Đã có bài chọn máy hiện sóng lấy mẫu 9300 hay SXRTO 9404A và bài quy trình đo biểu đồ mắt và TDR. Câu hỏi còn lại thường đến từ trưởng phòng thí nghiệm hoặc kỹ sư quy trình: máy hiện sóng lấy mẫu ứng dụng vào những ngành nào, bài toán cụ thể ra sao, và cấu hình nào của dòng PicoScope 9000 hợp với từng bài toán. Datasheet PicoScope 9300 và 9400A liệt kê cùng một nhóm ứng dụng: thử nghiệm viễn thông và radar, sợi quang cùng bộ thu phát và laser, đo RF, vi sóng và hệ thống số gigabit, đặc tính linh kiện bán dẫn, phân tích TDR/TDT cho cáp, đầu nối, backplane và mạch in. Bài này đi qua từng nhóm dưới góc nhìn bài toán thật, với số liệu lấy từ datasheet chính hãng.
Khi nào bài toán hợp với lấy mẫu tương đương
Cả hai nhánh của dòng 9000 đều dựng dạng sóng từ nhiều lần trigger. Nhánh 9300 lấy mẫu tuần tự: sau mỗi trigger lấy một điểm ở độ trễ lập trình sẵn, đạt 15 TS/s (64 fs). Nhánh SXRTO 9404A lấy mẫu ngẫu nhiên, đạt 5 TS/s (0,2 ps) trên mã 25 và 33 GHz. Đổi lại cho độ mịn thời gian đó là một điều kiện cứng: tín hiệu phải lặp lại, hoặc gắn với một clock ổn định. Sự kiện đơn lẻ không lặp là việc của máy hiện sóng thời gian thực; khác biệt giữa hai kiến trúc được phân tích trong bài máy hiện sóng thời gian thực và lấy mẫu tương đương.
Trước khi đi vào từng ngành, ba câu hỏi sàng lọc gần như quyết định cấu hình:
- Tín hiệu có lặp lại không? Chuỗi dữ liệu, clock, xung kích lặp theo chu kỳ đều hợp. Lỗi thoáng qua một lần thì không.
- Có sẵn clock để trigger không? Nhánh 9300 cần trigger riêng, hoặc khối khôi phục clock trên 9302 và 9321. Nhánh 9404A trigger được từ chính kênh đo, DC tới 2,5 GHz.
- Có cần thấy phần trước trigger không? Lấy mẫu tuần tự không bắt được dữ liệu trước trigger; SXRTO thì bắt được.
PicoScope 9000 ứng dụng theo ngành: bản đồ nhanh
| Ngành | Bài toán điển hình | Mã phù hợp | Tính năng quyết định |
|---|---|---|---|
| Viễn thông quang | Mắt quang, hệ số tắt, kiểm mặt nạ bộ phát | 9321-20; 9404A kèm bộ chuyển đổi quang-điện ngoài | Bộ chuyển đổi quang-điện 9,5 GHz, khôi phục clock tới 11,3 Gb/s |
| Linh kiện bán dẫn | Thời gian lên/xuống, đáp ứng xung, trễ qua linh kiện | 9301-30, 9341-30, 9404A-33 | Thời gian lên 11,7 ps trên mã 9300 30 GHz; lấy mẫu trước trigger trên 9404A |
| Mạch in, cáp, backplane | Trở kháng, vị trí lỗi, trễ lan truyền | 9311-20; 9300 ghép PicoSource PG900 | Phân giải trở kháng 16 mm, định vị lỗi 4 mm |
| Radar và xung RF | Hình bao xung sóng mang, định thời | 9404A-06, 9404A-16 | Trigger trên kênh, chế độ hình bao, phân đoạn |
| Thiết kế số tốc độ cao | Mắt, xuyên kênh, tiền tuân thủ | 9341-20, 9404A-16, 9404A-25 | Bốn kênh, FFT, thư viện mặt nạ |
| Sản xuất và nghiệm thu | Đạt/không đạt tự động | Mọi mã | Kiểm giới hạn bốn thông số, SDK qua USB hoặc LAN |
Viễn thông quang: đo module quang và bộ thu phát
Bài toán hay gặp nhất trong nhóm này là kiểm nhận module quang và bộ phát laser: dạng mắt có qua mặt nạ không, hệ số tắt bao nhiêu, mắt còn mở bao nhiêu. Theo datasheet, PicoScope 9321-20 phân tích được các tín hiệu thông tin quang chuẩn như OC48/STM16, Fibre Channel 4,250 Gb/s và 2xGB Ethernet, đo tự động hệ số tắt, S/N, eye height và eye width; nhờ khối khôi phục clock tích hợp, máy dùng được tới 11,3 Gb/s.
