Máy phân tích dạng sóng dòng điện Keysight CX3300A cùng bộ cảm biến dòng đi kèm (ảnh minh họa: Techmaster).
Có một loại lỗi thiết kế mà đồng hồ vạn năng không bao giờ chỉ ra được: thiết bị chạy đúng, số đo dòng trung bình đẹp, nhưng pin vẫn hết sớm hơn tính toán vài tuần. Nguyên nhân thường nằm ở những xung dòng rất ngắn và rất nhỏ mà phép đo trung bình đã làm phẳng mất. Máy phân tích dạng sóng dòng điện ra đời đúng cho khoảng trống đó, và Keysight CX3300A là dòng máy đại diện. Bài này giải thích lớp thiết bị ấy làm được gì, không làm được gì, và khi nào bạn thực sự cần đến nó.
Máy phân tích dạng sóng dòng điện là gì?
Đó là thiết bị đo được hình dạng theo thời gian của dòng điện, chứ không chỉ giá trị của nó. Theo cách Keysight tự mô tả trong data sheet dòng CX3300A, máy này gộp ba năng lực vốn nằm ở ba thiết bị khác nhau: băng thông và tốc độ lấy mẫu của một máy hiện sóng, độ nhạy của một đồng hồ vạn năng, và khả năng ghi dài của một data logger — cộng thêm phần phân tích dạng sóng chạy ngay trên máy.
Điểm mấu chốt là cùng một lần đo. Trên đường nguồn của một thiết bị IoT, dòng tiêu thụ nhảy từ mức sub-µA lúc ngủ lên mA lúc phát sóng, rồi rơi trở lại, tất cả trong vài trăm nano giây. Muốn thấy trọn quá trình đó, thiết bị đo phải vừa đủ nhanh để bắt sườn xung, vừa đủ nhạy để không chôn mức ngủ dưới sàn nhiễu. Hai yêu cầu này kéo ngược nhau, và đó chính là lý do lớp thiết bị này tồn tại.
Vì sao DMM và đầu dò dòng bỏ sót dòng tiêu thụ động?
Data sheet CX3300A nói khá thẳng: đồng hồ vạn năng, đầu dò dòng và đầu dò vi sai đặt trên điện trở shunt đều là công cụ chuẩn để đo dòng, nhưng chúng đang dần không đủ để bắt dạng sóng dòng và áp động trên đường nguồn, vì luôn phải đánh đổi giữa băng thông, tốc độ lấy mẫu, độ nhạy và nhiễu.
Tài liệu này minh hoạ bằng hai phép đo song song. Ở phép thứ nhất, cùng một xung khởi động (inrush) và cùng một nhiễu chu kỳ do mạch LDO sinh ra: máy phân tích dạng sóng dòng điện hiện rõ cả hai, còn đồng hồ vạn năng không bắt được xung khởi động và không thấy nhiễu — băng thông và tốc độ lấy mẫu quá thấp nên vấn đề tiềm ẩn bị bỏ qua. Ở phép thứ hai, một dao động biên độ khoảng 1 mV nằm ngoài tầm của đầu dò vi sai thông thường vẫn được ghi lại đầy đủ.
Ranh giới giữa bốn lớp thiết bị đo dòng — đây không phải bảng xếp hạng (ảnh minh họa: Techmaster).
Đây không phải chuyện thiết bị nào “tốt hơn”. Nếu bạn cần đo dòng một chiều cực nhỏ ở trạng thái gần như tĩnh, pico-ampe kế hoặc điện kế vẫn là lựa chọn đúng và xuống được tới mức femto-ampe. Nếu bạn cần nhìn dòng biên độ lớn ở tốc độ cao mà không cắt mạch, đầu dò dòng kẹp cho máy hiện sóng — chẳng hạn Keysight N2893A — làm việc đó gọn gàng. Vấn đề chỉ xuất hiện khi hai yêu cầu nhanh và nhỏ rơi vào cùng một phép đo.
