Bài này đi theo trục phép đo, không phải trục chọn máy. Nếu bạn cần biết dòng gồm những mã nào và bộ nhớ chia thế nào theo số kênh, hãy đọc bài PicoScope 3000E: máy hiện sóng USB 4 kênh tới 500 MHz trước. Ở đây máy đã có trên bàn, và câu hỏi là: cắm que đo vào đâu, đặt gì trong phần mềm, đọc con số nào.
Đo nguồn xung bằng máy hiện sóng thực ra là năm phép đo khác nhau
Chữ “đo nguồn” trong biên bản nghiệm thu thường gộp cả năm việc dưới đây. Mỗi việc có một cấu hình riêng, và cấu hình tối ưu cho việc này lại làm hỏng việc kia — đây là lý do đặt máy một lần rồi đo hết mọi thứ sẽ ra một bộ số không dùng được.
| Phép đo | Thứ bạn đang tìm | Cấu hình then chốt |
|---|---|---|
| Độ gợn và nhiễu đầu ra | Vài mV đỉnh–đỉnh nằm trên nền một chiều vài vôn | Ghép AC, lọc băng thông 20 MHz, chế độ 10 bit, thang nhỏ |
| Dạng sóng tại nút chuyển mạch | Vọt lố, dao động tắt dần, thời gian sườn | Băng thông mở rộng, ghép DC, thang đủ lớn cho toàn biên độ |
| Trình tự khởi động | Thứ tự lên nguồn, thời gian mềm hoá, dòng khởi động | Bộ nhớ sâu, tiền kích hoạt lớn, trục thời gian chậm |
| Đáp ứng khi sụt tải | Độ sụt áp và thời gian hồi phục khi tải nhảy bậc | Kích hoạt theo cửa sổ hoặc theo độ rộng xung, bộ nhớ sâu |
| Công suất và hiệu suất | Công suất thực, hệ số công suất, tổn hao đóng cắt | Hai kênh áp và dòng, bù lệch thời gian, kênh toán |
Ba phép đo đầu chiếm phần lớn thời gian trên bàn thí nghiệm, nên phần còn lại của bài đi sâu vào chúng trước.
Vì sao đo ripple nguồn xung hay ra số sai
Khi đo ripple nguồn xung lần đầu, con số đỉnh–đỉnh đọc được thường lớn hơn thực tế vài lần. Bốn nguyên nhân, xếp theo mức độ phổ biến:
- Vòng dây tiếp mát. Kẹp cá sấu đi kèm que đo tạo một vòng dây kín rộng vài centimet vuông. Cuộn cảm và biến áp xung của chính bộ nguồn bức xạ từ trường biến thiên mạnh ở tần số đóng cắt và các hài của nó, còn vòng dây đó hoạt động đúng như một cuộn thu. Kết quả là những gai nhọn trùng khít với thời điểm đóng cắt — trông rất giống ripple, nhưng vẫn đo được cả khi bạn kẹp đầu que vào chính điểm mát.
- Mở hết băng thông. Máy càng rộng băng thông thì càng thu nhiều nhiễu nền của chính nó. Trên thang ±50 mV, nhiễu RMS là 0,049 mV ở nấc lọc 20 MHz và 0,33 mV khi mở hết 500 MHz — chênh gần bảy lần.
- Để nguyên chế độ 8 bit. Bước lượng tử ở chế độ 8 bit nhỏ hơn 0,4% dải đo; ở chế độ 10 bit con số này xuống dưới 0,1%. Với phép đo vài mV, đó là khác biệt giữa một đường gợn có hình dạng và một đường gợn dạng bậc thang.
- Vẫn ghép DC ở thang lớn. Giữ ghép DC nghĩa là 5 V một chiều chiếm hết thang; muốn thấy 20 mV gợn bạn phải để thang ±5 V, nơi nhiễu nền của máy đã là 4,9 mV RMS ngay ở nấc lọc 20 MHz.
