Bộ chuyển đổi D/A PXI Keysight M9185A và M9188A: mô phỏng tín hiệu cảm biến khi kiểm tra ECU

Một ECU ô tô đọc hàng chục tín hiệu analog: điện áp ắc quy, ngưỡng cảm biến, vòng dòng, xung tốc độ bánh xe. Khi kiểm tra chức năng trên dây chuyền hoặc trong phòng R&D, trạm test phải tạo ra đúng những tín hiệu đó, trên nhiều kênh cùng lúc và với sai số biết trước. Đó là việc của bộ chuyển đổi D/A PXI. Bài viết này so sánh hai module của Keysight dành cho bài toán này — Keysight M9185A (mức DC hai cực, cách ly từng kênh, có remote sense) và Keysight M9188A (dạng sóng động 0–30 V, 16 kênh trong một khe) — và cách đọc đặc tả để chọn đúng module cho trạm kiểm tra ECU.

Bộ chuyển đổi D/A PXI là gì và dùng vào đâu trong kiểm tra ECU?

Bộ chuyển đổi D/A (digital-to-analog) dạng module PXI nhận giá trị số từ chương trình test và xuất ra một điện áp hoặc dòng điện tương ứng trên từng kênh. Trong trạm kiểm tra chức năng, các kênh này đóng vai tín hiệu kích thích: chúng giả lập cảm biến, điện áp ắc quy hoặc các mức ngưỡng mà bo mạch cần thử (DUT) sẽ đọc. Bộ điều khiển PXI thay đổi giá trị đặt, rồi các module đo trong cùng khung ghi lại phản ứng của DUT.

Data sheet của Keysight mô tả M9185A là module có tám hoặc 16 kênh độc lập, cách ly, cấp mức điện áp song song cho DUT, “lý tưởng cho hệ thống ATE trong điện tử ô tô”. M9188A được giới thiệu cho kiểm tra cơ điện tử và điện tử ô tô, ví dụ cảm biến tốc độ, và cho các hệ kiểm tra chức năng cần kênh phân cực cách ly. Nếu bạn mới làm quen với kiến trúc PXI, bài hệ thống đo kiểm PXI Keysight gồm những gì giải thích vai trò của khung máy, bộ điều khiển và các module.

Keysight M9185A khác Keysight M9188A thế nào?

Cả hai bộ chuyển đổi D/A PXI này đều có độ phân giải 16-bit, nhưng được thiết kế cho hai kiểu tín hiệu khác nhau:

• Keysight M9185A: 8 kênh (module 2 khe) hoặc 16 kênh (module 3 khe). Mỗi kênh ra −16 V tới +16 V khi dòng tải tới 10 mA, hoặc −20 mA tới +20 mA ở chế độ dòng. Độ phân giải 500 µV và 630 nA. Mỗi kênh cách ly với khung và với kênh khác trên 80 V DC/AC đỉnh. Có remote sense 4 dây.
• Keysight M9188A: 16 kênh trong một khe PXI, chia thành 4 nhóm cách ly, mỗi nhóm 4 kênh. Ngõ ra một cực 0 tới +30 V hoặc 0 tới +20 mA. Tốc độ cập nhật tới 500 kSa/s mỗi kênh, bộ nhớ 1 MSa mỗi kênh, nên module hoạt động như một bộ phát dạng sóng tuỳ ý cơ bản. Không có remote sense.

Quy tắc chọn nhanh: tín hiệu tĩnh hoặc thay đổi chậm, cần hai cực và cần chính xác tại tải → M9185A. Tín hiệu thay đổi theo thời gian (xung, sin, dạng sóng lặp) hoặc cần mức tới 30 V → M9188A. Một trạm test có thể dùng cả hai trong cùng một khung.

Vì sao Keysight M9185A hợp với mức áp 12–14 V của ô tô?

Data sheet M9185A nêu rõ: phần lớn ứng dụng ô tô cần điện áp chính xác trong khoảng 12 V tới 14 V để DUT hoạt động, và dải ±16 V của module đạt mức này mà không cần mạch kéo lên (pull-up) bên ngoài. Ba đặc điểm làm module phù hợp với trạm kiểm tra ECU:

