Trong hầu hết các phòng đo, nút thắt không nằm ở máy đo mà nằm ở sợi cáp. Một bo mạch có 200 điểm cần kiểm tra, còn kỹ thuật viên chỉ có hai que đo. Một hệ thống chuyển mạch đo kiểm giải quyết đúng chỗ nghẽn đó: nó để rơ-le làm việc cắm–rút thay cho tay người, đưa lần lượt từng điểm tín hiệu tới cùng một máy đo dưới sự điều khiển của phần mềm.
Với các nhà máy điện tử và EMS tại Việt Nam — nơi ngành máy tính, điện tử và linh kiện đã xuất khẩu 72,6 tỷ USD trong năm 2024 theo số liệu của Cục Thống kê — bài toán không còn là đo được hay không, mà là đo bao nhiêu điểm trong bao nhiêu giây. Bài viết này giải thích cách một hệ thống chuyển mạch đo kiểm vận hành, bốn kiểu tô-pô rơ-le, và cách chọn khung máy cho đúng nhu cầu.
Hệ thống chuyển mạch đo kiểm là gì?
Hệ thống chuyển mạch đo kiểm là một khung máy chứa các mô-đun rơ-le, có nhiệm vụ định tuyến tín hiệu giữa vật thử và thiết bị đo. Thay vì mỗi phép đo cần một lần đấu nối vật lý, toàn bộ đường đi của tín hiệu được khai báo bằng lệnh phần mềm.
Điểm khác biệt so với một bộ thu thập dữ liệu thuần tuý nằm ở chỗ: hệ thống chuyển mạch không chỉ đọc số, nó còn quyết định điểm nào được nối với cái gì. Nhờ vậy cùng một trạm đo có thể phục vụ nhiều mã sản phẩm, và một máy đo đắt tiền có thể chia sẻ cho hàng trăm kênh thay vì phải mua hàng trăm máy đo.
Hệ thống chuyển mạch đo kiểm hoạt động thế nào?
Chuỗi tín hiệu đi qua bốn chặng. Đầu tiên, đồ gá tiếp xúc với vật thử — có thể là bàn chông chạm vào các điểm test trên bo mạch, cặp nhiệt điện gắn trên sản phẩm, hoặc cáp đồng trục nối vào module RF.
Chặng thứ hai là mô-đun chuyển mạch: các rơ-le đóng mở theo lệnh để chọn ra kênh đang cần đo. Chặng thứ ba là bus analog nội bộ trong khung máy — ở Keysight 34980A có bốn bus 2 dây, cho phép mô-đun ở khe bất kỳ gửi tín hiệu tới máy đo mà không cần đi dây bên ngoài. Chặng cuối là bộ đo: DMM 6½ chữ số tích hợp sẵn, hoặc một máy đo ngoài đấu vào cùng bus đó.
Toàn bộ chuỗi này chạy dưới lệnh SCPI qua LAN, USB hoặc GPIB. Đây cũng là lý do một hệ thống chuyển mạch đo kiểm luôn được thiết kế để chạy tự động: giá trị của nó chỉ bộc lộ khi kịch bản đo lặp lại hàng nghìn lần.
Keysight 34980A có gì trong một khung 8 khe?
Hệ thống chuyển mạch & đo đa năng Keysight 34980A là khung máy 8 khe cao 3U, hỗ trợ 21 loại mô-đun cắm thêm. Theo trang sản phẩm chính thức của Keysight, các thông số cốt lõi gồm:
- DMM tích hợp 6½ chữ số (độ phân giải 22 bit), đo được điện áp và dòng DC/AC, điện trở, nhiệt độ, tần số.
- Tốc độ quét tới 1.000 kênh mỗi giây — con số cho phép rút ngắn chu kỳ test trên dây chuyền.
- Tới 560 kênh ghép kênh 2 dây hoặc 4.096 điểm giao ma trận trong cùng một khung máy.
- Bốn bus analog 2 dây nội bộ; ngõ vào DMM được cách ly quang tới 300 V so với phần vỏ nối đất, giúp giảm vòng lặp đất và sai số điện áp common-mode.
- LAN, USB và GPIB chuẩn, tuân thủ LXI, kèm web server tích hợp để điều khiển từ trình duyệt.
Có mấy kiểu tô-pô chuyển mạch và nên chọn kiểu nào?