Vì sao khôi phục clock quan trọng ở đầu xa sợi quang
Ở bàn thử bộ phát, clock của máy phát mẫu thường nằm ngay cạnh và có thể dùng để trigger. Nhưng ở đầu xa của sợi quang chỉ còn dữ liệu; datasheet 9400A nêu đúng tình huống này là lý do cần khôi phục clock. Thêm một lý do nữa: khi đánh giá chất lượng tín hiệu, ta muốn thấy đúng thứ mà bộ thu thật (vốn cũng tự khôi phục clock) sẽ thấy. Vì vậy với bài toán nghiệm thu đường truyền quang, 9321-20 có lợi thế là bộ chuyển đổi quang-điện và khôi phục clock nằm trong cùng một hộp.
Thông số bộ chuyển đổi quang-điện cần đọc trước khi lắp
- Băng thông 9,5 GHz điển hình, dải bước sóng hiệu dụng 750–1650 nm, hiệu chuẩn tại 850 nm (MM), 1310 nm (MM/SM) và 1550 nm (SM).
- Thời gian chuyển đổi 51 ps điển hình, tính theo 0,48 chia băng thông quang. Con số này cộng vào thời gian lên đo được của laser, nên khi đánh giá sườn quang hãy hiệu chỉnh theo tổng căn bậc hai như phần bán dẫn bên dưới.
- Đầu vào FC/PC, nhận sợi đơn mode và đa mode; suy hao phản xạ đầu vào −24 dB điển hình với SM, −16 dB điển hình với MM. Laser nhạy với phản xạ ngược nên được đánh giá cả thông số này khi lắp đo.
- Bộ lọc Bessel–Thomson theo tốc độ bit giúp dạng sóng đại diện cho tín hiệu mà bộ thu quang đã cân bằng sẽ thấy; không có bộ lọc, đầu ra bộ chuyển đổi dao động và số đo mắt sai lệch.
Máy hiện sóng lấy mẫu mạnh ở dạng sóng và các tỉ số (hệ số tắt, S/N, độ mở mắt). Con số công suất quang tuyệt đối để ghi vào biên bản nghiệm thu nên đối chiếu với máy đo công suất quang chuyên dụng, ví dụ các cấu hình trong bài chọn máy đo công suất quang Keysight N7745C hay khung 8163B.
Ba cấu hình theo tình huống đo module quang
- QC nhận module tốc độ tới 10 Gb/s, có sợi quang: 9321-20 kèm bộ lọc Bessel–Thomson đúng tốc độ bit, dùng mặt nạ chuẩn có biên.
- Phía điện của module trên bo chủ: 9302-20 (khôi phục clock tích hợp) hoặc 9404A-16 có tuỳ chọn khôi phục clock lắp tại nhà máy, trigger chọn được từ bất kỳ kênh nào.
- Nghiên cứu PAM4: 9404A-25 hoặc 9404A-33 kèm bộ chuyển đổi quang-điện ngoài. Datasheet 9400A ghi rõ ứng dụng sợi quang, bộ thu phát và laser nhưng không kèm bộ chuyển đổi quang-điện; đổi lại có bốn kênh và phép đo PAM4, thư viện mặt nạ có cả mặt nạ Fibre Channel 4,25 Gb/s.
