Tổng quan về Dao động ký số

2.2. Dao động kí Dao động ký là thiết bị hiển thị hình ảnh đơn giản một tín hiệu điện, nó bao gồm hai loại: tương tự và số. Ở chế độ đơn giản nhất dao động ký vẽ lại một đường nằm ngang, trải từ trái qua phải giữa màn hình, gọi là vết. Một bộ điều khiển gọi là điều khiển thời gian cơ bản (timebase) xác lập tốc độ vẽ, có đơn vị là giây trên độ chia (Time/Div). Một bộ điều khiển khác gọi là điều khiển phương đứng, xác lập thang lệch dọc được định cỡ là Vôn trên độ chia (V/Div). Kết quả vết biểu diễn hiệu điện thế theo thời gian, với sự kiện xảy ra trước nằm bên trái, sự kiện mới hơn ở bên phải. Nếu tín hiệu vào là tuần hoàn, thì vết gần ổn định có thể thu được bằng việc thiết đặt thời gian cơ bản phù hợp với tần số của tín hiệu vào. Ví dụ, nếu tín hiệu vào là dạng sine có tần số 50 Hz hay chu kì là 20 ms, thời gian cơ bản phải được điều chỉnh để khoảng thời gian giữa các xung quét ngang là 20 ms. Chế độ này được gọi là xung quét liên tục. Tuy nhiên, bộ thời gian cơ bản của dao động kí không hoàn toàn chính xác và tần số của hầu hết các tín hiệu là không hoàn toàn ổn định. Vì thế vết sẽ bị trôi trên mày hình làm việc đo đạc thêm khó khăn. Để các vết trở nên ổn định hơn, các dao động kí hiện đại có một chức năng gọi là trigger. Sự kiện trigger đồng bộ lại timebase cho tín hiệu vào, ngăn cản sự trôi ngang của tín hiệu. Trong phương pháp này trigger cho phép hiển thị chu kỳ các tín hiệu như dạng hình sine hay vuông. Các mạch trigger cũng cho phép hiển thị các tín hiệu không tuần hoàn như là các xung đơn hay các xung không lặp lại. 2.2.1. Hoạt Động Của Dao Động Ký 2.2.1.1. Dao động kí tương tự Hình 2.6 phía dưới biểu diễn sơ đồ khối một dao động kí tương tự. Theo đó, tín hiệu từ đầu dò được đưa vào bộ chia tỉ lệ theo chiều dọc (Vertical System). Tùy theo tín hiệu là mạnh hay yếu mà nó sẽ được làm suy giảm hay khuếch đại một cách thích hợp. Tiếp theo, tín hiệu một phần vào bản làm lệch ngang của ống cathode, một phần được đưa đến khối điều khiển trigger để tạo điểm bắt đầu cho xung quét ngang. Bộ phận trigger được điều chỉnh tốc độ quét ngang cho phù hợp với tốc độ biến đổi xung cần đo (điều chỉnh time/div). Nếu mất đồng bộ trigger hoặc mức trigger không phù hợp dạng sóng thu được trên màn sẽ không ổn định: bị trôi theo chiều ngang hoặc hoàn toàn biến mất. Hình 2.6: Sơ đồ khối của dao động kí tương tự Tần số của tín hiệu đo được bằng dao động kí tương tự bị giới hạn bởi ống phóng cathode. Tại tần số thấp, do có nhiều điện tử đập vào một điểm trong đơn vị thời gian nên dạng sóng sẽ sáng hơn. Khi tần số cao lên, vượt quá tốc độ hiển thị của CRT, dạng sóng sẽ tối, mờ không nhìn rõ. Chính do giới hạn này mà lại dao động kí analog cao nhất chỉ đo được tần số cỡ 1 GHz. 2.2.1.2. Dao động kí số Về cơ bản cấu tạo của các dao động ký số cũng giống như các dao động ký analog. Tuy nhiên, các dao động ký số có thêm một hệ thống xử lý tín hiệu (Acquisition System) hình 2.7. Khi nối đầu dò của nó với một mạch điện, hệ thống trục dọc sẽ điểu chỉnh hệ số khuếch đại tín hiệu tương tự như ở dao động