên tục thành các mức rời rạc. Sự phân chia hữu hạn này tạo ra sai lệch lượng tử. Số bit càng cao thì số mức khả dụng càng nhiều, nhờ đó khoảng điện áp tương ứng với mỗi mức có thể nhỏ hơn khi xét trên cùng một thang đo.
Ví dụ, ADC 9 bit có 29, tương đương 512 mức. Nếu xét thang 1000 V đỉnh-đỉnh theo trường hợp nguồn đưa ra, với khoảng đầu vào từ -1000 V đến +1000 V, tổng khoảng điện áp cần chia là 2000 V. Khi đó, độ phân giải tính theo mỗi mức xấp xỉ:
2000 V / 512 = 3,9 V mỗi mức
Với mức phân chia này, nếu đo một tín hiệu khoảng 11 V, một thay đổi chỉ 1 V sẽ nhỏ hơn độ phân giải của một lần lấy mẫu ADC. Thiết bị vì thế không thể hiện rõ biến thiên đó ở cấp độ lượng tử đơn lẻ. Đây là minh họa trực tiếp cho hậu quả của việc dùng thang quá rộng khi cần quan sát tín hiệu nhỏ.
Độ phân giải bit tạo ra khác biệt gì?
Khi sử dụng cùng một khoảng đo, ADC có độ phân giải bit cao hơn cung cấp nhiều mức số hóa hơn. Theo ví dụ của OWON, tại cùng trường hợp thang 1000 V, ADC 12 bit cho độ phân giải khoảng 0,5 V, trong khi ADC 14 bit cho độ phân giải khoảng 0,125 V.
So với mức khoảng 3,9 V của ADC 9 bit trong ví dụ trên, các giá trị này cho thấy lợi ích của việc tăng số bit khi cần phân biệt chi tiết tín hiệu. Dòng máy hiện sóng XDS của OWON có các lựa chọn ADC 12 bit và 14 bit, hướng đến khả năng đo tín hiệu với độ phân giải cao hơn.
Dù vậy, độ phân giải bit cao không làm cho việc chọn thang đo trở nên không cần thiết. Khoảng đo vẫn phải được phân bổ trên số mức có sẵn của ADC. Vì thế, ngay cả khi thiết bị có nhiều bit, chọn thang gần với mức tín hiệu cần đo vẫn là nguyên tắc quan trọng.
Vì sao không nên giữ nguyên thang đo mặc định?
Một cài đặt mặc định có thể thuận tiện khi bắt đầu, nhưng không đảm bảo phù hợp với mọi tín hiệu. Nếu tín hiệu thực tế nhỏ hơn nhiều so với toàn bộ khoảng đo, phần lớn khả năng biểu diễn của ADC không được tận dụng cho vùng tín hiệu đang quan tâm.
Kết quả trên màn hình vẫn có thể có hình dạng hợp lý, khiến người dùng cho rằng phép đo đã đủ chính xác. Tuy nhiên, các thay đổi nhỏ có thể nằm dưới bước lượng tử tương ứng với thang đang chọn. Do đó, cần đánh giá thang đo dựa trên mức tín hiệu cụ thể thay vì chỉ dựa vào khả năng bao quát lớn nhất của thiết bị.
Nguyên tắc chọn thang đo phù hợp
Khi không cần đo một tín hiệu có biên độ lớn, không nên dùng thang quá rộng để đo tín hiệu nhỏ. Thay vào đó, hãy chọn thang gần hơn với mức tín hiệu đang được kiểm tra. Cách thiết lập này giúp tận dụng tốt hơn các mức số hóa của ADC và cải thiện khả năng nhận biết biến thiên.
Đối chiếu thang đo với tín hiệu
Trước khi đọc kết quả, cần xem xét tương quan giữa khoảng đo đã chọn và biên độ tín hiệu. Nếu khoảng đo lớn hơn nhiều so với tín hiệu, bước điện áp trên mỗi mức ADC cũng tăng theo. Chuyển sang một thang gần hơn sẽ làm giảm khoảng điện áp được phân bổ cho mỗi mức, với điều kiện độ phân giải ADC không đổi.
Quan tâm đến thay đổi nhỏ cần quan sát
Không chỉ biên độ tổng thể, mức biến thiên cần phát hiện cũng ảnh hưởng đến lựa chọn. Ví dụ về tín hiệu 11 V và thay đổi 1 V cho thấy một thang rộng với bước lượng tử khoảng 3,9 V không phù hợp để phân biệt biến thiên này ở một lần lấy mẫu.
Xem xét độ phân giải ADC
Khi so sánh thiết bị hoặc lựa chọn chế độ đo, số bit ADC là một yếu tố cần lưu ý. Trên cùng khoảng đo, ADC 12 bit hoặc 14 bit có nhiều mức lượng tử hơn ADC 9 bit. Tuy nhiên, cần đánh giá số bit cùng với thang đo thực tế thay vì xem đây là hai yếu tố tách rời.
Kết luận
Chọn thang đo phù hợp là bước quan trọng để khai thác hiệu quả khả năng số hóa của thiết bị đo. Thang quá lớn có thể làm tăng điện áp tương ứng với mỗi mức ADC, khiến các biến thiên nhỏ khó được phân biệt. Giải pháp là sử dụng thang gần với mức tín hiệu cần đo và đồng thời xem xét độ phân giải bit của ADC.
Ví dụ giữa ADC 9 bit, 12 bit và 14 bit cho thấy số mức lượng tử ảnh hưởng trực tiếp đến độ phân giải trên cùng một khoảng đo. Dòng XDS của OWON cung cấp thêm lựa chọn thang đo cùng các phiên bản ADC 12 bit và 14 bit, hỗ trợ người dùng lựa chọn cấu hình phù hợp hơn cho nhu cầu quan sát tín hiệu chi tiết.