Bán dẫn: đặc tính linh kiện ở thang picosecond
Với linh kiện, bài toán thường là thời gian lên và xuống của driver, laser driver, bộ đệm clock; đáp ứng xung; và độ trễ lan truyền qua linh kiện. Nhánh 9404A đo sẵn phép đo giữa hai vết như pha, trễ và độ lợi, đủ cho phép đo trễ đầu vào–đầu ra.
Chọn băng thông theo sai số chấp nhận được
Thời gian lên đọc được xấp xỉ bằng tổng căn bậc hai của sườn thật và thời gian lên của hệ đo (giả định đáp ứng gần Gaussian). Theo datasheet, mã 20 GHz có thời gian lên 17,5 ps và mã 30 GHz có 11,7 ps (10–90%, giá trị tính). Một sườn thật 35 ps đo trên mã 20 GHz sẽ đọc khoảng 39,1 ps, cao hơn 11,8%; trên mã 30 GHz đọc khoảng 36,9 ps, cao hơn 5,4%. Quy tắc gọn: khi sườn linh kiện gấp khoảng ba lần thời gian lên của máy, sai số còn khoảng 5,4%. Nếu buộc phải dùng máy chậm hơn, hiệu chỉnh ngược: căn bậc hai của 39,1² trừ 17,5² cho lại khoảng 35,0 ps, nhưng nhớ thời gian lên của máy là giá trị tính nên kết quả hiệu chỉnh cũng chỉ là xấp xỉ.
Ngoài băng thông, ADC 16 bit và dải động hơn 60 dB của nhánh 9300 giúp nhìn rõ vọt lố và dao động nhỏ trên một bước biên độ lớn. Nhánh 9404A lại thấy được đường nền trước sườn nhờ lấy mẫu trước trigger; datasheet cho biết mã 16 GHz có 70 điểm mẫu giữa 10% và 90% của sườn nhanh nhất.
Nguồn kích thích và đầu dò cho phép đo linh kiện
- PicoSource PG900: PG911 có đầu ra xung 60 ps; PG914 thêm đầu tunnel diode dưới 40 ps, biên độ cố định 200 mV. Độ rộng xung 200 ns tới 4 µs, chu kỳ clock nội 1 µs tới 1 s, jitter điển hình 3,0 ps RMS so với trigger ngoài.
- Đầu dò PicoConnect 900: điện dung tải dưới 0,3 pF điển hình, đầu SMA đổi được tỉ lệ 5:1, 10:1 và 20:1, ghép AC hoặc DC, dùng tới 9 GHz và 18 Gb/s, dò được đường truyền Z0 từ 0 tới 100 Ω. Bộ PicoConnect 910 gồm sáu đầu dò 4–5 GHz, bộ 920 gồm sáu đầu dò 6–9 GHz.
Chọn thiết bị và đầu dò chung cho máy hiện sóng được bàn kỹ trong bài chọn que đo cho máy hiện sóng.
Mạch in, cáp, đầu nối và backplane: TDR trong sản xuất
Datasheet 9300 nêu ứng dụng TDR/TDT cho cáp, đầu nối, backplane, mạch in và mạng. Ở nhà máy, ba bài toán hay gặp là đo coupon trở kháng của lô mạch in, kiểm cáp lắp ráp trước khi xuất, và định vị lỗi trên backplane hoặc đầu nối. PicoScope 9311-20 tích hợp bộ phát bước vi sai có bù lệch, phân giải trở kháng tới 16 mm và định vị lỗi tới 4 mm; các bước hiệu chuẩn và đọc dạng sóng đã có trong bài quy trình F2 ở đầu bài.
Đưa phép đo TDR vào dây chuyền
- Kiểm giới hạn: máy áp được giới hạn cho tối đa bốn thông số đo cùng lúc, đủ cho trở kháng, trễ lan truyền và hệ số truyền.
- Tự động hoá: phần mềm chạy độc lập hoặc dưới điều khiển ActiveX theo chuẩn COM; ví dụ lập trình có sẵn cho VB.NET, MATLAB, LabVIEW và Delphi, dùng được cả JavaScript và C. SDK điều khiển máy qua cổng USB hoặc LAN, nên trạm đo có thể nằm xa máy tính điều khiển.
