Phân tích phổ bằng máy hiện sóng. ĐƯỢC hay KHÔNG?

Trong lĩnh vực điện tử viễn thông máy hiện sóng và máy phân tích phổ là hai thiết bị khá quan trọng trong việc phân tích các lỗi trong tín hiệu. Với máy hiện sóng bạn có thể quan sát tín hiệu ở miền thời gian nhưng tín hiệu thu được sẽ không được đầy đủ chi tiết, do đó máy phân tích phổ ra đời cho bạn quan sát tín hiệu trên cả miền tần số giúp phân tích chuyên sâu hơn, giúp phân tích các lỗi nhỏ dễ dàng phát hiện lỗi hơn

Chức năng phân tích phổ khá cần thiết trong việc phân tích các lỗi khó nhưng giá của thiết bị này thường khá cao nên chúng không được sử dụng phổ biến. Nắm được nhu cầu cần thiết của của chức năng này đối với công thường kiểm tra, bảo trì các nhà sản xuất máy hiện sóng đã tích hợp chức năng phân tích phổ FFT vào các thiết bị của mình, điều này giúp người dùng dễ tiếp cận hơn so với việc bỏ tiền ra mua 2 thiết bị cùng lúc. Vậy chức năng phân tích phổ FFT trên máy hiện sóng là gì? Mời bạn cùng tham khảo trong bài viết sau đây nhé

1️⃣ Chức năng phân tích phổ FFT là gì?

FFT tên tiếng anh Fast Fourier Transform dịch nôm na là biến đổi Fourier nhanh. Đây là một thuật toán đặc biệt hiệu quả để biến đổi các Fourier rời rạc (DFT) và biến đổi ngược. Thuật toàn này được sử dụng trong nhiều hệ thống xử lý tín hiệu bao gồm radio di động và hầu hết các mạng cục bộ không dây

Bất kỳ dạng sóng nào trong miền thời gian có thể được biểu diễn bằng tổng trọng số của tin hiệu sin và cosin. Sử dụng khái niệm này, các thiết bị có tích hợp chức năng phân tích phổ FFT lấy mẫu tín hiệu đầu vào. Sau đó, nó tính toán độ lớn của các thành phần sin và cosin của tín hiệu tổng thể và cuối cùng là hiển thị tín hiệu dạng phổ

Sơ lược về DFT

Phép biến đổi DFT phân tích một dãy các số thành các thành phần ở các tần số khác nhau, do xử lý các tín hiệu Fourier một cách rời rạc nên tốc độ của phép phân tích này thường khá chậm. FFT có thể được coi là một phiên bản nâng cấp chất lượng của DFT với tốc độ phân tích dữ liệu cực nhanh

Một số dòng máy hiện sóng có tích hợp phân tích phổ FFT của Siglent
SDS1104X-E Băng thông: 100MHz 4 kênh đo Tốc độ lấy mẫu: 1GSa/s Độ sâu bộ nhớ: 14 Mpts/s Chức năng khác: Bode Plot, MSO.. FFT: 1Mpts ? Xem sản phẩm	SDS2104X Plus (Cảm ứng) Băng thông: 200MHz 4 kênh đo Tốc độ lấy mẫu: 2GSa/s Độ sâu bộ nhớ: 200 Mpts Chức năng khác: Cảm ứng, Bode Plot.. FFT: 2 Mpts ? Xem sản phẩm	SDS1202X-E Băng thông: 200MHz 2 kênh đo Tốc độ lấy mẫu: 1Gsa/s Độ sâu bộ nhớ: 14 Mpts/s Chức năng khác: Bode Plot FFT: 1Mpts ? Xem sản phẩm

2️⃣ Cấu tạo chung của thiết bị đo có phân tích FFT

Sơ đồ khối và cấu trúc liên kết của thiết bị có phân tích phân tích FFT khác với sơ đồ khối và cấu trúc liên kết của máy phân tích phổ quét hoặc superheterodyne thông thường. Đặc biệt cần phải có mạch điện để cho phép thực hiện chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự và sau đó xử lý tín hiệu dưới dạng biến đổi Fourier nhanh

Tuy nhiên, điều kiện trước khi biến đổi tương tự vẫn được yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo rằng tín hiệu đạt đến quý trình chuyển đổi tương tự sang chữ số nằm trong phạm vi chính xác và bất kỳ xử lý tương tụ nào khác có thể được yêu cầu đã được thực hiện

