Dao động ký (Oscilloscope)

Nguyên lý hoạt động

Dao động ký hoạt động dựa trên nguyên lý làm lệch chùm tia điện tử trong ống tia catốt (CRT) hoặc hiển thị trên màn hình LCD/OLED. Tín hiệu điện áp cần đo được đưa vào bộ khuếch đại dọc. Điện áp này làm lệch chùm tia điện tử theo chiều dọc, biên độ của tín hiệu càng lớn thì độ lệch càng cao. Đồng thời, một điện áp “quét ngang” (thường là một sóng răng cưa) được tạo ra bên trong dao động ký và được đưa vào bộ khuếch đại ngang. Điện áp này làm lệch chùm tia điện tử theo chiều ngang với tốc độ không đổi, tạo ra một đường quét ngang trên màn hình. Sự kết hợp của chuyển động dọc (do tín hiệu đầu vào) và chuyển động ngang (do điện áp quét ngang) tạo ra hình ảnh của dạng sóng trên màn hình. Như vậy, trục tung của đồ thị biểu diễn điện áp ($V$) và trục hoành biểu diễn thời gian ($t$).

Các thành phần chính

• Ống tia catốt (CRT) hoặc màn hình LCD/OLED: Hiển thị dạng sóng. Ống tia catốt là công nghệ cũ, trong khi LCD và OLED là công nghệ mới hơn, cho hình ảnh sắc nét và tiêu thụ ít điện năng hơn.
• Bộ khuếch đại dọc: Khuếch đại tín hiệu đầu vào để hiển thị rõ ràng hơn. Bộ khuếch đại này cho phép điều chỉnh biên độ hiển thị của tín hiệu trên màn hình.
• Bộ khuếch đại ngang: Điều khiển quét ngang của chùm tia điện tử (đối với CRT) hoặc của tín hiệu trên màn hình (đối với LCD/OLED).
• Bộ tạo sóng răng cưa (Time base): Tạo ra điện áp quét ngang, quyết định tốc độ quét của tín hiệu trên màn hình.
• Bộ kích hoạt (Trigger): Đồng bộ hóa tín hiệu đầu vào với quét ngang, cho phép hiển thị ổn định của các dạng sóng lặp lại. Nếu không có bộ kích hoạt, dạng sóng có thể bị trôi trên màn hình, gây khó khăn cho việc quan sát.
• Các núm điều khiển: Điều chỉnh các thông số như độ nhạy dọc (V/div), tốc độ quét ngang (s/div), vị trí dọc và ngang, chế độ kích hoạt…

Các thông số quan trọng

• Băng thông (Bandwidth): Tần số tối đa mà dao động ký có thể đo chính xác. Ví dụ, băng thông 100 MHz nghĩa là dao động ký có thể đo chính xác các tín hiệu có tần số lên đến 100 MHz. Tín hiệu có tần số cao hơn băng thông sẽ bị suy giảm và hiển thị không chính xác.
• Tốc độ lấy mẫu (Sample Rate): Số lượng mẫu tín hiệu được lấy mỗi giây. Tốc độ lấy mẫu càng cao, dạng sóng được hiển thị càng chi tiết. Tốc độ lấy mẫu thường được biểu thị bằng đơn vị mẫu trên giây (S/s hoặc Sa/s), ví dụ: 1 GS/s (1 tỉ mẫu trên giây). Theo định lý Nyquist, tốc độ lấy mẫu phải ít nhất gấp đôi tần số cao nhất của tín hiệu cần đo để tránh hiện tượng aliasing (méo dạng sóng).
• Độ nhạy dọc (Vertical Sensitivity): Điện áp trên mỗi vạch chia trên màn hình theo chiều dọc. Ví dụ, độ nhạy 1V/div nghĩa là mỗi vạch chia trên màn hình tương ứng với 1V. Độ nhạy dọc càng nhỏ, dao động ký càng có thể hiển thị các tín hiệu có biên độ nhỏ.
• Tốc độ quét ngang (Horizontal Sweep Speed/Time base): Thời gian mà chùm tia điện tử quét hết màn hình theo chiều ngang (hoặc thời gian tương ứng với một vạch chia trên trục thời gian). Ví dụ, 1ms/div nghĩa là mỗi vạch chia trên màn hình tương ứng với 1ms.
• Độ sâu bộ nhớ (Memory Depth): Số lượng điểm dữ liệu mà dao động ký có thể lưu trữ. Độ sâu bộ nhớ càng lớn, dao động ký có thể ghi lại được khoảng thời gian dài hơn của tín hiệu với độ chi tiết cao.