Que đo 500 MHz: vì sao que đo mới là điểm nghẽn thật
Có cần sắm que đo 500 MHz khi mua máy 500 MHz hay không? Điều đó phụ thuộc phép đo, nhưng nguyên tắc thì cố định: các khâu đo nối tiếp nhau, và băng thông hệ thống luôn thấp hơn băng thông của khâu yếu nhất. Cắm que đo 100 MHz vào máy 500 MHz thì bạn có một hệ thống đo 100 MHz, không hơn.
Vài điểm cụ thể trên dòng 3000E cần nhớ khi cắm que đo:
- Ngõ vào chuyển được giữa hai chế độ. Ở 1 MΩ, trở kháng vào là 1 MΩ ±1% song song 13 pF ±2 pF, ghép được cả AC lẫn DC — đây là chế độ dùng cho que đo thụ động và cho mọi phép đo nguồn. Ở 50 Ω, máy chỉ ghép DC.
- Ngưỡng chịu đựng khác nhau rất xa. Ngõ 1 MΩ chịu ±100 V (một chiều cộng đỉnh xoay chiều) tới 10 kHz; ngõ 50 Ω chỉ chịu 5,5 V RMS và ±20 V đỉnh. Cắm nhầm một đường nguồn 24 V vào ngõ đang để 50 Ω là hỏng máy, không phải cảnh báo trên màn hình.
- Điện dung que đo đi thẳng vào kết quả đo sườn. 13 pF của ngõ vào cộng điện dung que đo và đoạn dây tiếp mát tạo thành mạch lọc thông thấp ngay tại điểm đo. Đoạn dây mát dài vài centimet còn gây dao động tắt dần do cộng hưởng với chính điện dung đó — dao động nằm trên màn hình nhưng không có trên mạch.
- Điểm đo nổi cần que đo vi sai. Nút chuyển mạch phía cao của mạch cầu nửa hoặc cầu đầy không tham chiếu về mát của bộ nguồn; nối mát que đo thụ động vào đó là tạo đường ngắn mạch qua vỏ máy tính. Trường hợp này cần que đo vi sai có dải điện áp và cách ly chọn theo điện áp bus của mạch.
Với riêng phép đo độ gợn, băng thông que đo hiếm khi là vấn đề vì bạn đang cố tình giới hạn hệ thống ở 20 MHz. Thứ quan trọng hơn nhiều là cách tiếp mát: thay kẹp cá sấu bằng đầu tiếp mát lò xo tì trực tiếp lên điểm mát cạnh tụ đầu ra.
Sáu bước đo ripple nguồn xung trên PicoScope 3000E
Trình tự dưới đây áp dụng cho cả bốn model trong dòng, vì mọi model đều có nấc lọc 20 MHz và đều chọn được giữa 8 bit và 10 bit.
Về việc chọn thang đo. Dải đo nhỏ nhất của 3000E bị ràng buộc theo băng thông: thang ±5 mV chỉ dùng được tới 100 MHz, ±10 mV tới 200 MHz và ±20 mV tới 350 MHz. Khi đã bật lọc 20 MHz thì ràng buộc này không cản bạn, nên hãy dùng thang nhỏ nhất mà biên độ gợn còn nằm gọn trong màn hình. Ngõ 1 MΩ cho độ nhạy từ 1 mV/ô tới 4 V/ô.
Về việc đọc con số. PicoScope 7 có sẵn phép đo đỉnh–đỉnh, AC RMS và true RMS kèm thống kê nhỏ nhất, lớn nhất, trung bình và độ lệch chuẩn; kênh toán còn có sẵn hàm RMS ripple. Nên báo cáo cả đỉnh–đỉnh lẫn RMS: đỉnh–đỉnh nhạy với một gai đơn lẻ và thay đổi theo thời gian quan sát, còn RMS ổn định hơn và phản ánh đúng phần năng lượng gợn.
