Giới thiệu về Máy hiện sóng/Oscilloscope

361

Khai niệm Máy hiện sóng

Máy hiện sóng được biết đến như là một dụng cụ để đo đạc, có chức năng ghi nhận và biểu diễn biến đổi của các tín hiệu điện qua thời gian dưới dạng đồ thị. Trên đồ thị này, trục X thể hiện thời gian còn trục Y minh họa cho điện áp của tín hiệu. Đôi khi, trục Z cũng được đưa vào để biểu diễn độ sáng trên một số loại máy hiện sóng.

Những thiết bị dao động ký điện tử hiện đại ngày nay được trang bị các nút vặn để bạn dễ dàng tinh chỉnh và quan sát biểu đồ, đồng thời phân tích dữ liệu một cách chính xác nhất. Bên cạnh đó, máy hiện sóng đã tích hợp sẵn chế độ trigger giúp người dùng cố định và tập trung quan sát vào màn hình tín hiệu cụ thể mà không gặp khó khăn.

Hiện nay, có đa dạng các loại máy hiện sóng nổi bật như: máy hiện sóng kỹ thuật số, máy hiện sóng analog, máy hiện sóng di động, máy hiện sóng được kết nối với máy tính, máy hiện sóng kiểu bút, máy hiện sóng USB và nhiều loại khác, đáp ứng mọi yêu cầu sử dụng của người dùng.

Chức năng của máy hiện sóng

Máy hiện sóng không chỉ dừng lại ở các chức năng cơ bản mà còn được tích hợp hàng loạt tính năng tiện ích khác giúp phát hiện nhanh chóng tần số, biên độ và nhiều đặc tính khác của sóng tín hiệu. Thông qua máy hiện sóng, các thông số kỹ thuật liên quan đến thời gian và điện áp của các thiết bị điện tử có thể được đo lường một cách dễ dàng.

Đặc tính thời gian

Định nghĩa về Tần số và Chu kỳ: Tần số được hiểu là số chu kỳ dạng sóng xảy ra trong một giây. Chu kỳ là khoảng thời gian một chu kỳ sóng diễn ra. Mỗi loại Oscilloscope có khả năng đo tần số tối đa khác biệt và ở các thiết bị hiện đại ngày nay có thể lên đến hàng GHz.

Tính chất của Chu kỳ xung: Đây là tỷ lệ phần trăm mô tả thời lượng one dạng sóng chiếm với mức điện áp dương hoặc âm. Thông qua tuân suất chu kỳ xung, người ta có thể hiểu rõ hơn về thời điểm tín hiệu nằm ở mức vị thế tích cực hoặc tiêu cực.

Quãng thời gian tăng và giảm của dạng sóng: Không phải lúc nào tín hiệu cũng tăng từ 0V lên 5V ngay lập tức, mà nó cần một khoảng thời gian để điều chỉnh. Khoảng thời gian sóng từ mức thấp tăng lên mức cao gọi là thời gian tăng (Rise time) và ngược lại là thời gian giảm (Fall time) của dạng sóng. Những thuộc tính này vô cùng cần thiết để đánh giá và phân tích tốc độ phản hồi của mạch điện với tín hiệu.

Đặc tính về điện áp

Amplitude hay Biên độ: Độ lớn của tín hiệu được đo lường qua biên độ. Oscilloscope tích hợp nhiều loại đo như peak-to-peak, cho phép bạn phân tích mức chênh lệch giữa điện áp cao nhất và thấp nhất.

Điểm điện áp cực đại và cực tiểu: Nhờ máy đo hiện sóng, người dùng có thể dễ dàng nhận biết giá trị điện áp cao nhất và thấp nhất của tín hiệu.

Tính giá trị trung bình điện áp: Thông qua việc phân tích các giá trị điện áp nhất định, thiết bị có thể tính giá trị trung bình điện áp.