Ứng dụng

Dao động ký được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Điện tử: Kiểm tra và sửa chữa các mạch điện tử, đo lường các thông số tín hiệu như biên độ, tần số, chu kỳ, độ rộng xung, thời gian lên/xuống…
• Viễn thông: Phân tích tín hiệu truyền thông, đo lường chất lượng tín hiệu, kiểm tra các thiết bị viễn thông.
• Y sinh: Đo lường các tín hiệu sinh học như điện tim đồ (ECG), điện não đồ (EEG), điện cơ đồ (EMG)…
• Ô tô: Chẩn đoán các hệ thống điện tử trong ô tô, kiểm tra các cảm biến, bộ điều khiển động cơ (ECU)…
• Nghiên cứu và phát triển (R&D): Phân tích các hiện tượng vật lý, kiểm tra các nguyên mẫu thiết bị…
• Giáo dục: Giảng dạy và học tập về điện tử, tín hiệu và hệ thống.

Các loại dao động ký

• Dao động ký analog: Sử dụng ống tia catốt (CRT) để hiển thị dạng sóng. Loại này có ưu điểm là giá thành rẻ, đáp ứng thời gian thực tốt, nhưng độ chính xác và tính năng hạn chế hơn so với dao động ký số.
• Dao động ký số (DSO): Sử dụng màn hình LCD/OLED và kỹ thuật số hóa tín hiệu để lưu trữ và phân tích. Dao động ký số có nhiều tính năng, độ chính xác cao, khả năng lưu trữ và xử lý tín hiệu mạnh mẽ.
• Dao động ký hỗn hợp (MSO – Mixed Signal Oscilloscope): Kết hợp các kênh tương tự của dao động ký thông thường với các kênh logic của máy phân tích logic. MSO cho phép quan sát đồng thời cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số, rất hữu ích trong việc kiểm tra và gỡ lỗi các hệ thống nhúng.
• Dao động ký lấy mẫu (Sampling Oscilloscope): Sử dụng kỹ thuật lấy mẫu để đo các tín hiệu có tần số rất cao, vượt quá băng thông của dao động ký thông thường.
• Dao động ký cầm tay: Thiết kế nhỏ gọn, có thể mang đi hiện trường, thích hợp cho các ứng dụng di động.

Dao động ký số (DSO) hiện nay phổ biến hơn do tính năng phong phú, kích thước nhỏ gọn và khả năng lưu trữ dữ liệu.

Ví dụ, để tính tần số ($f$) của một tín hiệu từ chu kỳ ($T$) hiển thị trên dao động ký, ta dùng công thức: $f = \frac{1}{T}$. Nếu chu kỳ đo được là 2ms, tần số sẽ là $f = \frac{1}{0.002} = 500$ Hz.