Đo dạng sóng tại nút chuyển mạch
Đây là phép đo đi ngược với phép đo độ gợn: bạn cần băng thông rộng nhất có thể, vì thứ cần nhìn là sườn xung và phần vọt lố ngay sau nó. Thời gian sườn của máy và của tín hiệu cộng với nhau theo căn bậc hai của tổng bình phương, nên sườn đọc được luôn dài hơn sườn thật.
| Model | Băng thông (−3 dB) | Thời gian sườn của máy (10–90%) | Sườn tín hiệu đo được với sai số dưới 6% |
|---|---|---|---|
| 3415E | 100 MHz | 3,5 ns | từ khoảng 10,5 ns trở lên |
| 3416E | 200 MHz | 1,75 ns | từ khoảng 5,3 ns trở lên |
| 3417E | 350 MHz | 1,2 ns | từ khoảng 3,6 ns trở lên |
| 3418E | 500 MHz | 925 ps | từ khoảng 2,8 ns trở lên |
Cột cuối lấy theo quy ước máy nhanh gấp ba lần tín hiệu, khi đó sườn đọc được dài hơn sườn thật khoảng 5,4%. Muốn sai số xuống khoảng 2% thì cần máy nhanh gấp năm lần, tức nhân con số ở cột cuối với 5/3: 3418E khi đó đo tốt từ khoảng 4,6 ns trở lên thay vì 2,8 ns.
Sau khi đã có băng thông đủ, ba công cụ trong phần mềm rút ngắn thời gian phân tích:
- Đo tự động phần vọt lố. Danh sách đo có sẵn vọt lố dương, vọt lố âm, thời gian sườn lên, sườn xuống, đỉnh–đỉnh và chu kỳ, kèm thống kê.
- DeepMeasure. Mỗi lần bắt, công cụ này đo tự động tới một triệu chu kỳ và trả về bảng gồm chu kỳ, tần số, độ rộng xung mức cao và mức thấp, hệ số lấp đầy, thời gian sườn lên, sườn xuống, vọt lố và vọt xuống của từng chu kỳ. Sắp xếp theo cột vọt lố là cách nhanh nhất để tìm chu kỳ tệ nhất trong cả lần bắt.
- Chế độ lưu vết màu. Phần cứng tăng tốc HAL4 đạt tới 300 000 dạng sóng mỗi giây ở chế độ lưu vết nhanh, nên một dao động ký sinh xuất hiện thưa thớt vẫn hiện thành vệt mờ thay vì bị bỏ sót giữa hai lần quét.
Đo khởi động, sụt tải và sự cố hiếm gặp
Nhóm phép đo này không cần băng thông mà cần độ dài bản ghi: một cửa sổ dài hàng chục tới hàng trăm mili-giây nhưng vẫn đủ độ phân giải thời gian để thấy từng chu kỳ đóng cắt bên trong.
| Số kênh đang bật | Bộ nhớ mỗi kênh, 8 bit | Bộ nhớ mỗi kênh, 10 bit | Lấy mẫu, 8 bit | Lấy mẫu, 10 bit |
|---|---|---|---|---|
| 1 kênh | 2 GS | 1 GS | 5 GS/s | 2,5 GS/s |
| 2 kênh | 1 GS | 500 MS | 2,5 GS/s | 1,25 GS/s |
| 3 hoặc 4 kênh | 512 MS | 256 MS | 1,25 GS/s | 625 MS/s |
Ở tốc độ lấy mẫu tối đa, một lần bắt kéo dài tối đa 200 ms trong PicoScope 7 và 400 ms qua PicoSDK. Muốn cửa sổ dài hơn, hạ tốc độ lấy mẫu bằng cách chọn trục thời gian chậm hơn — trục thời gian trải từ 1 ns/ô tới 5000 s/ô — hoặc chuyển sang chế độ truyền dòng liên tục, nơi PicoScope 7 giữ được 250 MS.
Bốn thiết lập giúp bắt đúng sự kiện bạn cần:
- Tiền kích hoạt tới 100% dung lượng bắt. Với phép đo khởi động, đặt tiền kích hoạt cao rồi kích hoạt theo sườn lên của đường nguồn để thấy cả phần trước thời điểm nguồn lên.
- Kích hoạt theo cửa sổ hoặc theo độ rộng xung. Để bắt lúc điện áp ra rơi khỏi dải cho phép khi tải nhảy bậc, kích hoạt cửa sổ kiểu “ra khỏi dải” đúng việc hơn kích hoạt theo sườn. Dòng 3000E còn có kích hoạt theo xung cụt, theo thời gian chuyển tiếp và theo mất tín hiệu.
