Một bộ phát xung nhanh chỉ làm một việc: đánh ra một cạnh điện áp dựng lên trong vài chục pico giây rồi giữ mức đó. Nghe đơn giản, nhưng cạnh xung ấy mang trong nó một dải phổ trải tới hàng chục GHz, nên chỉ một phát là kích thích được toàn bộ đường truyền, đầu nối hay linh kiện cần thử. Việc còn lại là nhìn xem mạch trả lời ra sao theo thời gian — đó là phép đo đáp ứng xung, và trường hợp quen thuộc nhất của nó là phép đo phản xạ miền thời gian, TDR.
Bài này là phần quy trình của loạt bài về dòng PicoSource PG900. Phần chọn mã giữa PG911, PG912, PG914 và nguồn RF AS108 đã có ở bài chọn nguồn tín hiệu RF hay bộ phát xung PicoSource; ở đây ta đi thẳng vào cách đấu, cách cài đặt và cách đọc kết quả. Thông số trong bài lấy từ datasheet, User’s Guide PG900 của Pico và trang sản phẩm Techmaster.
Vì sao một cạnh xung đủ để đo cả đường truyền
Đường truyền 50 Ω lý tưởng cho bước điện áp chạy tới cuối mà không dội lại gì. Bất cứ chỗ nào trở kháng lệch khỏi 50 Ω — một via, một đầu nối, một đoạn mạch in bị thắt, một mối hàn — đều trả về một phần năng lượng. Phần dội về đó đến máy đo sau một khoảng thời gian tỉ lệ với khoảng cách tới điểm lỗi, và mang dấu (lên hay xuống) cho biết trở kháng tại đó cao hay thấp.
Từ đây ra hai con số quyết định chất lượng phép đo TDR:
- Thời gian chuyển của cạnh xung. Cạnh càng nhanh thì hai điểm gián đoạn nằm gần nhau càng tách bạch trên màn hình. Dòng PG900 cho cạnh dưới 60 ps với đầu diode phục hồi bậc (SRD) và dưới 40 ps với đầu tunnel diode — đây chính là loại xung picosecond mà phép đo cần.
- Độ ổn định thời gian của cạnh. Máy hiện sóng lấy mẫu dựng dạng sóng từ rất nhiều lần lặp, nên nếu cạnh xung xê dịch giữa các lần thì hình sẽ nhòe. Datasheet PG900 ghi jitter so với trigger ngoài 3,0 ps RMS điển hình, tối đa 3,5 ps RMS.
Theo datasheet, xung SRD chế độ “smooth” có cạnh điển hình 55 ps, phổ tới khoảng 12 GHz; chế độ “fast” (xung âm) khoảng 45 ps, phổ tới khoảng 14 GHz nhưng vọt lố nhiều hơn; đầu tunnel diode điển hình 40 ps, phổ tới khoảng 14 GHz.
Chuẩn bị: thiết bị, phụ kiện và lựa chọn đầu phát
Bộ thiết bị tối thiểu
- Máy phát xung PG900. Nếu chỉ đo một kiểu, chọn máy phát xung PicoSource PG911 (đầu SRD) hoặc PG912 (đầu tunnel diode); nếu bàn đo phải làm cả hai loại việc, PG914 có cả hai kiểu đầu phát.
- Máy hiện sóng lấy mẫu. Tài liệu của Pico nêu PG900 dùng để dựng chức năng TDR cho các mã PicoScope 9300 chưa tích hợp chức năng này: 9301, 9302, 9321 và 9341. Ví dụ máy hiện sóng lấy mẫu PicoScope 9301 cho cấu hình một đầu (single-ended) đơn giản.
- Bộ chia công suất. Pico có bộ TA238 gồm bộ chia 6 dB ba điện trở SMA(f-f-f) và hai cáp SMA 10 cm, dùng để đưa cùng một xung vừa tới mẫu đo vừa về kênh đo.
- Chuẩn tham chiếu. Bộ TDR TA237 gồm đầu ngắn mạch chuẩn, tải chuẩn SMA(f) và adapter SMA(m-m) 18 GHz.