- Đặt máy sát DUT: hộp 170 × 285 × 40 mm, nặng 1,3 kg; datasheet nêu có thể đặt máy ngay cạnh thiết bị cần đo để giữa hai bên chỉ còn một đoạn cáp đồng trục ngắn, suy hao thấp.
- Tách nguồn xung: ghép bất kỳ mã 9300 nào với PicoSource PG900 để có TDR/TDT trên 9301, 9302, 9321 và 9341, đồng thời đặt được đầu phát xung ở vị trí thuận tiện.
Radar và xung RF: khi cần nhìn trước trigger
Xung sóng mang RF là nền của hạ tầng thông tin, nhưng hình dạng, méo và định thời của xung cuối cùng (ví dụ tại anten) khó đo nếu đi qua bộ giải điều chế. Datasheet 9400A minh hoạ bằng một phép đo trên PicoScope 9404A-06: bắt thời gian thực một sóng mang 2,4 GHz điều biên dạng xung, rồi dùng chế độ hình bao (giữ giá trị đỉnh qua nhiều lần thu) để đo thông số xung.
- Giới hạn cần biết: phép đo này bị chặn bởi tốc độ lấy mẫu thời gian thực 500 MS/s, nên băng thông giải điều chế Nyquist là 250 MHz.
- Ba kênh còn lại theo dõi được dữ liệu điều chế, điện áp nguồn hoặc dòng cấp cho bộ khuếch đại công suất, cùng trục thời gian.
- Chế độ phân đoạn chia bộ nhớ thành 2 tới 1024 đoạn, thời gian tái kích dưới 3 µs, mỗi đoạn gắn dấu thời gian tuyệt đối và tương đối; bộ tìm đoạn dùng tìm kiếm nhị phân để lọc xung bất thường trong loạt dài.
- Chế độ roll từ 100 ms/div tới 1000 s/div cho các xu hướng chậm như trôi nhiệt của bộ phát.
Vì phần mở đầu xung chính là thứ cần xem, nhánh 9300 (không bắt trước trigger, cần trigger riêng) ít hợp với bài toán này hơn nhánh 9404A.
Phân tích tín hiệu tốc độ cao trong thiết kế số
Datasheet 9300 liệt kê Ethernet, HDMI 1 và 2, PCI, SATA; datasheet 9400A liệt kê HDMI 1, PCI, SATA, USB 2.0 cùng kiểm thử tính toàn vẹn tín hiệu và tiền tuân thủ. Trong phòng thiết kế, máy hiện sóng lấy mẫu thường giải ba bài toán:
- Tiền tuân thủ trước khi mang mẫu đi thử chuẩn: kiểm mắt và mặt nạ để sửa sớm. Thử tuân thủ chính thức cần đồ gá và quy trình riêng của từng chuẩn, như phân tích trong bài kiểm thử HDMI 2.2 lớp vật lý với thiết bị Keysight.
- Xuyên kênh giữa hai cặp vi sai: PicoScope 9341-20 có bốn kênh, chọn được thu đồng thời hoặc luân phiên; nhìn cặp gây nhiễu và cặp bị nhiễu trên cùng trục thời gian, rồi dùng FFT để tìm xuyên kênh và méo. Máy có 61 hàm toán học và trình soạn phương trình cho hàm tuỳ biến.
- Dò tín hiệu trên bo thật: datasheet minh hoạ đầu dò PicoConnect 900 hàn thẳng lên bo để bắt tín hiệu HDMI bằng máy 9300.
Nghiên cứu và phòng thí nghiệm định thời
Datasheet 9400A đưa phân tích định thời và pha chính xác vào danh sách ứng dụng. Jitter nội tại 1,2 ps RMS, bộ đếm tần số hiển thị liên tục với độ phân giải 1 ppm, cùng phép đo pha và trễ giữa các vết, là bộ công cụ gọn cho phòng thí nghiệm đo đồng bộ nhiều kênh. Bối cảnh các hệ cần định thời chính xác, ví dụ điều khiển qubit, có trong bài định thời và đồng bộ chính xác cho hệ đo lượng tử.