Keysight CX3300A giải bài toán đó bằng cách nào?
CX3324A trên bàn lab R&D, cạnh bo mạch cần đo hồ sơ dòng tiêu thụ (ảnh minh họa: Techmaster).
Bằng bộ chuyển đổi tương tự-số hai chế độ và một thiết kế khung máy hạ sàn nhiễu. Ở chế độ tốc độ cao, máy lấy mẫu 1 GSa/s với độ phân giải 14 bit trên mỗi kênh; ở chế độ độ phân giải cao, máy chuyển sang 16 bit ở 75 MSa/s. Đây là đánh đổi có ý thức và bạn cần biết trước khi cấu hình: chế độ 16 bit cho nhiễu điện áp RMS của khung máy khoảng 46 µVrms (đo ở dải ±0,5 V, toàn băng thông) nhưng băng thông analog chỉ còn 14 MHz, trong khi chế độ 14 bit mới mở ra các tuỳ chọn băng thông 50, 100 hoặc 200 MHz — với nhiễu tương ứng khoảng 120, 170 và 250 µVrms. Cần nói rõ: đây là nhiễu điện áp của khung máy, không phải sàn nhiễu dòng — sàn nhiễu dòng do cảm biến quyết định.
Keysight nhấn mạnh rằng ADC độ phân giải cao thôi thì chưa đủ: sàn nhiễu của chính khung máy mới là thứ giới hạn độ nhạy thật. Đó là lý do phần lớn công sức thiết kế nằm ở việc đạt băng thông rộng và sàn nhiễu thấp cùng lúc. Bộ nhớ sâu tới 256 Mpts mỗi kênh giúp giữ được cả chuỗi hoạt động dài mà không phải hạ tốc độ lấy mẫu.
Nên chọn CX3322A hay CX3324A?
CX3324A với màn hình cảm ứng 14,1 inch và hàng cảm biến cắm dọc mép trước (ảnh minh họa: Techmaster).
Khác biệt nằm ở số kênh và ở khả năng đồng bộ với tín hiệu số. CX3322A có 2 kênh analog; CX3324A có 4 kênh và là model duy nhất nhận được cụm 8 kênh số CX1152A. Cụm kênh số này không phải phụ kiện trang trí: mỗi que đo có trở kháng vào 10 MΩ, đủ cao để bạn kích khởi phép đo theo chân I/O hay bus dữ liệu của vi điều khiển mà không làm sai lệch chính dòng tiêu thụ đang đo — điều mà que đo số thông thường khó bảo đảm.
Hai tuỳ chọn còn lại chọn khi đặt hàng và đều nâng cấp được bằng license về sau: băng thông (50, 100 hoặc 200 MHz) và bộ nhớ (4, 16, 64 hoặc 256 Mpts mỗi kênh). Nếu công việc chủ yếu là hồ sơ dòng của firmware thì bộ nhớ đáng đầu tư hơn băng thông; nếu bạn săn xung ghi/xoá cỡ trăm nano giây thì ngược lại.
Cảm biến nào cho dải dòng nào?
Đây là chỗ dễ hiểu nhầm nhất, nên xin nói rõ: khung máy quyết định số kênh, ADC và bộ nhớ; còn dải dòng đo được và băng thông là của cảm biến bạn gắn vào. Không có cấu hình nào đo được đồng thời 150 pA, 100 A và 200 MHz.
Mỗi dòng trong bảng là một cảm biến riêng, với dải dòng và băng thông riêng (ảnh minh họa: Techmaster).