Các tính năng nâng cao của dao động ký số (DSO)

Bên cạnh các chức năng cơ bản, dao động ký số còn cung cấp nhiều tính năng nâng cao giúp cho việc phân tích tín hiệu trở nên mạnh mẽ hơn:

• Lưu trữ dạng sóng: DSO có thể lưu trữ dạng sóng để phân tích sau này, so sánh với các dạng sóng khác, hoặc xuất ra máy tính để xử lý.
• Đo lường tự động: DSO có thể tự động đo các thông số như tần số, biên độ, giá trị RMS, chu kỳ, độ rộng xung, thời gian lên/xuống…
• FFT (Fast Fourier Transform): Chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số, giúp phân tích thành phần tần số của tín hiệu. Tính năng này rất hữu ích trong việc phân tích phổ tín hiệu, tìm các thành phần hài, nhiễu…
• Các phép toán dạng sóng: Thực hiện các phép toán trên dạng sóng như cộng, trừ, nhân, chia, tích phân, vi phân…
• Kết nối máy tính: Kết nối với máy tính để truyền dữ liệu, điều khiển dao động ký từ xa, và sử dụng các phần mềm phân tích tín hiệu chuyên dụng.
• Chế độ XY: Hiển thị mối quan hệ giữa hai tín hiệu đầu vào trên hai trục X và Y. Ví dụ, có thể dùng để quan sát đồ thị Lissajous, đặc tính V-I của linh kiện…
• Phân tích giao thức (Protocol Analysis): Một số DSO cao cấp có khả năng giải mã các giao thức truyền thông nối tiếp như I2C, SPI, UART, CAN, USB… giúp gỡ lỗi các hệ thống truyền thông.
• Mặt nạ kiểm tra (Mask Testing): So sánh dạng sóng thực tế với một mặt nạ (khuôn mẫu) cho trước để xác định xem tín hiệu có nằm trong giới hạn cho phép hay không.

Lựa chọn dao động ký

Việc lựa chọn dao động ký phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Cần xem xét các yếu tố sau:

• Băng thông: Chọn băng thông phù hợp với tần số của tín hiệu cần đo. Băng thông nên cao hơn ít nhất 5 lần tần số tín hiệu. Với các tín hiệu có cạnh lên/xuống nhanh (tín hiệu số), băng thông nên cao hơn nữa.
• Tốc độ lấy mẫu: Tốc độ lấy mẫu càng cao thì dạng sóng được hiển thị càng chi tiết, đặc biệt quan trọng đối với các tín hiệu biến đổi nhanh hoặc có các xung hẹp.
• Số kênh: Chọn số kênh phù hợp với số lượng tín hiệu cần đo đồng thời. Thông thường có các loại 2 kênh, 4 kênh, và có thể nhiều hơn nữa.
• Độ sâu bộ nhớ: Độ sâu bộ nhớ quyết định khả năng ghi lại tín hiệu trong một khoảng thời gian dài.
• Các tính năng: Chọn các tính năng phù hợp với nhu cầu phân tích, ví dụ: FFT, đo lường tự động, phân tích giao thức…
• Giá thành: Cân nhắc giữa tính năng và giá thành.
• Thương hiệu và độ tin cậy: Nên chọn các thương hiệu uy tín để đảm bảo chất lượng và dịch vụ hỗ trợ.

Một số lưu ý khi sử dụng dao động ký

• Đảm bảo probe được kết nối đúng cách và chọn thang đo phù hợp trên probe (ví dụ: x1, x10).
• Điều chỉnh độ nhạy dọc và tốc độ quét ngang để hiển thị dạng sóng rõ ràng.
• Sử dụng chế độ kích hoạt phù hợp để ổn định dạng sóng lặp lại.
• Hiểu rõ các thông số và chức năng của dao động ký, tham khảo tài liệu hướng dẫn sử dụng.
• Cẩn thận với điện áp cao, đảm bảo an toàn khi đo các mạch điện có điện áp nguy hiểm.
• Thực hiện hiệu chuẩn định kỳ để đảm bảo độ chính xác của phép đo.