Thời điểm cần thiết sử dụng máy hiện sóng

Máy hiện sóng rất có ích khi đối mặt với việc xử lý sự cố hoặc trong quá trình nghiên cứu, sửa chữa mảng điện tử hoặc viễn thông, nó hỗ trợ người dùng:

• Lập bản đồ tần số và biên độ của tín hiệu, quan trọng trong việc phát hiện lỗi tại ngõ vào, ngõ ra hay trong hệ thống điện. Việc xác dịnh được những điểm bất thường giúp ta phân tích sâu hơn về vị trí gặp sự cố trong mạch và từ đó đưa ra hướng khắc phục phù hợp.
• Định vị tín hiệu nhiễu trong mạch.
• Xác định dạng sóng như sóng sin, sóng vuông, sóng tam giác, sóng răng cưa hoặc dạng phức tạp.
• Đo lường sự lệch pha giữa hai tín hiệu không giống nhau.
• Chỉ ra yếu tố gây méo tín hiệu.

Sự dụng thực tiễn của máy hiện sóng

Ứng dụng đa dạng của máy hiện sóng trong nhiều lĩnh vực

• Tại ngành điện tử và viễn thông:
  
  – Trong lĩnh vực viễn thông, máy hiện sóng hỗ trợ trong việc nhận biết và xử lý tín hiệu, tính toán tần số, hiển thị tín hiệu điện tử và cung cấp báo cáo chính xác để nghiên cứu dạng sóng.
  
  – Về mặt điện tử, máy hiện sóng giúp phát hiện ra các dao động không ổn định xuất phát từ các thiết bị điện, giúp tiến hành sửa chữa kịp thời và hiệu quả.
• Trong lĩnh vực giáo dục: Máy hiện sóng đóng vai trò không thể thiếu trong việc huấn luyện và giảng dạy, đặc biệt là trong những ngành liên quan đến điện và điện tử. Oscilloscope giúp học viên hình thành hình ảnh về các loại tín hiệu, phát hiện hiện tượng méo tín hiệu và nhiễu, đồng thời đo lường các thông số của điện năng, từ đó hỗ trợ quá trình tìm việc làm sau này.
• Ứng dụng trong ngành y tế: Được trang bị cảm biến thích hợp, máy hiện sóng còn có thể sử dụng để đo điện não đồ và điện tim đồ, trở thành thiết bị quan trọng trong việc chẩn đoán và điều trị.
• Trong việc kiểm tra, bảo trì và sửa chữa: Đối với các thiết bị điện và xe hơi…

Giải đáp về các thông số kỹ thuật crucial của máy hiện sóng

Để quen thuộc và sử dụng thành thạo máy hiện sóng, bạn cần nắm bắt được các thuật ngữ và thông số kỹ thuật chủ chốt của thiết bị này. Bên dưới, bạn sẽ được giới thiệu một số thuật ngữ liên quan đến dao động ký, giúp bạn hiểu rõ hơn về xe]’rịu máy hiện sóng.

Băng thông (Bandwidth): Là phạm vi tần số mà máy hiện sóng có khả năng đo lường chính xác. Mỗi máy sẽ có băng thông đo khác nhau, tùy vào đặc điểm của từng thiết bị.
Ví dụ: Sản phẩm máy hiện sóng Siglent SDS1052DL+ có băng thông là 50MHz cho phép bạn điều tra và phân tích các tín hiệu với tần số đến 50MHz.

Kỹ thuật số và tương tự (Digital and Analog): Giống như nhiều thiết bị điện tử khác, Oscilloscope cũng gồm có hai loại là máy hiện sóng kỹ thuật số và máy hiện sóng tương tự.
– Máy tương tự sử dụng chùm electron để biểu thị trực tiếp các tín hiệu điện áp đầu vào lên màn hình.
– Còn đối với máy kỹ thuật số, thông qua bộ vi xử lý và bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự ra kỹ thuật số, tín hiệu được lấy mẫu và sau đó hiển thị trên màn hình.