Chọn sai kiểu tô-pô là lỗi tốn kém nhất khi dựng hệ thống chuyển mạch đo kiểm, vì nó buộc phải thay mô-đun chứ không sửa được bằng phần mềm. Có bốn kiểu chính:
Ghép kênh (multiplexer). Mỗi lần chỉ một kênh được nối tới máy đo, rồi chuyển tuần tự sang kênh tiếp theo. Đây là kiểu dùng nhiều nhất — phù hợp khi có rất nhiều điểm đo nhưng chỉ một thiết bị đo.
Ma trận (matrix). Bất kỳ hàng nào cũng nối được với bất kỳ cột nào, nên nhiều nguồn và nhiều máy đo có thể cùng chạm tới nhiều điểm trên vật thử. Ma trận tốn rơ-le hơn hẳn nhưng là lựa chọn bắt buộc với đồ gá kiểm tra bo mạch nhiều chân. Ở dòng khung nhỏ, mô-đun ma trận 4×8 DAQM904A làm đúng việc này.
Rơ-le đa dụng (general purpose). Tiếp điểm form A/form C không nối vào bus đo, mà đóng–cắt nguồn cấp cho vật thử, kích van hoặc mô phỏng thao tác nhấn nút trong kịch bản test. Mô-đun actuator DAQM903A là ví dụ điển hình.
Chuyển mạch RF và vi sóng. Đường tín hiệu 50 Ω được kiểm soát chặt để giữ suy hao và phối hợp trở kháng. Đây là chỗ dễ nhầm nhất về dải tần, nên cần nói rõ: mô-đun vi sóng cắm trong khung 34980A đi tới 26,5 GHz. Muốn vượt ngưỡng đó — hoặc cần nhiều cổng hơn và độ lặp lại tốt hơn — người ta dùng mô-đun điều khiển 34945A (kèm bo mở rộng 34945EXT) để lái các bộ chuyển mạch đồng trục rời bên ngoài: 8765D (DC–40 GHz, SPDT, đầu 2,4 mm) cho dải tần trên 26,5 GHz; còn 8765C (DC–26,5 GHz, SPDT, đầu 3,5 mm) và 87204C (SP4T, DC–26,5 GHz, có tải kết cuối) dùng khi cần đưa chuyển mạch ra ngoài khung máy. Dòng chuyển mạch cơ điện này được Keysight công bố độ lặp lại suy hao chèn tốt hơn 0,03 dB trong suốt 5 triệu chu kỳ đóng cắt ở 25 °C — thông số quyết định với phép đo tham số S.
Nên chọn khung 8 khe hay khung 3 khe?
Câu hỏi quyết định là số kênh, kiểu tô-pô và dải tần tín hiệu. Khung 34980A xứng đáng khi hệ thống vượt quá một trăm kênh, cần ma trận vài nghìn điểm giao, hoặc phải chuyển mạch tín hiệu RF trên 2 GHz.
Ngược lại, nếu bài toán chỉ là ghi nhiệt độ và điện áp vài chục kênh, các khung 3 khe gọn hơn và tiết kiệm hơn nhiều: DAQ970A, DAQ973A hoặc hai dòng kinh điển 34970A và 34972A. Chúng tôi đã phân tích kỹ dòng này trong bài hệ thống thu thập dữ liệu DAQ970A cho nhà máy điện tử.
Một lưu ý về dải tần thường bị bỏ qua: mô-đun ghép kênh RF DAQM905A của dòng DAQ970A là bộ mux đôi 1:4, 50 Ω, băng thông sử dụng 2 GHz qua đầu SMB (còn 1 GHz nếu dùng adapter BNC đi kèm). Nếu tín hiệu của bạn nằm trên ngưỡng đó, khung 3 khe không đáp ứng được và phải chuyển sang 34980A hoặc dùng chuyển mạch đồng trục rời.
Hệ thống chuyển mạch đo kiểm dùng ở đâu trong nhà máy điện tử Việt Nam?
Ứng dụng phổ biến nhất là kiểm tra chức năng bo mạch sau công đoạn SMT. Đồ gá bàn chông chạm vào hàng trăm điểm test, còn ma trận chuyển mạch quyết định điểm nào được cấp nguồn và điểm nào được đo ở từng bước của chương trình. Đây cũng là lớp bổ sung tự nhiên cho các hệ kiểm tra trong mạch như i3070 Series 6 hay i7090.
Nhóm thứ hai là thử nghiệm độ bền và buồng môi trường. Trong chu trình nhiệt-ẩm hoặc burn-in kéo dài nhiều ngày, hàng chục cặp nhiệt điện và điểm điện áp cần ghi liên tục; khung chuyển mạch quét lần lượt từng kênh về DMM và lưu dữ liệu theo mốc thời gian.