Ví dụ về ứng dụng FFT

Khi phân tích một tín hiệu phức tạp, FFT có thể giúp xác định các tần số thành phần của tín hiệu đó. Ví dụ, một tín hiệu âm thanh có thể chứa nhiều tần số khác nhau. FFT sẽ hiển thị biên độ của mỗi tần số, giúp ta hiểu rõ hơn về cấu trúc của tín hiệu âm thanh (ví dụ: âm sắc của một nhạc cụ). Một ví dụ khác, trong phân tích rung động, FFT có thể giúp xác định các tần số rung động của một động cơ, từ đó phát hiện các hư hỏng tiềm ẩn.

• Horowitz, P., & Hill, W. (2015). The Art of Electronics. Cambridge University Press.
• Sedra, A. S., & Smith, K. C. (2016). Microelectronic Circuits. Oxford University Press.
• Tektronix. (n.d.). Oscilloscope Fundamentals. (Tìm kiếm trên trang web của Tektronix)

Câu hỏi và Giải đáp

Câu 1: Sự khác biệt chính giữa dao động ký analog và dao động ký số (DSO) là gì? Và tại sao DSO lại phổ biến hơn hiện nay?

Trả lời: Dao động ký analog sử dụng ống tia catốt (CRT) để hiển thị dạng sóng, trong khi DSO sử dụng màn hình LCD/OLED và kỹ thuật số hóa tín hiệu. Sự khác biệt này dẫn đến nhiều ưu điểm của DSO như: kích thước nhỏ gọn, khả năng lưu trữ dạng sóng, các tính năng phân tích mạnh mẽ (FFT, đo lường tự động…), dễ sử dụng và giá thành hợp lý hơn. Chính vì những ưu điểm này mà DSO ngày càng phổ biến hơn dao động ký analog.

Câu 2: Băng thông của dao động ký ảnh hưởng như thế nào đến việc đo lường tín hiệu?

Trả lời: Băng thông của dao động ký xác định tần số tối đa mà nó có thể đo chính xác. Nếu băng thông quá thấp so với tần số của tín hiệu cần đo, dạng sóng hiển thị sẽ bị méo dạng và không chính xác. Nguyên tắc chung là băng thông của dao động ký nên cao hơn ít nhất 5 lần tần số tín hiệu cần đo.

Câu 3: Chế độ kích hoạt (Trigger) trong dao động ký có vai trò gì? Làm thế nào để chọn chế độ kích hoạt phù hợp?

Trả lời: Chế độ kích hoạt giúp đồng bộ hóa tín hiệu đầu vào với quét ngang của dao động ký, cho phép hiển thị ổn định các dạng sóng lặp lại. Nếu không có kích hoạt, dạng sóng sẽ di chuyển liên tục trên màn hình, khó quan sát. Việc chọn chế độ kích hoạt phụ thuộc vào loại tín hiệu cần đo. Ví dụ, kích hoạt cạnh lên (Edge Trigger) phù hợp với các tín hiệu xung vuông, kích hoạt mức (Level Trigger) phù hợp với các tín hiệu có biên độ ổn định.

Câu 4: Làm thế nào để đo chu kỳ và tần số của một tín hiệu bằng dao động ký?

Trả lời: Để đo chu kỳ, ta xác định khoảng thời gian giữa hai điểm tương ứng trên dạng sóng (ví dụ, hai đỉnh sóng liên tiếp). Khoảng thời gian này nhân với tốc độ quét ngang (Time/Div) sẽ cho ra chu kỳ ($T$). Tần số ($f$) được tính bằng công thức $f = \frac{1}{T}$.

Câu 5: Ngoài việc quan sát dạng sóng theo thời gian, dao động ký còn có thể hiển thị dạng sóng theo những cách nào khác?

Trả lời: Dao động ký, đặc biệt là DSO, còn có thể hiển thị dạng sóng theo nhiều cách khác, ví dụ:

• Miền tần số (FFT): Hiển thị phổ tần số của tín hiệu, cho biết biên độ của từng thành phần tần số.
• Chế độ XY: Hiển thị mối quan hệ giữa hai tín hiệu đầu vào trên hai trục X và Y, thường dùng để quan sát đồ thị Lissajous và phân tích pha.