Máy oscilloscope phân tích FFT có thể được coi là bao gồm các khối mạch như sau

- Bộ suy hao / khuếch đại đầu cuối tương tự: Thiết bị kiểm tra yêu cầu các giai đoạn ở đầu vào của bộ phân tích FFT để đảm bảo rằng tín hiệu ở mức cần thiết cho chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số. Các giai đoạn này cung cấp cả tín hiệu thu được và tín hiệu suy hao. Nếu mức tín hiệu quá lớn, hiện tượng cắt và méo sẽ xảy ra, mức tín hiệu quá thấp nhiễu sẽ trở thành vấn đề của độ phân giải ADC (bộ chuyển đổi tín hiệu Analog sang Digital - Analog to Digital Converter)

Phù hợp với mức tín hiệu với bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số, dải ADC đảm bảo hiệu suất tối ưu và tối đa hóa độ phân giải của ADC. Thường thì việc kiểm soát tín hiệu thu sẽ được điều khiển bởi bộ xử lý điều khiển thiết bị đo

- Bộ lọc khử răng cửa thông thấp tương tự: Tín hiệu được đưa qua bộ lọc khử răng cưa. Điều này là bắt buộc bởi vì tốc độ tại các điểm được lấy bởi hệ thống lấy mẫu trong máy hiện sóng có phân tích FFT là rất quan trọng

Dạng sóng phải được lấy mẫu với tốc độ đủ cao. Theo định lý Nyquist, một tín hiệu phải được lấy mẫu với tốc độ bằng hai lần tần số cao nhất và bất kỳ thành phần nào có tần số cao hơn tốc độ Nyquist sẽ xuất hiện trong phép đo dưới dạng thành phần tần số thấp hơn - được gọi là "răng cưa". Điều này dẫn đến một thực tế là các giá trị lẫy mẫu cao hơn sẽ bị giảm xuống. Để tránh hiện tượng răng cưa, một bộ lọc thông thấp (low pass filter) được đặt trước bộ lấy mẫu để loại bỏ bất kỳ phần tử tần số cao không mong muốn nào

Bộ lọc này phải có tần số cắt nhỏ hơn một nửa tốc độ lấy mẫu, mặc dù thường để cung cấp một số biên, tần số cắt cao nhất của bộ lọc thông thấp thường hơn 2.5 lần so với tốc độ lấy mẫu của máy hiện sóng phân tích FFT tổng thể

- Lấy mẫu và chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số: Để thực hiện chuyển đổi tương tự sang số, có hai yếu tố cần quan tâm. Đầu tiên là tốc độ lấy mẫu, tầm quan trọng của tỷ lệ này đã được nhắc đến ở trên. Sau đó, các mẫu được chuyển tới một bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật, ADC, bộ chuyển đổi này tạo ra định dạng kỹ thuật số cho các mẫu cần thiết cho phân tích FFT

- Bộ phân tích FFT: Dữ liệu từ bộ lẫy mẫu nằm trong miền thời gian nhưng nó được chuyển sang miền tần số nhờ vào bộ phân tích FFT. Tiếp theo, các bộ xử lý kỹ thuật số sẽ xử lý và phân tích dữ liệu, cuối cùng là chuyển đến màn hình

- Hiển thị: Với sức mạnh xử lý, có thể trình bày thông tin hiển thị theo nhiều cách khác nhau. Tùy vào chức năng được tích hợp từ nhà sản xuất sẽ cho phép thông tin được trình bày ở các định dạng dễ hiệu và miêu tả các khía cạnh khác nhau của tín hiệu. Do đó, phần hiển thị của máy phân tích phổ FFT rất quan trọng để thông tin được thu thập và xử lý có thể được trình bày phù hợp cho người dùng

Khi vận hành, thiết bị thử nghiệm sẽ lấy mẫu vào những khoảng thời gian do người dùng cài đặt và sau đó tín hiệu sẽ được xử lý qua toàn bộ các bước trước khi hiển thị trên màn hình. Sẽ có một khoảng thời gian nhất định giữa các lần lấy mẫu, các khoảng thời gian này có thể được ví như thời gian giữa các lần quét của máy phân tích phổ superheterodyne truyền thống

