Máy hiện sóng tín hiệu hỗn hợp hấp dẫn vì lời hứa rất gọn: cắm thêm 16 kênh số, thế là nhìn được cả dạng sóng tương tự lẫn bus số trên cùng một trục thời gian. Trong thực tế, phần lớn kết luận sai khi gỡ lỗi hệ nhúng không đến từ việc thiếu kênh mà đến từ hai chỗ ít ai kiểm tra: ngưỡng logic máy hiện sóng MSO đặt ở đâu, và kênh số thực sự lệch pha bao nhiêu so với kênh tương tự. Bài viết này đi vào con số cụ thể của cả hai.
Kênh số không phải là kênh tương tự thu nhỏ
Điểm khác biệt gốc rễ: kênh số của máy hiện sóng chỉ có độ phân giải dọc 1 bit. Máy không ghi lại biên độ, nó chỉ ghi lại kết quả so sánh biên độ với một mức ngưỡng. Mọi thông tin về hình dạng sườn, về mức nhiễu, về sụt áp đều bị vứt bỏ ngay tại bộ so sánh. Đây là lý do kênh số cực kỳ hiệu quả để xem quan hệ định thời giữa nhiều đường tín hiệu, nhưng vô dụng để đánh giá chất lượng tín hiệu.
Nguyên tắc thực hành rút ra rất đơn giản. Dùng kênh số để trả lời câu hỏi “bit này đến trước hay sau bit kia”. Dùng kênh tương tự để trả lời câu hỏi “sườn tín hiệu này có sạch không”. Nhầm vai trò giữa hai loại kênh là nguồn gốc của phần lớn giờ gỡ lỗi bị lãng phí.
Ngưỡng logic máy hiện sóng MSO đặt theo pod chứ không theo từng kênh
Trên dòng InfiniiVision 3000T X-Series, 16 kênh số được chia thành hai pod: pod 1 gồm D0 đến D7, pod 2 gồm D8 đến D15. Ngưỡng logic được đặt theo từng pod, không đặt riêng cho từng kênh.
Đây là ràng buộc phần cứng có hậu quả trực tiếp lên cách đấu dây. Nếu bo mạch có một phần chạy logic 3,3 V và một phần chạy logic 1,8 V, hai nhóm tín hiệu đó phải nằm ở hai pod khác nhau. Đấu lẫn vào cùng một pod thì buộc phải chọn một ngưỡng chung, và ngưỡng nào cũng sai với ít nhất một trong hai họ logic.
Máy cung cấp ba mức ngưỡng đặt sẵn là TTL ở +1,4 V, CMOS 5 V ở +2,5 V và ECL ở −1,3 V, cùng chế độ tự đặt. Dải ngưỡng tự đặt là ±8,0 V với bước 10 mV, chọn được theo từng pod. Với logic 1,8 V hoặc 2,5 V vốn không có mức đặt sẵn tương ứng, chế độ tự đặt là bắt buộc chứ không phải tuỳ chọn.
Sai số ngưỡng biến thành sai số thời gian như thế nào
Độ chính xác ngưỡng của dòng máy này là ±(100 mV + 3% mức ngưỡng đặt). Con số này cần được đọc kỹ vì nó không phải sai số biên độ vô hại.
Ở mức đặt sẵn TTL 1,4 V, sai số là ±(100 mV + 42 mV), tức ±142 mV. Ở mức CMOS 2,5 V, sai số là ±175 mV. Với logic 1,8 V đặt ngưỡng ở giữa dải khoảng 0,9 V, sai số còn ±127 mV, tương đương khoảng 7% biên độ toàn phần của tín hiệu.
Chỗ nguy hiểm là cách sai số này chuyển thành sai số định thời. Bộ so sánh chuyển trạng thái khi tín hiệu cắt ngưỡng, nên ngưỡng lệch bao nhiêu vôn sẽ làm thời điểm chuyển lệch đi bấy nhiêu chia cho tốc độ biến thiên của sườn. Với sườn dốc 1 V/ns, sai số ngưỡng 142 mV chỉ gây lệch khoảng 142 ps, hoàn toàn chấp nhận được. Nhưng với sườn thoải 0,1 V/ns, chẳng hạn một đường I2C kéo lên bằng điện trở với tụ ký sinh lớn, cùng sai số đó tạo ra lệch tới khoảng 1,4 ns. Đây là lý do kết quả đo setup và hold trên bus có sườn chậm cần được nhìn với thái độ dè dặt.
Tốc độ lấy mẫu và độ lệch giữa các kênh
Ba con số cần nhớ khi đọc kết quả định thời trên dòng 3000T X-Series.