Nhóm thứ ba là đo module RF nhiều cổng. Một máy phân tích mạng vector thường chỉ có hai tới bốn cổng, trong khi module cần đo có nhiều đường vào–ra hơn; bộ chuyển mạch đồng trục lần lượt đưa từng cổng vào máy đo mà vẫn giữ được độ lặp lại của phép đo.
Nhóm thứ tư là phòng hiệu chuẩn và phòng thử nghiệm. Khi phải so sánh nhiều thiết bị với cùng một chuẩn, chuyển mạch cho phép đổi đường đo bằng phần mềm thay vì tháo lắp cáp — ít thao tác tay hơn đồng nghĩa ít sai số tiếp xúc và ít rủi ro đấu nhầm hơn.
Khi hệ thống cần thêm tốc độ và mức đồng bộ cao hơn nữa, kiến trúc mô-đun là bước tiếp theo — xem bài hệ thống đo kiểm PXI Keysight để so sánh hai hướng đầu tư.
Hiệu chuẩn hệ thống chuyển mạch cần lưu ý gì?
Rơ-le là chi tiết cơ khí, nên nó hao mòn theo số chu kỳ đóng cắt. Điện trở tiếp xúc tăng dần, và trên đường RF thì suy hao chèn cùng độ lặp lại xấu đi trước khi rơ-le hỏng hẳn. Vì vậy một hệ thống chuyển mạch đo kiểm nên được theo dõi số chu kỳ của từng kênh — firmware Keysight có sẵn bộ đếm này — và đưa vào lịch hiệu chuẩn định kỳ cùng với DMM tích hợp.
Techmaster Electronics là đại lý ủy quyền Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025, hỗ trợ hiệu chuẩn, sửa chữa và bảo trì định kỳ ngay trong nước. Xem thêm danh mục thu thập dữ liệu & chuyển mạch hoặc liên hệ Techmaster để được tư vấn cấu hình mô-đun theo đúng số kênh và dải tần của bài toán.
Câu hỏi thường gặp
Hệ thống chuyển mạch đo kiểm khác gì bộ thu thập dữ liệu?
Bộ thu thập dữ liệu tập trung vào việc đọc và ghi giá trị đo. Hệ thống chuyển mạch đo kiểm bổ sung khả năng định tuyến: nó quyết định điểm nào trên vật thử được nối tới nguồn hay tới máy đo ở từng bước. Trên thực tế nhiều khung máy làm cả hai việc — 34980A vừa có ma trận chuyển mạch vừa có DMM 6½ chữ số tích hợp.
Keysight 34980A quét được bao nhiêu kênh?
Một khung 34980A chứa tối đa 8 mô-đun và hỗ trợ tới 560 kênh ghép kênh 2 dây, hoặc cấu hình thành ma trận với tối đa 4.096 điểm giao. Tốc độ quét đạt tới 1.000 kênh mỗi giây tuỳ theo mô-đun và thiết lập phép đo.
34980A chuyển mạch được tín hiệu RF tới bao nhiêu GHz?
Các mô-đun vi sóng cắm trong khung 34980A xử lý tín hiệu tới 26,5 GHz. Với tần số cao hơn, mô-đun điều khiển 34945A lái các bộ chuyển mạch đồng trục rời bên ngoài. Mỗi 34945A phải đi kèm ít nhất một bo mở rộng 34945EXT; một cặp 34945A + 34945EXT điều khiển được tối đa 64 cuộn dây, tương đương 32 bộ SPDT, 8 bộ nhiều cổng hoặc 8 bộ suy hao. Một khung 34980A nhận tối đa 8 bo 34945EXT.
Có cần hiệu chuẩn hệ thống chuyển mạch không?
Có. DMM tích hợp cần hiệu chuẩn định kỳ như mọi thiết bị đo, còn các mô-đun rơ-le cần được theo dõi số chu kỳ đóng cắt vì điện trở tiếp xúc và suy hao chèn xấu dần theo thời gian sử dụng. Techmaster hỗ trợ hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 tại Việt Nam.
Một trạm thử nghiệm nguồn điện tự động thường ghép khung chuyển mạch với một bộ nguồn xoay chiều lập trình được — xem nguồn AC lập trình Keysight AC6800B và AC6900.
Ở lớp sát DUT nhất, bộ chuyển mạch đồng trục lại là nơi độ lặp lại quyết định độ bất định — xem thêm cách chọn bộ chuyển mạch RF theo độ lặp lại và số chu kỳ.