Các model trong dòng PicoScope 9000
| Mã | Băng thông / kênh | Ứng dụng tiêu biểu |
|---|---|---|
| 9301-20 | 20 GHz / 2 | Mạch số gigabit có clock; TDR khi ghép PG900 |
| 9301-30 | 30 GHz / 2 | Đặc tính sườn linh kiện bán dẫn |
| 9302-20 | 20 GHz / 2 | Phía điện module quang, chỉ có dữ liệu |
| 9311-20 | 20 GHz / 2 | Coupon trở kháng PCB, cáp, backplane |
| 9321-20 | 20 GHz / 2 + quang | Kiểm nhận module quang, bộ phát laser |
| 9341-20 | 20 GHz / 4 | Xuyên kênh hai cặp vi sai |
| 9341-30 | 30 GHz / 4 | Bốn kênh cho sườn nhanh |
| 9404A-06 | 6 GHz / 4 | Xung RF, radar, sự kiện hiếm |
| 9404A-16 | 16 GHz / 4 | Tiền tuân thủ giao tiếp số |
| 9404A-25 | 25 GHz / 4 | Nghiên cứu PAM4, bộ thu phát |
| 9404A-33 | 33 GHz / 4 | Đáp ứng xung linh kiện nhanh |
Hiệu chuẩn và độ tin cậy của kết quả
Ở mọi ngành trên, kết quả chỉ có giá trị khi hệ đo được kiểm soát. Datasheet 9300 bảo đảm độ chính xác trong phạm vi 2 °C quanh lần tự hiệu chuẩn gần nhất và ghi hiệu lực hiệu chuẩn một năm. Với biên bản kiểm nhận module, kết quả đạt/không đạt trên dây chuyền hay số đo trở kháng gửi khách hàng, hãy giữ lịch hiệu chuẩn thiết bị đo cho cả máy lẫn phụ kiện chuẩn. Thiết bị và phụ kiện Pico khác có tại trang thiết bị Pico Technology.
Câu hỏi thường gặp
Máy hiện sóng lấy mẫu ứng dụng trong những ngành nào?
Theo datasheet PicoScope 9300 và 9400A: thử nghiệm viễn thông và radar, sợi quang cùng bộ thu phát và laser, đo RF, vi sóng và hệ thống số gigabit, đặc tính linh kiện bán dẫn, và phân tích TDR/TDT cho cáp, đầu nối, backplane, mạch in. Điều kiện chung là tín hiệu phải lặp lại.
Đo module quang nên dùng mã PicoScope 9000 nào?
PicoScope 9321-20 có sẵn bộ chuyển đổi quang-điện 9,5 GHz (750–1650 nm, SM và MM) và khôi phục clock, dùng được tới 11,3 Gb/s. Nhánh 9404A cũng dùng cho sợi quang và bộ thu phát nhưng cần bộ chuyển đổi quang-điện ngoài.
Mã 20 GHz có đủ để đo thời gian lên 35 ps không?
Đo được nhưng đọc cao hơn khoảng 11,8% (khoảng 39,1 ps) do thời gian lên 17,5 ps của máy. Mã 30 GHz (11,7 ps) giảm sai số xuống khoảng 5,4%.
Vì sao đo xung radar nên dùng nhánh 9404A?
9404A trigger được trên chính kênh đo và bắt được phần trước trigger, có chế độ hình bao, phân đoạn tới 1024 đoạn và ba kênh còn lại để theo dõi nguồn cấp. Nhánh 9300 không bắt trước trigger và cần trigger riêng.
PicoScope 9000 có tự động hoá trên dây chuyền sản xuất được không?
Được. Phần mềm chạy dưới điều khiển ActiveX theo chuẩn COM, có ví dụ cho VB.NET, MATLAB, LabVIEW và Delphi, điều khiển qua USB hoặc LAN, và áp giới hạn cho tối đa bốn thông số đo để ra kết quả đạt/không đạt.