Thứ nhất, kênh số lấy mẫu tối đa 1,25 GSa/s trên toàn bộ các pod, tương ứng chu kỳ lấy mẫu 800 ps. Trong khi đó kênh tương tự đạt 5 GSa/s khi dùng nửa số kênh, tức chu kỳ 200 ps. Nói cách khác, độ phân giải thời gian của kênh số thô hơn kênh tương tự khoảng bốn lần. Khi so sườn tương tự với sườn số trên cùng màn hình, phần lớn chênh lệch nhìn thấy được đến từ chính chênh lệch lấy mẫu này chứ không phải từ mạch điện.
Thứ hai, độ rộng xung nhỏ nhất mà kênh số phát hiện được là 5 ns. Xung ngắn hơn có thể bị bỏ qua hoàn toàn. Đi tìm glitch hẹp bằng kênh số là chọn sai công cụ; việc đó thuộc về kênh tương tự với chế độ phát hiện đỉnh.
Thứ ba, độ lệch giữa các kênh số là 2 ns điển hình và 3 ns tối đa. Con số này thường bị bỏ qua nhưng lại là giới hạn cứng của mọi phép đo quan hệ định thời giữa hai đường số. Nếu đang kiểm tra một ràng buộc setup còn dư địa 1 ns, phép đo bằng kênh số không kết luận được gì, vì bản thân độ lệch của máy đã lớn hơn dư địa cần kiểm.
Về bù lệch, máy cho phép hiệu chỉnh trong dải ±100 ns giữa các kênh. Đây là công cụ để bù chênh lệch chiều dài dây đo và đầu dò, và nên được thực hiện lại mỗi khi đổi bộ đầu dò.
Điều kiện tín hiệu để kênh số đọc đúng
Ba ràng buộc đầu vào cần kiểm trước khi tin vào dữ liệu.
Biên độ tín hiệu phải đạt tối thiểu 500 mVpp. Tín hiệu biên độ thấp hơn có thể không làm bộ so sánh chuyển trạng thái ổn định.
Tín hiệu phải nằm trong dải động ±10 V quanh mức ngưỡng, và điện áp vào tuyệt đối không vượt ±40 V đỉnh ở mức CAT I.
Cuối cùng là tải của đầu dò: trở kháng vào 100 kΩ với dung kháng khoảng 8 pF tại đầu que đo. Trở kháng một chiều rất cao nên không gây sụt mức logic, nhưng 8 pF là con số đáng kể với mạch tốc độ cao. Trên đường tín hiệu có trở kháng nguồn lớn, chính điện dung này sẽ làm thoải sườn, và sườn thoải lại quay về khuếch đại sai số ngưỡng như phân tích ở trên. Đây là vòng lặp nhân quả cần nhận ra khi kết quả đo không khớp với mô phỏng.
Chọn máy theo bài toán
Máy hiện sóng tín hiệu hỗn hợp Keysight MSOX3024T thuộc dòng 3000T X-Series với cấu hình 4 kênh tương tự cộng 16 kênh số, tức tổng cộng 20 kênh có tương quan thời gian. Toàn bộ thông số nêu trong bài đều lấy từ tài liệu kỹ thuật của dòng máy này. Đây là lựa chọn cân bằng cho gỡ lỗi vi điều khiển và bus nối tiếp tốc độ vừa.
Khi tín hiệu tương tự đi kèm có sườn nhanh hơn khả năng của dòng 3000T, máy hiện sóng Keysight MSOX4154G thuộc dòng 4000 X-Series cung cấp băng thông tương tự cao hơn trong khi vẫn giữ 16 kênh số.
Với hệ thống có tín hiệu tương tự tốc độ cao nhất, máy hiện sóng Keysight MSOX6004A thuộc dòng 6000 X-Series là cấu hình mạnh nhất trong họ InfiniiVision cho bài toán tín hiệu hỗn hợp.
Ở cả ba mức máy, việc dựng điều kiện bắt sự kiện vẫn là phần quyết định hiệu quả gỡ lỗi. Các cơ chế nâng cao đã được trình bày trong bài trigger nâng cao trên máy hiện sóng, và chúng hoạt động trên cả kênh tương tự lẫn kênh số.
Kết luận
Kênh số của máy hiện sóng MSO là công cụ đo quan hệ định thời, không phải công cụ đo chất lượng tín hiệu. Ba con số quyết định giới hạn của nó là sai số ngưỡng ±(100 mV + 3% mức đặt), chu kỳ lấy mẫu 800 ps và độ lệch giữa các kênh 2 ns điển hình. Trước khi kết luận một ràng buộc định thời bị vi phạm, hãy so dư địa cần kiểm với ba con số đó; nếu dư địa nhỏ hơn, phép đo phải chuyển sang kênh tương tự.
Các thông số này chỉ đúng khi máy còn nằm trong dung sai công bố. Ngưỡng so sánh và mạch định thời đều trôi theo thời gian và nhiệt độ. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, cung cấp máy hiện sóng InfiniiVision cùng dịch vụ hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn chọn cấu hình hoặc lên lịch hiệu chuẩn định kỳ.