Thay vì sử dụng phương pháp chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang số như các thiết bị kỹ thuật số, máy hiện sóng tương tự hiển thị tín hiệu dưới dạng biểu đồ trực quan trên màn hình. Máy hiện sóng loại này thường thuộc thế hệ cũ và không sánh kịp về độ phủ băng thông cũng như tính năng so với các oscilloscope kỹ thuật số hiện đại, thêm vào đó giá của chúng cũng cao hơn đôi chút.

Tuy nhiên, dòng máy hiện sóng tương tự lại có ưu điểm về tốc độ thu nhận và xử lý tín hiệu, vượt trội hơn so với dòng digital giống như sự khác biệt giữa đồng hồ vạn năng kim (analog) và đồng hồ vạn năng điện tử.

Số lượng kênh đo (Channel): Máy hiện sóng có khả năng cùng lúc ghi nhận nhiều tín hiệu và hiển thị song song trên một màn hình. Chức năng này phát huy hiệu quả trong việc phân tích và so sánh một lúc nhiều tín hiệu, đặc biệt hữu ích khi quan sát và so sánh hiệu suất của thiết bị trong trạng thái hoạt động bình thường và khi gặp sự cố để tìm ra lỗi trục trặc.

Đối với các máy hiện sóng, loại có từ hai đến bốn kênh là thông dụng và được ưa chuộng nhất, nhưng cho những ứng dụng đòi hỏi chuyên môn cao, bạn có thể chọn thêm 8 hoặc 16 kênh kỹ thuật số (MSO), thường thấy trong các loại máy đắt tiền hơn.

Tốc độ lấy mẫu (Sampling Rate): Đây là thông tin chỉ ra bao nhiêu lần máy đọc được tín hiệu trong một giây. Trong trường hợp máy hiện sóng nhiều kênh, tốc độ này sẽ giảm nếu bạn dùng cùng lúc nhiều kênh.

Ví dụ: Dao động ký Siglent SDS1102X+ có tốc độ lấy mẫu là 1GSa/s với hai kênh đo. Nếu cả hai kênh cùng làm việc, tốc độ lấy mẫu sẽ được chia đôi, giảm xuống còn 500MSa/s cho mỗi kênh.

Thời gian tăng cạnh (Rise time): Đây là thông số miêu tả khả năng của máy trong việc tăng tốc cho cạnh của dạng sóng. Thời gian tăng cạnh càng thấp, sóng thu về sẽ có dốc càng cao. Nếu Rise time = 0 thì sóng tín hiệu sẽ là hình vuông. Thời gian tăng cạnh cũng liên quan chặt chẽ với băng thông, và có thể được tính theo công thức Rise Time = 0.35 / Băng thông.

Điện áp đầu vào tối đa (Maximum Input Voltage): Ngưỡng điện áp mà một linh kiện điện tử có thể chịu đựng, nếu vượt quá ngưỡng này có thể gây hư hại thiết bị. Khía cạnh này cần được chú ý không chỉ với oscilloscopes mà với tất cả các thiết bị điện.

Độ phân giải (Resolution): Đây là khả năng hiển thị mức điện áp đầu vào của máy hiện sóng. Độ phân giải càng cao giúp việc quan sát đường sóng được rõ ràng hơn. Bạn có thể tinh chỉnh độ phân giải dọc để theo dõi chênh lệch điện áp một cách tốt hơn.

Độ nhạy dọc (Vertical Sensitivity): Thông số này cho thấy giới hạn điện áp đầu vào nhỏ nhất và lớn nhất mà trục dọc máy hiện sóng có thể thể hiện, thường được đo bằng Volts / Div.

Độ nhạy ngang (Horizontal Sensitivity / Timebase): Đây là thông số đặc trưng cho trục thời gian, biểu thị bằng số giây trên mỗi div.