ký tương tự. Tiếp theo, tại bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) sẽ thu được các mẫu tín hiệu là các điểm riêng biệt theo thời gian và hiệu điện thế của tín hiệu sẽ được số hóa. Hệ thống xung lấy mẫu trục ngang sẽ xác định tốc độ lấy mẫu và đơn vị đo là số mẫu/giây (S/s). Số các điểm lấy mẫu từ ADC sẽ được lưu trữ tại bộ nhớ như là các điểm dạng sóng. Mỗi một điểm mẫu sẽ tạo ra một điểm dạng sóng. Các điểm dạng sóng sẽ hợp thành một bản ghi dạng sóng. Số lượng các điểm dạng sóng dùng để tạo nên một bản ghi dạng sóng được gọi là độ dài bản ghi. Hệ thống trigger sẽ xác định các điểm bắt đầu và kết thúc của bản ghi. Bộ phận hiển thị sẽ nhận các bản ghi đó từ bộ nhớ của dao động ký. Tùy thuộc vào khả năng của dao động ký mà có thể có thêm phần xử lý các điểm mẫu để nâng cao chất lượng hiển thị. Hình 2.7: Sơ đồ khối của dao động kí số Như vậy về cơ bản, một dao động ký số cũng giống với một dao động ký analog ta cần điều chỉnh trục dọc, trục ngang, và thiết lập trigger cho mỗi phép đo. Ngày nay các dao động kí số được sử dụng rộng rãi vì những ưu thế vượt trội của nó so với dao động kí tương tự như về độ nhạy, độ chính xác, khả năng ghép nối với các thiết bị khác. 2.2.2. Các phương pháp lấy mẫu Dao động ký số thu thập các điểm mẫu như thế nào ? Với các tín hiệu thay đổi chậm, một dao động ký số dễ dàng thu thập đủ số điểm lấy mẫu để vẽ lên một đồ thị chính xác. Tuy nhiên với các tín hiệu thay đổi nhanh (so với tốc độ lấy mẫu tối đa của dao động ký) dao động ký có thể sẽ không lấy đủ số mẫu cần thiết. Dao động kí có hai phương pháp lấy mẫu: + Chế độ lấy mẫu thời gian thực: Nó có thể lấy một vài điểm của tín hiệu truyền qua rồi nội suy. (Nội suy là một kĩ thuật xử lí tín hiệu để dự đoán dạng của đường đồ thị theo một vài dạng cơ bản từ một số ít điểm). + Chế độ lấy mẫu thời gian tương đương: Nó sẽ xây dựng một đồ thị của dạng sóng theo thời gian, với điều kiện là tín hiệu phải lặp lại. 2.2.2.1. Lấy mẫu thời gian thực và nội suy Các dao động ký sử dụng lấy mẫu theo thời gian thực như là một phương pháp lấy mẫu chuẩn. Trong phương pháp này dao động ký thu thập càng nhiều điểm có thể được của tín hiệu xuất hiện (hình 2.8) rồi nội suy để tái tạo lại tín hiệu. Hình 2.8: Phương pháp lấy mẫu thời gian thực Nội suy tuyến tính đơn giản là nối các điểm mẫu lấy thành các đường thẳng. Nội suy hình sin là nối các điểm thành các đường cong (hình 2.9). Nội suy sin là một phương pháp toán học tương tự như phương pháp “oversampling” được dùng trong các đầu đĩa CD. (Trong việc xử lý tín hiệu, oversampling là việc lấy mẫu tín hiệu với một tần số lấy mẫu cao hơn hai lần băng thông hoặc tần số lớn nhất của tín hiệu được đã được lấy). Với việc nội suy hình sin, các điểm được tính toán để lấp đầy thời gian giữa các lần lấy mẫu thực. Sử dụng bộ xử lý, một tín hiệu được lấy mẫu chỉ một vài điểm trong mỗi chu kỳ có thể được hiển thị chính xác. Hình 2.9: Phương pháp lấy mẫu thời thực nội suy hình sin và tuyến tính 2.2.2.2. Lấy mẫu thời gian tương đương Một vài dao động ký số sử dụng phương pháp lấy mẫu thời gian tương