- Cáp và cờ lê lực. Cáp đồng trục chính xác cùng cờ lê lực 1 N·m cho đầu SMA — siết không đều tay là tự tạo ra điểm phản xạ.
SRD hay tunnel diode cho bài đo này?
Chọn theo điều bạn cần thấy trên dạng sóng:
- Đường dài, suy hao lớn, hoặc cần kích thích mạnh: dùng đầu SRD. Biên độ đặt được từ 2,5 V đến 6 V theo bước 10 mV, hai đầu ra cộng lại thành xung vi sai tới 12 V đỉnh. Máy giao kèm bộ suy hao 20 dB lắp sẵn trên đầu ra SRD cho các phép đo tín hiệu nhỏ cần phối hợp trở kháng tốt.
- Cần phân giải cao nhất theo thời gian: dùng đầu tunnel diode của bộ phát xung PicoSource PG912. Biên độ cố định 200 mV (sai số ±25%), trở kháng ra 50 Ω ±2 Ω, cạnh dưới 40 ps.
Quy trình đo TDR từng bước
Các bước dưới đây theo sơ đồ đấu nối single-ended trong User’s Guide, áp dụng cho PicoScope 9300 chưa có TDR tích hợp. Sơ đồ vi sai làm tương tự, chỉ là dùng cả hai đầu ra và hai kênh đo.
Bước 1 — Khởi động và chờ ổn nhiệt
Bật máy phát và máy hiện sóng, cắm USB, mở phần mềm PicoSource PG900 trên Windows. Datasheet ghi rõ các thông số chỉ được bảo đảm sau khi máy chạy liên tục một giờ để nhiệt độ ổn định, trong dải +15 °C đến +25 °C hoặc trong khoảng ±5 °C quanh nhiệt độ lúc hiệu chuẩn. Đo sớm hơn thì cạnh và biên độ còn trôi.
Bước 2 — Đặt giới hạn biên độ trước, biên độ sau
Với đầu SRD, phần mềm có hai điều khiển riêng: Limit và Amplitude. Đặt Limit trước, trong khoảng 2,5–6 V, ở mức mà mẫu đo chịu được; mỗi lần nâng Limit phần mềm đòi xác nhận lại. Sau đó mới đặt Amplitude.
Hai giới hạn khác cần nhớ ở bước này:
- Chu kỳ làm việc: tối đa 50% khi biên độ 2,5–4 V và chỉ 20% khi biên độ lên tới 6 V.
- Đầu tunnel diode không chịu được nguồn ngoài. User’s Guide ghi ngưỡng bảo vệ quá áp của đầu ra tunnel diode là 0 V, kèm lời dặn không nối vào nguồn nào và không để phân cực ngược kéo dài. Đầu ra SRD chịu tới ±10 V.
Bước 3 — Đấu trigger
Nối TRIG OUTPUT của PG900 vào ngõ trigger của máy hiện sóng lấy mẫu. Ngõ trigger ra của PG900 là xung dương trên 700 mV, rộng khoảng 500 ns, trở kháng 50 Ω, đầu SMA(f), và được phát ra khoảng 40 ns trước mỗi xung chính dù xung được kích bằng cách nào.
Chi tiết này quan trọng với máy lấy mẫu: máy cần thấy trigger trước sự kiện. Datasheet ghi trễ cố định từ trigger tới cạnh đầu của xung là 42 ns ±2 ns, chính để cạnh đầu rơi vào cửa sổ bắt của máy hiện sóng lấy mẫu.
Bước 4 — Chọn nguồn nhịp
Trong menu Timing, chọn Period Source là Int Clock để máy tự chạy, đặt chu kỳ lặp trong khoảng 1 µs đến 1 s (tương ứng 1 MHz đến 1 Hz) và độ rộng xung từ 200 ns đến 4 µs, bước 25 ns. Nếu muốn PG900 chạy theo nhịp của hệ thống, chọn Ext Trigger, đặt sườn, mức trigger (−1 V đến +1 V, bước 1 mV) và thời gian hold-off để trigger ổn định. Muốn bắn từng phát, chọn Manual.