Trở kháng đầu vào (Input Impedance): Trở kháng xuất hiện trong quá trình đo có thể làm ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo, đặc biệt với các tín hiệu có tần số cao. Oscilloscope có khả năng tích hợp một điện trở vào mạch tín hiệu đo lường, và trở kháng này thường được hiển thị dưới dạng một điện trở lớn hơn 1MΩ kết hợp với một điện dung nhỏ tính bằng pF. Để giảm thiểu ảnh hưởng của trở kháng này, người ta thường sử dụng que đo chất lượng cao.

Ví dụ đọc thông số kỹ thuật máy hiện sóng

Bảng thông số kỹ thuật của dao động ký SDS1102X+arinssa dưới đây.

Bạn có thể áp dụng kiến thức đã học về dòng máy hiện sóng cỡ trung của Siglent thông qua bảng sau:

Đặc tính kỹ thuật	Chỉ số
Băng thông dải tần	100 MHz
Tốc độ chụp mẫu	1 GSa/s cho 1 kênh – 500MSa/s cho 2 kênh
Thời gian leo dốc	1,8 ns
Số lượng kênh nhận	2 kênh
Điện áp nhập cực đại	400V
Độ phân giải A/D	8 bit
Độ nhạy theo trục dọc	500 μV/mỗi phần chia – 10 V/mỗi phần chia
Độ nhạy theo trục ngang	1.0 ns/phần chia-100 s/phần chia
Trở kháng ở cổng vào	DC: (1 MΩ±2%) || (18 pF ±2 pF)

Nắm vững các thông số này, tùy vào ứng dụng cụ thể của các thiết bị bạn đang sử dụng trong công việc sửa chữa và kiểm tra, bạn sẽ có thể lựa chọn máy hiện sóng thích hợp cho nghiên cứu, kiểm tra và sửa chữa của mình.

Que đo dùng cho máy hiện sóng

Máy hiện sóng chỉ có khả năng hoạt động sau khi đã được nối với tín hiệu cần đo, đòi hỏi phải có que đo (probe). Que đo là thiết bị ở phía đầu vào, truyền tín hiệu từ mạch điện đến máy hiện sóng. Với hình dạng là một đầu nhọn, que đo giúp bạn kiểm tra các điểm cụ thể trên mạch. Qua thời gian, các đầu do đã được thiết kế ra dạng móc hoặc kẹp, giúp công việc kiểm tra trở nên tiện lợi hơn. Đối với từng que đo có một kẹp nối đất riêng, điểm này cần được kết nối đúng cách với điểm nối đất của mạch đang kiểm tra.

Mặc dù trông có vẻ như một thiết bị đơn giản chỉ cần kết nối với dòng kit dao động và gắn vào mạch để tiến hành đo, trên thực tế có nhiều kiểu thiết kế đầu do khác nhau để lựa chọn.

Loại que đo phổ thông nhất là que đo thụ động (passive probe) mà bạn thường tìm thấy đi kèm với máy. Đa số que đo này có đặc tính suy giảm tín hiệu. Khi nói đến điện trở trên phần lớn các que đo, chúng thường có giá trị 9MΩ. Trong khi đó, trở kháng chuẩn của máy hiện sóng là 1MΩ, vì thế nó tạo nên một mạch chia điện áp 1/10. Đây là lý do tại sao các đầu do này thường được gọi là que đo suy giảm 10X. Các que đo hiện đại thường tích hợp công tắc để chuyển đổi giữa chế độ suy giảm 10X và không suy giảm 1X.

Que đo suy hao thường được sử dụng khi cần đo tín hiệu ở tần số cao để tăng cường độ chính xác, dù nó có thể làm giảm biên độ của tín hiệu đang đo. Trái lại, nếu cần đo tín hiệu có điện áp thấp, que đo 1X (không suy hao) nên được sử dụng.

