Khi dùng máy hiện sóng để kiểm tra tín hiệu trong sản xuất điện tử, người vận hành đôi khi nhận thấy biên độ hiển thị thấp hơn giá trị dự kiến. Đây không nhất thiết là dấu hiệu cho thấy tín hiệu đã suy giảm. Một nguyên nhân quan trọng cần xem xét là băng thông của máy hiện sóng so với tần số của tín hiệu đang đo.
Chẳng hạn, nếu dùng máy hiện sóng 100 MHz để đo một dạng sóng có tần số 100 MHz, biên độ hiển thị sẽ không còn giữ nguyên như biên độ thực. Để hiểu hiện tượng này, cần xem xét định nghĩa băng thông, điểm cắt -3 dB và cách máy xử lý các thành phần tần số trong dạng sóng.
Băng thông máy hiện sóng là gì?
Băng thông máy hiện sóng là băng thông tương tự của phần đầu vào tương tự. Thông số này trực tiếp xác định khả năng đo và hiển thị tín hiệu của thiết bị. Khi tần số tín hiệu tăng lên, khả năng tái hiện chính xác mức biên độ của máy hiện sóng sẽ giảm dần.
Về mặt định nghĩa, băng thông là tần số cao nhất tại đó biên độ của sóng sin do máy hiện sóng đo được không thấp hơn mức -3 dB so với biên độ thực. Mức -3 dB tương ứng khoảng 70,7% biên độ của tín hiệu sin ban đầu và còn được gọi là điểm cắt -3 dB.
Điều này có nghĩa là giá trị băng thông ghi trên máy không phải tần số mà thiết bị vẫn có thể đo biên độ với độ chính xác hoàn toàn. Nếu tần số sóng sin bằng đúng băng thông của máy hiện sóng có đáp ứng Gaussian, sai lệch biên độ có thể vào khoảng 30%.
Vì sao biên độ đo được thấp hơn giá trị thực?
Hệ thống đầu vào của máy hiện sóng không khuếch đại đồng đều mọi thành phần tần số. Khi tần số tiến gần hoặc vượt quá băng thông, tín hiệu sẽ bị suy hao. Kết quả là biên độ trên màn hình thấp hơn biên độ thực, ngay cả khi giá trị tần số đo được vẫn phù hợp.
Ví dụ, khi dùng máy hiện sóng 100 MHz để đo tín hiệu sin 100 MHz có biên độ 1 Vpp, dạng sóng hiển thị có thể vẫn mang tần số 100 MHz nhưng biên độ chỉ còn 0,707 Vpp. Đây là hệ quả của việc tín hiệu nằm đúng tại điểm cắt -3 dB của máy.
Trường hợp trên áp dụng cho sóng sin. Trong thực tế, nhiều dạng sóng phức tạp được hình thành từ nhiều thành phần hài dạng sin ở các tần số khác nhau. Một dạng sóng có tần số cơ bản nằm trong phạm vi băng thông vẫn có thể chứa các thành phần hài cao hơn đáng kể.
Nếu băng thông không đủ, các thành phần hài này có thể bị chặn hoặc suy giảm. Dạng sóng hiển thị khi đó có thể bị biến dạng biên độ, mất cạnh và thiếu dữ liệu chi tiết. Những đặc điểm tín hiệu liên quan đến dao động hoặc âm sắc cũng có thể không còn giá trị tham chiếu phù hợp.
Cách ước tính băng thông cần thiết
Để giảm sai số khi đo, tần số tín hiệu cần thấp hơn đáng kể so với băng thông của máy hiện sóng. Một quy tắc thường được sử dụng là chọn băng thông thiết bị bằng năm lần tần số cao nhất cần đo:
Băng thông cần thiết của máy hiện sóng = tần số cao nhất của tín hiệu × 5
Quy tắc này giúp tránh việc lựa chọn máy chỉ có băng thông bằng đúng tần số tín hiệu. Khi yêu cầu sai số biên độ khoảng 3%, tần số đo phải thấp hơn nhiều so với giới hạn băng thông. Đối với dạng sóng phức tạp, cần quan tâm đến tần số của các thành phần hài chứ không chỉ nhìn vào tần số cơ bản.
Khi nào nên dùng toàn bộ băng thông?
Khi đo tín hiệu tần số cao, nên sử dụng toàn bộ băng thông để hạn chế suy hao các thành phần cần quan sát. Ví dụ, khi kiểm tra tinh thể 27 MHz, việc bật giới hạn băng thông 20 MHz sẽ làm dạng sóng bị biến dạng. Kết quả đo trong trường hợp đó không còn phản ánh phù hợp tín hiệu cần kiểm tra.
Do đó, trước khi đo cần kiểm tra xem chế độ giới hạn băng thông có đang được kích hoạt hay không. Nếu giới hạn đặt thấp hơn tần số tín hiệu, thiết bị sẽ chủ động lọc bớt thành phần tần số cao và làm giảm biên độ hoặc thay đổi hình dạng sóng.
Khi nào nên bật giới hạn băng thông?
Giới hạn băng thông không phải lúc nào cũng gây bất lợi. Khi đo tín hiệu tần số thấp, chế độ này có thể được sử dụng để lọc nhiễu tần số cao, nhờ đó dạng sóng hiển thị rõ ràng hơn. Việc bật hay tắt giới hạn cần dựa trên dải tần của tín hiệu cần quan sát.
Nguyên tắc thực tế là sử dụng toàn bộ băng thông cho tín hiệu tần số cao hoặc khi cần giữ lại các thành phần hài. Với tín hiệu tần số thấp, có thể bật giới hạn băng thông nếu mục tiêu là giảm ảnh hưởng của nhiễu cao tần.
Mối liên hệ giữa băng thông và thời gian lên
Ngoài biên độ, băng thông còn liên quan trực tiếp đến khả năng quan sát cạnh chuyển mức của tín hiệu. Thời gian lên thường được định nghĩa là khoảng thời gian biên độ thay đổi từ 10% lên 90% giá trị ổn định cực đại.
Đối với máy hiện sóng có băng thông dưới 1 GHz và theo mô hình Gaussian bậc nhất, thời gian lên có thể được ước tính bằng công thức:
RT = 0,35 / BW
Trong đó, RT là thời gian lên và BW là băng thông. Hệ số 0,35 thể hiện mối liên hệ giữa băng thông với thời gian lên từ 10% đến 90%. Ví dụ, máy hiện sóng có băng thông 200 MHz cho thời gian lên tính toán là 1,75 ns. Đây là thời gian lên tối thiểu có thể quan sát theo công thức trên.
Kết luận
Biên độ đo thấp hơn giá trị thực thường xuất hiện khi tần số tín hiệu tiến gần băng thông của máy hiện sóng hoặc khi giới hạn băng thông được đặt quá thấp. Tại điểm cắt -3 dB, biên độ sóng sin hiển thị chỉ còn khoảng 70,7% giá trị thực.
Để thu được kết quả có ý nghĩa, cần chọn băng thông cao hơn đáng kể tần số lớn nhất của tín hiệu, cân nhắc các thành phần hài và sử dụng đúng chế độ giới hạn băng thông. Đồng thời, mối liên hệ giữa băng thông và thời gian lên cũng cần được xem xét khi kiểm tra các cạnh chuyển mức nhanh trong mạch điện tử.