- Kích hoạt nhanh với bộ nhớ phân đoạn. PicoScope 7 lưu tới 40 000 phân đoạn, thời gian nạp lại kích hoạt dưới 700 ns ở trục thời gian nhanh nhất. Thay vì chờ một sự cố mỗi vài phút, bạn thu hàng chục nghìn lần đóng cắt rồi lọc sau.
- Kiểm tra mặt nạ kèm hành động tự động. Dựng mặt nạ quanh một dạng sóng đạt yêu cầu, rồi đặt hành động “lưu dữ liệu” khi mặt nạ báo lỗi. Máy chạy qua đêm và sáng hôm sau bạn chỉ mở đúng những lần bắt bị đánh dấu.
Đo công suất và hiệu suất bằng kênh toán
Để tính công suất tức thời, bạn cần một kênh đo điện áp và một kênh đo dòng chạy đồng thời. Kênh toán của PicoScope 7 nhận trực tiếp phép nhân hai kênh, và trong danh sách hàm có sẵn công suất thực, công suất biểu kiến, công suất phản kháng, hệ số công suất, công suất một chiều, tích phân và đạo hàm.
Một hàm dễ bị bỏ qua nhưng quyết định độ đúng của phép đo tổn hao đóng cắt là bù lệch thời gian. Que đo áp và que đo dòng gần như luôn có độ trễ truyền khác nhau; ở tần số đóng cắt cao, vài nanô giây lệch pha giữa hai kênh đủ làm sai lệch rõ rệt kết quả nhân điện áp với dòng điện ngay tại thời điểm chuyển mạch. Hàm bù lệch thời gian nằm sẵn trong kênh toán để chỉnh trước khi nhân.
Với bộ nguồn có quản lý số, bộ giải mã giao thức nối tiếp đọc được PMBus, SMBus và I²C, chạy song song trên cùng khung thời gian với kênh tương tự — nhờ đó đối chiếu được lệnh ghi qua bus với thay đổi thật của điện áp ra trên cùng một màn hình. Trên bản MSO, 16 kênh số dùng chung khung thời gian đó, ngưỡng logic đặt riêng theo từng cổng 8 kênh.
Cuối cùng, chế độ phân tích phổ dùng biến đổi Fourier chạy từ một chiều tới đúng băng thông danh định của máy, chọn được từ 128 tới một triệu điểm và tám kiểu cửa sổ. Đây không thay thế phép đo tương thích điện từ trong phòng đo chuẩn, nhưng đủ để khoanh vùng đỉnh nhiễu đang nằm ở tần số đóng cắt, ở hài bậc mấy, hay ở tần số dao động ký sinh.
Cần đo gì trên nguồn xung thì chọn model nào
Diễn giải ngắn gọn theo bốn model. Nếu công việc dừng ở độ gợn, nhiễu tần thấp và đáp ứng sụt tải, PicoScope 3415E đã đủ, vì phép đo nằm dưới nấc lọc 20 MHz và bộ nhớ thì giống hệt các model còn lại. Khi phải nhìn dạng sóng tại nút chuyển mạch của nguồn dùng linh kiện silicon thông dụng, PicoScope 3416E với thời gian sườn 1,75 ns bao được phần lớn trường hợp.
Với mạch có sườn nhanh hơn và phần dao động tắt dần cần đo chính xác, PicoScope 3417E cho thêm khoảng dự phòng. Còn với mạch dùng linh kiện GaN hoặc SiC, nơi sườn xuống dưới hai nanô giây, PicoScope 3418E là model duy nhất trong dòng có thời gian sườn dưới một nanô giây. Nếu ngoài dạng sóng bạn còn cần soi bus điều khiển số song song, chọn bản MSO của model tương ứng; toàn bộ dải sản phẩm Pico do Techmaster phân phối nằm trong trang thiết bị đo Pico Technology.
Số đo chỉ có giá trị khi máy còn trong hạn hiệu chuẩn
Hai thông số của máy trôi theo thời gian và cả hai đi thẳng vào kết quả đo nguồn. Sai số trục thời gian ban đầu là ±5 ppm và trôi thêm ±1 ppm mỗi năm — con số này quyết định độ đúng khi đo tần số đóng cắt hoặc thời gian mềm hoá. Sai số hệ số khuếch đại một chiều là ±(1% giá trị đo + 1 bước lượng tử), quyết định độ đúng khi báo cáo mức điện áp ra và biên độ gợn.