Những que đo chủ động (Active probe) cần nguồn điện riêng để hoạt động là một lựa chọn khác, ngoài việc đi kèm máy. Loại que đo này hoạt động bằng cách khuếch đại hoặc thậm chí xử lý tín hiệu trước khi truyền đến oscilloscope. Mặc dù đa phần các que đo thụ động được thiết kế theo cách truyền thống…

Nếu muốn đo điện áp trong một mạch, que đo chủ động này được chế tạo đặc biệt để thực hiện việc đo điện áp xoay chiều (AC) hoặc một chiều (DC).

Kế tiếp là que đo dòng điện được sử dụng để đo dòng điện. Loại que đo này đặc biệt ở chỗ không cần tiếp xúc trực tiếp với mạch cần đo, mà chỉ cần kẹp xung quanh dây dẫn.

Chú ý: Khi dùng máy hiện sóng để đo những tín hiệu với tần số cao hay điện áp lớn, hãy chắc chắn sử dụng que đo cao áp hoặc que đo chất lượng cao để bảo đảm an toàn cho người dùng.

Những bước cài đặt ban đầu khi sử dụng máy dao động ký

Chọn lựa và cài đặt que đo

Hãy bắt đầu bằng việc lựa chọn que đo phù hợp hoặc que đo bạn hay sử dụng. Que đo thụ động đi kèm theo máy thường đáp ứng tốt cho nhiều loại tín hiệu.

Sau đó, hãy kết nối que đo với máy dao động ký và cài đặt tỷ lệ suy hao trên que đo, thường là ở mức 10X – mức thích hợp nhất. Để đo tín hiệu có điện áp thấp, hãy cài đặt que đo ở mức 1X.

Kết nối que đo và khởi động máy

Hãy gắn đầu dò vào kênh mà bạn muốn đo (kênh 1 hoặc kênh 2) rồi bật máy. Các máy dao động ký cũ thường mất nhiều thời gian để khởi động.

Khi máy bắt đầu làm việc, một đường tín hiệu biểu hiện dạng sóng sẽ hiện lên (có thể là tín hiệu không ổn định hay nhiễu).

Lúc này, bạn cần tiến hành cài đặt cơ bản để điều chỉnh máy dao động ký về trạng thái vận hành chuẩn.

• Tắt cả hai kênh
• Cài đặt Coupling cho kênh 1 ở chế độ DC
• Chọn kênh 1 làm nguồn cho Trigger
• Chọn Trigger Type là Rising edge và Trigger Mode ở Auto (trái ngược với Single)
• Xác định rõ phạm vi suy giảm của que đo phù hợp cho phép đo của bạn (10X, 1X)

Hoặc bạn có thể tham khảo sách hướng dẫn đi kèm để hiểu rõ hơn về cách thiết lập thiết bị.

Kiểm định que đo

Trước khi sử dụng máy dao động ký, việc kiểm tra que đo là quan trọng. Phần lớn các thiết bị đều có bộ phát tần số giúp bạn kiểm tra que đo cũng như màn hình và hiệu suất hoạt động của máy. Có một cổng kết nối dành cho que đo và một kẹp nối đất trong bộ phát này.

Sau khi ghép nối que đo với các thành phần trên, bạn sẽ thấy tín hiệu hiển thị trên màn hình. Bây giờ, hãy dùng các nút điều chỉnh trục dọc và ngang để tinh chỉnh tín hiệu.

Khi xoay núm điều chỉnh theo chiều kim đồng hồ, tín hiệu sẽ được phóng đại, và ngược lại khi xoay ngược chiều. Điều chỉnh cho phù hợp với mục đích phân tích của bạn.

Nếu sóng còn chưa ổn định, hãy tiếp tục xoay núm điều khiển vị trí Trigger và đảm bảo đã đặt đúng vị trí.

Mức Trigger sẽ không vượt qua giá trị cực đại của tín hiệu đang được phân tích. Thông thường, chế độ Trigger Type trong các máy hiện sóng sẽ được thiết lập ở chế độ Edge, đây là lựa chọn lý tưởng để đo các sóng hình vuông.