Độ rộng xung tối thiểu 200 ns đã dài hơn nhiều so với thời gian khứ hồi trên một board mạch hay một đoạn cáp vài mét, nên toàn bộ phần dội về của mẫu đo nằm gọn trên phần “đỉnh” của xung, không bị cạnh sau (dưới 8 ns) cắt ngang.
Bước 5 — Đấu đường xung qua bộ chia
Đầu ra xung vào một cửa của bộ chia 6 dB; một cửa đi tới mẫu đo, cửa còn lại về kênh đo của máy hiện sóng. Kênh đo thấy cả sóng tới lẫn sóng dội về trên cùng trục thời gian. Với đầu tunnel diode, nối đầu phát vào máy bằng cáp SMA(m-m) 60 cm đi kèm, rồi dùng adapter N(f)–SMA(m) có sẵn trong hộp để chuyển sang hệ SMA của bàn đo.
Bước 6 — Ghi dạng sóng tham chiếu
Trước khi cắm mẫu đo, ghi lại ba dạng sóng: với tải chuẩn 50 Ω, với đầu ngắn mạch và để hở. Ba dạng sóng này cho biết mức 0, mức −1 và mức +1 của hệ số phản xạ, đồng thời chỉ ra chính xác mặt phẳng tham chiếu — điểm mà sau đó bạn sẽ cắm mẫu đo vào. Mọi gồ lõm xuất hiện trước mặt phẳng này là của cáp và đồ gá, không phải của mẫu đo.
Bước 7 — Cắm mẫu đo và đo
Cắm mẫu đo đúng vào mặt phẳng tham chiếu, siết bằng cờ lê lực, rồi cho máy lấy trung bình vài chục lần lặp để hạ nhiễu. Lưu dạng sóng cùng cấu hình máy phát để lần sau đo lại đúng cùng biên độ, độ rộng và nhịp.
Đọc kết quả: từ dạng sóng ra trở kháng và vị trí
Một dạng sóng TDR đọc theo hai trục. Trục đứng cho biết trở kháng, trục ngang cho biết vị trí.
Trục đứng: hệ số phản xạ
Lấy biên độ phần dội về chia cho biên độ bước tới, ta được hệ số phản xạ ρ. Đổi ρ ra trở kháng bằng công thức Z = Z₀ · (1 + ρ) / (1 − ρ) với Z₀ = 50 Ω. Vài giá trị để ước lượng nhanh:
- ρ = +0,1 → Z ≈ 61,1 Ω: đoạn đó trở kháng cao hơn, thường do đường mạch hẹp lại hoặc xa mặt phẳng đất.
- ρ = −0,1 → Z ≈ 40,9 Ω: trở kháng thấp hơn, thường do đường mạch rộng ra hoặc có thêm điện dung ký sinh.
- Một cái gồ ngắn lên rồi xuống là dấu vết của điện cảm tập trung (chân đầu nối, dây bond); một cái lõm ngắn là điện dung tập trung (pad, via).
Trục ngang: khoảng cách
Khoảng cách tới điểm gián đoạn là d = v · t / 2, trong đó t là thời gian từ cạnh tới đến phần dội về, v là vận tốc lan truyền trong môi trường, và chia hai vì sóng đi rồi về. Lấy một ví dụ giả định: mạch in có hằng số điện môi hiệu dụng khoảng 4 thì v ≈ c/2, khoảng 15 cm/ns; phần dội về sau 1 ns tương ứng một điểm lỗi cách mặt phẳng tham chiếu khoảng 7,5 cm. Muốn chính xác, đo trước một đoạn mẫu biết rõ chiều dài để suy ra v thật.