Vài lựa chọn đáng nhớ. CX1103A là cảm biến phía mass, khử được thành phần offset một chiều — cảm biến dành cho tín hiệu dòng nhỏ nằm trên nền dòng một chiều lớn. Dải ghi trên catalog là 150 pA đến 20 mA, nhưng ở đây có một chi tiết quan trọng: băng thông của nó đổi theo dải đo. Con số 200 MHz là của dải 20 mA; xuống dải 2 mA còn 75 MHz, dải 200 µA còn 9 MHz, và dải 200 nA — chính là dải cho ra sàn nhiễu 150 pA — chỉ còn 100 kHz. Nói cách khác, không thể vừa có độ nhạy pico-ampe vừa có băng thông 200 MHz trên cùng một dải. Ngoài ra 200 MHz còn đòi hỏi khung máy đặt kèm option băng thông -B20 và chạy ở chế độ 14 bit; ghép cặp 200 MHz với 200 MHz, công thức của chính data sheet cho băng thông hiệu dụng khoảng 141 MHz. Điện áp common-mode tối đa của CX1103A cũng chỉ ±0,5 V (±1,0 V khi bật trở kháng vào 50 Ω). CX1102A có hai kênh đặt được hai dải khác nhau cùng lúc: kênh chính theo dõi trạng thái hoạt động, kênh phụ tự chuyển sang dải nhạy hơn để nhìn trạng thái ngủ, rất hợp với thiết bị chạy ngắt quãng. CX1105A đo vi sai ngay trên điện trở shunt sẵn có của bo mạch, tức là không phải cắt mạch — dải dòng khi đó phụ thuộc vào giá trị shunt bạn chọn. Còn CX1104A lên tới 15 A nhưng bắt buộc dùng đầu shunt điện trở đã hiệu chuẩn tại Keysight, cần tính vào chi phí ngay từ đầu.
Một lưu ý kỹ thuật hay bị bỏ qua: con số băng thông trong bảng là băng thông của riêng cảm biến khi đứng một mình. Ghép với khung máy, băng thông hiệu dụng luôn thấp hơn, theo quan hệ nghịch đảo bình phương mà data sheet ghi rõ; thời gian sườn 10–90 % xấp xỉ 0,35 chia cho băng thông.
Khi nào cần chế độ ghi dài 100 giờ?
Khi lỗi bạn săn không xảy ra theo lịch. Ở chế độ scope mặc định, máy bắt dạng sóng theo trigger như một máy hiện sóng và thời lượng ghi bằng bộ nhớ chia cho tốc độ lấy mẫu — rất tốt cho một sự kiện đã biết, nhưng vô dụng với một lỗi xuất hiện sau ba ngày chạy thử.
Chế độ data logger, là tuỳ chọn -STG chứ không có sẵn, ghi liên tục không cần trigger ở 10 MSa/s (14 bit) hoặc 7,5 MSa/s (16 bit), tối đa 100 giờ ra ổ SSD/HDD trong hoặc ngoài. Bù lại, dữ liệu ở chế độ này có thể lên tới hàng trăm GB hoặc hàng TB, và chỉ dữ liệu kênh analog được lưu. Keysight khuyến nghị ổ ngoài hỗ trợ USB 3.0 UASP, và tốc độ lấy mẫu hiệu dụng phụ thuộc vào số kênh đang đo lẫn tốc độ ghi của ổ — hai điều kiện nên kiểm tra trước khi lên kế hoạch một phép đo dài.
Máy có sẵn những công cụ phân tích nào?
Ba công cụ đáng chú ý, đều nhắm vào việc rút ngắn thời gian từ “có dữ liệu” đến “hiểu dữ liệu”. Anywhere Zoom cho phép phóng to bất kỳ vùng nào với thang dọc và ngang độc lập, để khai thác hết độ phân giải 14/16 bit và bộ nhớ sâu. Profiler dòng và công suất tự động tự chia bản ghi thành các đoạn theo mức rồi tính dòng trung bình, cực đại, cực tiểu và điện tích tích luỹ cho từng đoạn — công việc mà nhiều nhóm vẫn đang làm thủ công bằng Excel. Waveform trend analyzer vẽ thống kê của từng đoạn trên toàn bộ bản ghi dài, giúp tìm điểm bất thường trong khối dữ liệu 100 giờ mà không phải cuộn tay.