Vì vậy, một biên bản đo nguồn chỉ có giá trị đối chứng khi kèm giấy chứng nhận hiệu chuẩn còn hiệu lực của thiết bị đo. Techmaster vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 và nhận hiệu chuẩn thiết bị đo điện — phạm vi và quy trình xem tại trang dịch vụ hiệu chuẩn thiết bị đo. Nếu bạn đang so sánh máy hiện sóng USB với máy để bàn cho cùng nhóm phép đo này, bài ứng dụng máy hiện sóng Keysight DSOX3014G cho đo nguồn xung và bus nối tiếp đi qua cùng bài toán trên một kiến trúc máy khác, tiện để đối chiếu.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao đo ripple nguồn xung lại phải bật bộ lọc băng thông 20 MHz?
Vì băng thông càng rộng thì máy càng thu nhiều nhiễu nền của chính nó, trong khi phần gợn cần đo lại nằm ở tần số đóng cắt và vài hài đầu tiên, thường dưới 20 MHz. Trên PicoScope 3000E, ở thang ±50 mV nhiễu nền RMS là 0,049 mV tại nấc lọc 20 MHz so với 0,33 mV khi mở hết 500 MHz. Nấc 20 MHz cũng là quy ước chung khi nhà sản xuất công bố chỉ tiêu độ gợn, nên dùng nấc này thì số đo của bạn mới so sánh được với tài liệu kỹ thuật.
PicoScope 3000E có chế độ FlexRes không?
Không. Dòng 3000E chọn được giữa hai mức độ phân giải phần cứng là 8 bit và 10 bit, nhưng Pico Technology không đặt tên thương mại FlexRes cho dòng này. FlexRes là tên dùng cho một số dòng khác. Về mặt sử dụng, điều cần nhớ là chuyển sang 10 bit sẽ giảm bước lượng tử từ dưới 0,4% dải đo xuống dưới 0,1%, đổi lại tốc độ lấy mẫu tối đa giảm một nửa.
Đo nguồn xung bằng máy hiện sóng có cần que đo vi sai không?
Cần, khi điểm đo không tham chiếu về mát của bộ nguồn — điển hình là nút chuyển mạch phía cao của mạch cầu nửa hoặc cầu đầy. Nối mát của que đo thụ động vào điểm nổi như vậy sẽ tạo đường ngắn mạch qua vỏ máy tính. Với các phép đo tham chiếu về mát như độ gợn đầu ra hay đáp ứng sụt tải, que đo thụ động kèm đầu tiếp mát lò xo là đủ và cho kết quả tốt hơn que đo vi sai.
Bộ nhớ của PicoScope 3000E đủ bắt trọn một chu trình khởi động không?
Trong phần lớn trường hợp là đủ, nhưng cần chọn trục thời gian phù hợp. Ở tốc độ lấy mẫu tối đa, một lần bắt kéo dài tối đa 200 ms trong PicoScope 7. Chu trình khởi động dài hơn thì hạ tốc độ lấy mẫu bằng cách chọn trục thời gian chậm hơn, hoặc dùng chế độ truyền dòng liên tục với 250 MS. Khi bật ba hoặc bốn kênh, bộ nhớ mỗi kênh là 512 MS ở chế độ 8 bit và 256 MS ở chế độ 10 bit.
Có thể vừa xem dạng sóng nguồn vừa giải mã PMBus trên cùng một máy không?
Có. Bộ giải mã giao thức nối tiếp của PicoScope 7 hỗ trợ PMBus, SMBus và I²C, chạy trên bất kỳ kênh nào — tương tự hoặc số — và hiển thị cùng khung thời gian với dạng sóng tương tự. Bản MSO của dòng 3000E bổ sung 16 kênh số chia thành hai cổng 8 kênh với ngưỡng logic đặt riêng, phù hợp khi bus điều khiển và đường nguồn cần xem song song.