Phục hồi suy giảm của que đo

Khi mới bắt đầu sử dụng máy hiện sóng, ta cần ưu tiên chỉnh lại suy giảm của que đo.

Nếu bạn đặt que đo ở chế độ 10X ngay từ đầu, sóng vuông không thể nào hoàn hảo được. Sóng tín hiệu sẽ có dạng méo mó và bạn sẽ cần chỉnh lại sử dụng vít đi kèm trên que đo.

Trong tình huống sóng tín hiệu chưa đạt hình dạng vuông vắn, hãy tiến hành điều chỉnh bằng cách xoay vít trên que đo cho đến khi tín hiệu của bạn trở nên hoàn toàn vuông vức.

Bí kíp cố định Trigger và chia tỉ lệ tín hiệu

Lúc đã đặt suy giảm cho que đo xong xuôi, việc kế tiếp là chọn một tín hiệu thực tế để bắt đầu quá trình đo lường. Bạn có thể kiểm nghiệm tín hiệu qua máy phát xung hay các mạch điện tử.

Việc đầu tiên để truy bắt tín hiệu chính là xác định một điểm nối đất ổn định. Hãy gắn kẹp nối đất vào vị trí đã được chuẩn bị từ trước (có thể dùng dây nhỏ, dẻo để cầu nối giữa kẹp của que đo và nối đất của mạch điện).

Sau cùng, kết nối que đo với tín hiệu bạn muốn thẩm định.

Thiết kế của đầu móc có que đo rất đa dạng, gồm có loại móc và loại nhọn, chẳng hạn. Hãy lựa chọn mô hình phù hợp nhất với công việc, để bạn không cần phải luôn giữ que đo khi đang đo lường. Điều này giúp bạn có thể tự do chuẩn bị những công việc khác.

Sau khi thiết lập mọi kết nối thành công, tín hiệu sẽ hiển thị trên màn hình và bạn có thể tiến hành điều chỉnh các thông số cho trục ngang và trục dọc sao cho chúng tương đương hoặc gần với giá trị ước lượng “ballpark” của tín hiệu.

Ball park có nghĩa là đưa ra một ước lượng gần với số liệu thực tế.

Chẳng hạn, khi bạn đo một tín hiệu sóng vuông có giá trị 5V, 1kHz, bạn nên điểu chỉnh vùng volts/div tầm khoảng 0,5 – 1V và s/div thì cài đặt ở mức khoảng 100µs.

Nếu sóng tín hiệu quan sát được không nằm gọn trong khuôn khổ hiển thị của màn hình, hãy thay đổi độ phân giải dọc (Vertical position) để đưa sóng đi lên hoặc xuống. Khi tín hiệu đo là DC thuần túy, bạn có khả năng điều chỉnh điểm 0V vể phía cuối màn hình.

Sau khi đã đặt được độ phân giải cần thiết, bước tiếp theo sẽ là sử dụng Trigger. Việc kích hoạt bằng cạnh – Edge Triggering – nơi dao động ký thực hiện quét khi chứng kiến điện áp tăng hay giảm qua một ngưỡng nhất định – là một trong những phương pháp trigger hiệu quả nhất. Hãy thử dùng trigger edge để nắm bắt những sóng không ổn định để phân tích so với tín hiệu chuẩn.

Bạn cần tiếp tục điều chỉnh tỷ lệ sóng, vị trí và kích hoạt cho đến khi có thể nhìn thấy toàn bộ các hiện tượng (kể cả tín hiệu bất thường, lỗi) bạn cần quan sát.

Bài viết trên đây hướng dẫn những kiến thức cơ bản nhất cho người mới làm quen với oscilloscope. Tùy theo công việc cụ thể, cách sử dụng có thể khác biệt, tôi sẽ tiếp tục cung cấp thông tin trong các bài viết sau. Cám ơn mọi người đã theo dõi!