Muốn phân tích hậu kỳ mà không chiếm máy đo, Keysight có phần mềm PC CX3300APPC mang cả năng lực scope mode lẫn data logger mode sang máy tính. Máy cũng được BenchVue hỗ trợ để dựng chuỗi kiểm tra tự động cùng các thiết bị khác trên bàn.
Ứng dụng nào đáng quan tâm nhất ở Việt Nam?
Keysight liệt kê khá rộng, nhưng ba nhóm sau bám sát nhất những gì các nhóm kỹ thuật trong nước đang làm.
Thiết bị IoT và thiết bị đeo chạy pin. Đây là ứng dụng gốc của dòng máy: đo hồ sơ dòng qua các trạng thái ngủ, đánh thức và hoạt động của thiết bị BLE, ZigBee hay NB-IoT để tối ưu firmware quản lý nguồn. Phép đo này bổ sung cho hai hướng liên quan mà chúng tôi đã viết riêng: phương pháp đo dòng cho thiết bị dùng pin và giả lập pin để tái tạo đúng điều kiện nguồn. Khi cần khép vòng sang tuổi thọ cell, phép đo dòng tự phóng pin Li-ion lại là một bài toán khác hẳn.
Đặc trưng hoá linh kiện bán dẫn. Keysight nêu cụ thể nhóm bộ nhớ không bay hơi — RRAM, PCM, MRAM — nơi phải đo dòng chuyển tiếp giữa các chu kỳ đọc, ghi và xoá để đánh giá điện trở của linh kiện thay đổi ra sao. Yêu cầu điển hình là dòng đo từ 100 µA trở xuống trong khi xung ghi/xoá chỉ dài khoảng 100 ns hoặc ngắn hơn. Với hệ sinh thái thiết kế và đóng gói bán dẫn đang hình thành ở Việt Nam, đây là loại phép đo sẽ xuất hiện ngày càng nhiều trong các phòng lab đặc trưng hoá linh kiện.
Sản phẩm đòi hỏi độ tin cậy cao. Data sheet nhắc tới thiết bị y tế và bộ điều khiển điện tử ô tô (ECU) — những sản phẩm mà một xung dòng bất thường không chỉ là chuyện hao pin. Cũng đáng lưu ý là Keysight nêu một ứng dụng ít ai nghĩ tới: quan sát dòng để phát hiện hành vi bất thường của phần mềm, chẳng hạn dấu vết của một cuộc tấn công kênh bên — thứ mà phép đo điện áp đơn thuần không lộ ra.
Cần chuẩn bị gì trước khi đưa vào phòng lab?
Bốn việc nên làm trước khi chốt cấu hình. Một, xác định dải dòng thật của thiết bị cần đo ở cả trạng thái thấp nhất lẫn cao nhất, rồi mới chọn cảm biến — cảm biến chọn sai là lỗi tốn kém nhất vì nó quyết định luôn băng thông. Hai, quyết định sớm về tuỳ chọn data logger: nếu bài toán của bạn là “lỗi hiếm gặp”, đây là tuỳ chọn không thể thiếu. Ba, nhớ rằng CX1104A cần đầu shunt hiệu chuẩn tại Keysight và CX1152A chỉ dùng được với CX3324A. Bốn, chọn cấp hiệu chuẩn khi đặt hàng — tuỳ chọn -UK6 kèm chứng chỉ thương mại có số liệu đo, còn -A6J theo chuẩn ANSI Z540-1-1994; sau đó máy vẫn cần hiệu chuẩn định kỳ thiết bị đo điện để giữ giá trị pháp lý của phép đo.
Nếu phép đo của bạn nghiêng về tính toàn vẹn của điện áp trên đường nguồn hơn là dòng, thì bài toán lại thuộc về một thiết bị khác: xem đầu dò power rail Keysight N7020A. Và nếu bạn cần dòng rò ở mức femto-ampe trong điều kiện tĩnh, điện kế Keysight B2981C mới là công cụ đúng.