đương để chụp lại các tín hiệu lặp lại rất nhanh. Chế độ lấy mẫu thời gian tương đương vẽ một đồ thị của tín hiệu lặp lại bởi việc chụp lại một ít thông tin trong mỗi lần lặp lại của tín hiệu. (hình 2.10). Hình vẽ chỉ ra dạng sóng xây dựng chậm như là một chuỗi theo từng điểm tới điểm. Vị trí điểm lấy mẫu là ngẫu nhiên và lần lượt từ trái qua phải tren đường dạng sóng tín hiệu. Hình 2.10: Phương pháp lấy mẫu thời gian tương đương 2.2.3. Dao động ký số nhớ Các dao động kí số được phân thành 3 loại: DSO (Digital Storage Oscilloscope) DPO (Digital Phosphor Oscilloscope) và DSa (Digital Samping Oscilloscope). Nguyên lý hoạt động và đặc điểm của mỗi loại có thể tham khảo tại [33], [34]. Ở phần dưới đây ta xét đến DSO là loại dao động kí số thông dụng và cũng là loại mà chúng tôi sử dụng trong hệ thu phổ mới. Dao động ký số nhớ là loại dao động ký cho phép “bắt” các sự kiện chỉ xảy ra một lần theo kiểu chụp ảnh (capture). Ngày nay nó thường được ưa thích trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp. DSO thay thế phương pháp nhớ không đáng tin cậy dùng trong dao động ký nhớ analog, bằng cách sử dụng bộ nhớ dữ liệu số được lưu trữ lâu dài mà không bị giảm phẩm chất. Nó cũng cho phép xử lý các tín hiệu phức tạp bởi các mạch xử lý tín hiệu số tốc độ cao. DSO rất hiệu quả trong phép đo tín hiệu là các xung có độ lặp lại thấp, hoặc trong các phép đo nhiều kênh [29]. Control Logic Pre Amp ADC Memory DAC CRT Trigger Detector Analogue Input Hình 2.11: Sơ đồ khối của DSO Tín hiệu vào, thay vì đi vào bộ khuếch đại dọc, nó qua bộ chuyển đổi tương tự số (ADC). Tại đây nó được số hóa và được lưu dữ vào bộ nhớ của một mạch vi xử lý. Tập hợp dữ liệu này sẽ được xử lý và gửi ra để hiển thị [31]. Các bộ DSO đầu tiên dùng một ống cathode nhưng ngày này thường là các màn hình LCD để hiển thị. Tập hợp dữ liệu có thể được gửi qua mạng LAN hay WAN để xử lý và lưu trữ. Hình ảnh hiển thị trên màn hình có thể ghi trực tiếp ra giấy thông qua máy in hay máy vẽ đồ thị mà không cần phải dùng camera dao động ký. Phần mền phân tích tín hiệu của dao động ký có thể trích các đoạn đồ thị, phổ tần số, các biểu đồ và các thống kê, lưu ảnh, và một số lớn các thông số có ý nghĩa cho các kĩ sư trong các lĩnh vực chuyên môn như truyền thông, điện tử và nghiên cứu. Các dao động ký số bị giới hạn bởi hoạt động của các mạch lối vào tương tự và tần số lấy mẫu. Thông thường thì tần số lấy mẫu tối thiểu là tốc độ Nyquist, bằng hai lần giá trị tần số cao nhất của tín hiệu quan sát được, để tránh sai số lấy mẫu. Bộ nhớ số của dao động ký cho phép nó có thể lấy mẫu theo thời gian tương đương (equivalent-time). Thay vì lấy liên tiếp các mẫu sau sự kiện trigger nó chỉ lấy duy nhất một mẫu. Dao động kí loại này có khả năng thay đổi timebase để chính xác thời gian lấy mẫu từ đó xây dựng lên bức tranh tín hiệu sau nhiều lần lặp lại. Điều này đòi hỏi phải có thêm một bộ xung nhịp nữa. Bộ này phải có tần số cao để dao động ký có tốc độ lấy mẫu cao và biên độ của nhiễu là thấp so với kiểu truyền thống là dao động ký lấy mẫu thời gian thực (real-time).