Cũng theo công thức này, khoảng phân giải xấp xỉ v · tr / 2, với tr là thời gian chuyển của cạnh. Với cùng giả định v ≈ 15 cm/ns, cạnh 40 ps cho khoảng 3 mm và cạnh 60 ps cho khoảng 4,5 mm — chênh nhau đúng tỉ lệ 1,5 lần như tỉ lệ giữa hai thời gian chuyển. Đây là ước tính lý thuyết, còn phân giải thực còn phụ thuộc băng thông của máy hiện sóng lấy mẫu và suy hao của cáp.
Đo truyền qua (TDT) và xuyên âm
Thay vì nhìn phần dội về, TDT nhìn phần đi qua: xung vào một đầu của mẫu đo, kênh đo nối ở đầu kia. Dạng sóng thu được cho biết cạnh bị làm chậm và méo bao nhiêu khi đi qua kênh truyền — thông tin trực tiếp để đánh giá một đoạn cáp, một đầu nối hay một đường mạch tốc độ cao.
Với máy bốn kênh, User’s Guide mô tả cấu hình đo đồng thời TDT và xuyên âm bằng PicoScope 9341: một kênh bắt tín hiệu truyền qua, các kênh còn lại bắt phần nhiễu lan sang đường bên cạnh. Với máy hai kênh, có thể đo truyền qua trước rồi đổi dây đo xuyên âm sau, miễn là mọi cửa không dùng đều được kết cuối 50 Ω.
Đo vi sai và chỉnh lệch thời gian
Các chuẩn giao tiếp tốc độ cao như SATA, USB3, HDMI, Ethernet đều truyền vi sai, và đó là lý do cả ba mã PG900 đều có hai đầu ra dương và âm. Điểm khó của phép đo vi sai là hai nhánh phải tới mẫu đo cùng lúc; chỉ vài pico giây lệch do chiều dài cáp là đủ biến một phần tín hiệu vi sai thành đồng pha.
PG900 xử lý việc này bằng chức năng deskew:
- Đầu SRD: chỉnh lệch giữa hai đầu ra trong khoảng −1 ns đến +1 ns, bước thô 20 ps và bước tinh 1 ps.
- Đầu tunnel diode: dải chỉnh tối thiểu 200 ps, điển hình 300 ps, cũng bước 1 ps.
Cách làm: đấu hai nhánh vào hai kênh của máy hiện sóng qua đúng bộ cáp sẽ dùng khi đo, chỉnh deskew cho tới khi hai cạnh trùng nhau tại mặt phẳng tham chiếu, rồi mới cắm mẫu đo. Datasheet còn nêu một cách dùng ngược lại: cố ý đặt lệch thời gian để thử độ chịu đựng của đường truyền trước lệch vi sai.
Với bài toán cần cả cạnh 40 ps cho TDR phân giải cao lẫn biên độ lớn cho đường suy hao, PicoSource PG914 gộp cả hai kiểu đầu phát trên một máy nên không phải đổi thiết bị giữa hai phép đo.
Lỗi thường gặp và cách tránh
| Hiện tượng | Nguyên nhân hay gặp | Cách xử lý |
|---|---|---|
| Dạng sóng nhòe, cạnh dày | Trigger không ổn định hoặc chưa ổn nhiệt | Kiểm dây TRIG OUTPUT, tăng hold-off khi dùng trigger ngoài, chờ đủ một giờ |
| Gồ lõm xuất hiện cả khi chưa cắm mẫu | Cáp, adapter hoặc đầu nối siết không đúng lực | Siết bằng cờ lê 1 N·m, dùng đầu nối bảo vệ, ghi lại dạng sóng tham chiếu |
| Không thấy cạnh đầu trên màn hình | Cửa sổ thời gian của máy lấy mẫu đặt sai | Dời cửa sổ theo trễ cố định 42 ns từ trigger tới cạnh xung |
| Vọt lố lớn ngay sau cạnh | Đang dùng chế độ “fast” của xung SRD âm | Chuyển về “smooth” nếu cần cạnh sạch hơn là cạnh nhanh hơn |
| Hỏng đầu tunnel diode | Mẫu đo có điện áp một chiều hoặc nguồn nối ngược vào đầu ra | Chặn một chiều, không bao giờ nối nguồn vào đầu tunnel diode |
Duy trì độ tin cậy của phép đo
Trong phép đo đáp ứng xung, máy phát là chuẩn so sánh: nếu cạnh xung chậm đi hay biên độ lệch thì mọi con số trở kháng và khoảng cách đều lệch theo. Datasheet PG900 khuyến nghị kiểm tra xác nhận toàn bộ thông số mỗi 12 tháng. Techmaster có phòng hiệu chuẩn đạt ISO/IEC 17025 để duy trì liên kết chuẩn cho nhóm thiết bị này.