Câu hỏi thường gặp
Máy phân tích dạng sóng dòng điện khác máy hiện sóng có đầu dò dòng ở điểm nào?
Khác ở sàn nhiễu và ở dải động. Máy hiện sóng kèm đầu dò dòng kẹp bắt tốt dòng biên độ lớn ở tốc độ cao, nhưng mức µA và nA nằm dưới sàn nhiễu của đầu dò. Máy phân tích dạng sóng dòng điện dùng cảm biến chuyên dụng và ADC 14/16 bit để giữ được cả phần rất nhỏ lẫn phần rất nhanh trong cùng một bản ghi, thay vì phải đo hai lần bằng hai thiết bị.
CX3300A đo được dòng nhỏ tới bao nhiêu?
Con số phụ thuộc hoàn toàn vào cảm biến. Cảm biến phía mass CX1103A đo từ 150 pA đến 20 mA; CX1101A và CX1102A đo từ 40 nA đến 1 A; CX1104A từ 1 µA đến 15 A. Không nên ghép các con số này lại với nhau, vì mỗi cảm biến có băng thông và dải động riêng, và chỉ gắn được một cảm biến cho mỗi kênh tại một thời điểm.
Có phải cứ mua CX3300A là ghi được 100 giờ không?
Không. Chế độ ghi dài là tuỳ chọn data logger (-STG), chọn khi đặt hàng hoặc nâng cấp bằng license sau này. Máy tiêu chuẩn chạy ở chế độ scope, nơi thời lượng ghi bằng bộ nhớ chia cho tốc độ lấy mẫu. Ngay cả khi đã có tuỳ chọn, tốc độ lấy mẫu hiệu dụng vẫn phụ thuộc vào số kênh đang đo và tốc độ ghi của ổ lưu trữ.
Chọn chế độ 16 bit có luôn tốt hơn 14 bit không?
Không, đây là đánh đổi. Chế độ 16 bit cho nhiễu điện áp của khung máy thấp hơn đáng kể (khoảng 46 µVrms so với 120–250 µVrms, đo ở dải ±0,5 V) nhưng băng thông analog chỉ còn 14 MHz và tốc độ lấy mẫu tối đa là 75 MSa/s. Lưu ý đây là nhiễu điện áp của khung máy, không phải sàn nhiễu dòng — sàn nhiễu dòng thuộc về cảm biến bạn gắn vào. Nếu bạn cần nhìn sườn xung cỡ vài chục nano giây thì phải dùng chế độ 14 bit ở 1 GSa/s và chấp nhận sàn nhiễu cao hơn.
Kết luận
Máy phân tích dạng sóng dòng điện không thay thế đồng hồ vạn năng, đầu dò dòng hay điện kế — nó lấp một khoảng trống cụ thể: khi dòng cần đo vừa nhỏ vừa thay đổi nhanh, và bạn cần thấy trọn cả hai đặc tính trong cùng một bản ghi. Keysight CX3300A giải bài toán đó bằng ADC hai chế độ, khung máy nhiễu thấp, bộ nhớ sâu và một họ cảm biến trải rộng — với điều kiện bạn chọn đúng cảm biến và đúng tuỳ chọn ngay từ đầu.
Bạn có thể xem thêm trang sản phẩm CX3324A của Keysight, data sheet đầy đủ 5992-1430 và product fact sheet 5992-1410 để đối chiếu mọi con số trong bài.
Cần tư vấn chọn cấu hình đo dòng tiêu thụ động? Techmaster Electronics là nhà phân phối uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và có phòng hiệu chuẩn ISO/IEC 17025. Xem toàn bộ thiết bị đo Keysight hoặc liên hệ Techmaster để được kỹ sư ứng dụng hỗ trợ chọn khung máy, cảm biến và tuỳ chọn phù hợp với bài toán của bạn.