4️⃣ Những ưu điểm và nhược điểm của công nghệ FFT

Ưu điểm của công nghệ FFT

• Chụp nhanh dạng sóng: trong thực tế, dạng sóng được phân tích kỹ thuật số, dạng sóng có thể được ghi lại trong một thời gian tương đối ngắn và được phân tích ngay sau đó để hiện thị thông tin đến người dùng. Thời gian chụp ngắn này có nhiều lợi thế - tín hiệu được chi tiết hơn, dễ dàng quan sát các lỗi có thể xảy ra hơn
• Khả năng nắm bắt tốt các sự kiện không thường xuyên: tốc độ chụp cao là một điểm mạnh của FFT, với khả năng ghi dữ liệu tuyệt vời này bạn sẽ không bỏ lỡ các dạng sóng bất thường hiếm khi xảy ra
• Có khả năng phân tích pha tín hiệu: là một phần của quá trình bắt tín hiệu, dữ liệu thu được có thể được xử lý để tính được pha của tín hiệu. Với các dạng khác nhau của sơ đồ điều chế dựa trên pha sẽ rất phù hợp cho các ứng dụng truyền thông kỹ thuật số
• Các dạng sóng có thể được lưu trữ: sử dụng công nghệ FFT, có thể nắm bắt dạng sóng và phân tích lại sau này nếu cần bằng công nghệ lưu trữ có thể được tích hợp một cách dễ dàng trên thiết bị hoặc máy tính liên kết

Nhược điểm của công nghệ FFT

• Giới hạn tần số: Giới hạn chính của việc chuyển đổi FFT chính là tần số và băng thông - nó phụ thuộc vào bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC). (Đây được xem là lí do chính khiến việc máy hiện sóng dù có được trang bị tính năng FFT củng không thể thay thế được vai trò của máy phân tích phổ)
• Chi phí: chi phí từng là một vấn đề lớn khi bạn phải trả một mức giá khá cao cho các máy phân tích được trang bị công nghệ FFT. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật - công nghệ này ngày càng phổ biến và được sử dụng rộng rãi trên nhiều thiết bị. Giá thành trở nên không còn quá quan trọng

5️⃣ Với FFT máy hiện sóng trở thành máy phổ thu nhỏ

Như đã đề cập ở trên, công nghệ FFT sẽ biến các tín hiệu dạng sóng thành tín hiệu phổ trên miền tần số. Nhờ vào điều này, với những chiếc máy hiện sóng được trang bị khả năng phân tích FFT bạn có thể phân tích được tín hiệu đó ngay trên miền tần số

Điều này đồng nghĩa với việc, nếu bạn chọn được một chiếc máy hiện sóng có tích hợp chức năng phân tích FFT bạn sẽ có một thiết bị hai trong một, tiết kiệm chi phí và không gian hơn

Nhưng nói đi củng phải nói lại với các dòng máy hiện sóng cơ bản dải tần số phân tích cũng không quá cao nên việc phân tích các tín hiệu lên cái dải tần số siêu cao là không khả thi

6️⃣ Giới thiệu một số dòng máy hiện sóng có hỗ trợ FFT của Siglent

Siglent là một thương hiệu chuyên cung cấp các dòng thiết bị đo chất lượng được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Trong nhiều năm qua, Lidinco hân hạnh là đại diện phân phối chính thức các dòng sản phẩm máy hiện sóng của Siglent tại thị trường Việt Nam và được sự ủng hộ của rất nhiều anh em làm nghề sửa chữa, sự lựa chọn đáng tin cậy của các phòng thí nghiệm điện - điện tử tại các trường Đại Học, Cao Đẳng...

Với các công nghệ được tích hợp mạnh mẽ Siglent hầu hết các dòng oscilloscope của Siglent từ giá rẻ đến các dòng cao cấp đều được trang bị khả năng phân tích FFT và rất nhiều chức năng khác giúp việc đầu tư vào các thiết bị này của Siglent sẽ có đa dạng chức năng hơn, làm việc tốt hơn trong nhiều ứng dụng khác nhau

Một số tính năng nổi bật khác của các dòng máy hiện sóng giá rẻ Siglent là Bode Plot (hay còn gọi là chức năng phân tích đáp ứng tần số - FRA) đặc biệt hữu hiệu trong các ứng dụng âm thanh hay tích hợp thêm chức năng phát xung để bạn có một thiết bị 3 trong 1...

Dưới đây là một số model máy hiện sóng của Siglent có hỗ trợ phân tích phổ FFT