Ngoài TDR còn một hướng khác để định vị lỗi trên đường truyền. Máy phân tích cáp và anten đo trong miền tần số rồi quy đổi ra khoảng cách tới lỗi; bạn có thể so sánh cách làm đó qua bài ứng dụng đo lường thực tế với Keysight N9915A FieldFox. Hai hướng bổ sung cho nhau. Nếu bạn đang dùng máy hiện sóng lấy mẫu có TDR tích hợp, quy trình tương ứng có ở bài đo biểu đồ mắt và TDR bằng PicoScope 9000.
Các model trong dòng PicoSource
Bốn mã PicoSource do Techmaster phân phối, xem thông số đầy đủ tại trang sản phẩm:
- PicoSource PG911 — đầu SRD tích hợp SMA(f), cạnh dưới 60 ps, biên độ 2,5–6 V chỉnh được.
- PicoSource PG912 — đầu tunnel diode N(m) dương và âm, cạnh dưới 40 ps, biên độ 200 mV cố định.
- PicoSource PG914 — có cả đầu SRD và đầu tunnel diode trên một máy.
- PicoSource AS108 — nguồn sóng liên tục 300 kHz – 8 GHz, dành cho phép đo theo tần số thay vì theo thời gian.
Toàn bộ danh mục thiết bị Pico Technology do Techmaster phân phối có tại trang thương hiệu.
Câu hỏi thường gặp
Bộ phát xung nhanh PG900 dùng với máy hiện sóng nào để đo TDR?
Theo tài liệu của Pico, PG900 dùng để dựng chức năng TDR và TDT cho các máy hiện sóng lấy mẫu PicoScope 9301, 9302, 9321 và 9341 — những mã chưa tích hợp TDR. Máy bốn kênh 9341 còn đo đồng thời được truyền qua và xuyên âm.
Vì sao phải đấu TRIG OUTPUT sang máy hiện sóng?
Máy hiện sóng lấy mẫu cần trigger đến trước sự kiện. PG900 phát trigger ra khoảng 40 ns trước mỗi xung, và trễ từ trigger tới cạnh đầu của xung cố định 42 ns ±2 ns, để cạnh đầu rơi vào cửa sổ bắt của máy.
Cạnh 40 ps và 60 ps khác nhau thế nào khi đo TDR?
Khoảng phân giải xấp xỉ tỉ lệ với thời gian chuyển của cạnh. Với giả định vận tốc lan truyền khoảng 15 cm/ns, cạnh 40 ps cho khoảng 3 mm và cạnh 60 ps cho khoảng 4,5 mm, tức tỉ lệ 1,5 lần. Đổi lại, đầu SRD 60 ps có biên độ 2,5–6 V chỉnh được, còn đầu tunnel diode 40 ps cố định 200 mV.
Có cần chờ máy ổn nhiệt trước khi đo không?
Có. Datasheet PG900 ghi các thông số chỉ được bảo đảm sau một giờ chạy liên tục để nhiệt độ ổn định, trong dải +15 °C đến +25 °C hoặc ±5 °C quanh nhiệt độ lúc hiệu chuẩn.
Đầu tunnel diode có nối được vào mạch đang có điện không?
Không. User’s Guide ghi đầu ra tunnel diode không được nối vào bất kỳ nguồn nào và không để phân cực ngược kéo dài. Nếu mẫu đo có thành phần một chiều, phải chặn một chiều trước hoặc dùng đầu SRD, vốn chịu tới ±10 V.