• Remote sense 4 dây. Điện trở dây dẫn và đầu nối làm điện áp tại tải thấp hơn giá trị đặt. Ví dụ trong data sheet: module đặt 16 V nhưng tại tải chỉ còn 15,5 V; khi nối dây sense (H Sense, L Sense) từ tải về, module tự nâng ngõ ra lên 16,5 V để tải nhận đúng 16 V. Đây là ví dụ minh họa nguyên lý: data sheet cũng ghi ngõ ra tối đa ±16 V mỗi kênh và không nêu biên độ bù của sense, nên khi thiết kế hãy giữ điện áp tại tải cộng sụt áp trên dây trong ±16 V. Ở chế độ dòng, hai chân sense để hở. Nếu không dùng remote sense, data sheet yêu cầu không nối tải hay dây vào các chân sense.
• Cách ly từng kênh trên 80 V đỉnh. Mỗi kênh có thể “nổi” theo điểm tham chiếu riêng trên DUT, tránh vòng đất giữa các kênh.
• Cầu chì mỗi kênh. Cầu chì đứt khi dòng vượt 20 mA. Lưu ý quan trọng: khi quá tải, cầu chì đứt nhưng module không báo lỗi. Muốn khôi phục, gỡ quá tải và chờ vài phút cho cầu chì nguội. Vì vậy chương trình test nên có bước kiểm tra lại ngõ ra, ví dụ đo lại bằng DMM trong khung, trước khi kết luận DUT hỏng.

Thời gian xác lập điển hình của M9185A là 500 µs, gợn và nhiễu điển hình dưới 80 mV đỉnh-đỉnh ở chế độ áp và dưới 2 µArms ở chế độ dòng. Các con số “điển hình” này không được bảo đảm, nên khi viết giới hạn test hãy dựa trên thông số đặc tả (sai số) chứ không dựa trên chúng.

Keysight M9188A mô phỏng tín hiệu cảm biến động ra sao?

Điểm khác biệt của M9188A là mỗi kênh có bộ nhớ dạng sóng riêng 1 MSa và chu kỳ lấy mẫu chỉnh được từ 2 µs tới 512 µs. Ở chu kỳ ngắn nhất (2 µs, tức 500 kSa/s), bộ nhớ 1 MSa theo bảng thông số tương ứng khoảng 2 giây dạng sóng trước khi phải lặp lại. Data sheet minh họa sin 0–30 V ở 20 kHz, xung vuông 0–20 mA ở 5 kHz, tam giác 0–20 mA ở 10 kHz và một dạng sóng dòng 7–14 mA, 1 kHz mô phỏng cảm biến tốc độ bánh xe.

Theo Keysight, dải tới +30 V giúp bỏ bớt mạch điều hòa tín hiệu bổ sung cho các ứng dụng như ECU động cơ, còn khả năng cấp dòng động tới +20 mA giúp không cần thêm biến dòng hay SMU chỉ để tạo tín hiệu dòng. Các thông số điển hình khác: slew rate trên 10 V/µs, thời gian xác lập dưới 25 µs, trở kháng ra dưới 1,5 Ω, xuyên kênh lân cận trên 85 dB ở 50 kHz. Mỗi kênh có công tắc ngắt ngõ ra, bộ khuếch đại ra được bảo vệ ngắn mạch và quá nhiệt.

Các kênh được đồng bộ bằng cùng một xung nhịp; nguồn xung nhịp có thể là nội, từ bus PXI hoặc xung nhịp ngoài (vào/ra) với tham chiếu 10 MHz, và module nhận cả trigger PXI lẫn trigger ngoài qua các cổng EXT CLK và EXT TRIG trên mặt máy. Nhờ vậy, dạng sóng tốc độ bánh xe có thể được phát đồng thời với tín hiệu từ các module khác trong cùng khung.

Sai số thực tế ở điểm làm việc là bao nhiêu?

Sai số của cả hai bộ chuyển đổi D/A PXI được ghi dưới dạng ±(phần trăm + phần cố định); data sheet không ghi rõ phần trăm tính theo giá trị đặt hay theo dải, các ví dụ dưới đây hiểu theo cách thông dụng là phần trăm của giá trị đặt. Tính ở đúng điểm làm việc của bài test sẽ cho con số cụ thể hơn nhiều so với đọc lướt:

• M9185A đặt 12 V: ±(0,05 % × 12 V + 3,0 mV) = ±9 mV. M9188A đặt 12 V: ±(0,1 % × 12 V + 5 mV) = ±17 mV. Điều kiện 23 ± 5 °C, trong 1 năm chỉ được ghi cho M9188A; bảng thông số M9185A không kèm điều kiện này.
• M9185A đặt 10 mA: ±(0,09 % × 10 mA + 5,0 µA) = ±14 µA. M9188A đặt 10 mA: ±(0,15 % × 10 mA + 10 µA) = ±25 µA.

Ở giá trị đặt nhỏ, phần cố định chiếm gần hết: ở 1 V, sai số M9185A là ±3,5 mV, trong đó 3,0 mV là phần cố định. Với M9188A, vì không có remote sense, cần cộng thêm sụt áp trên dây dẫn khi tải kéo dòng. Giới hạn đạt/không đạt của bài test nên rộng hơn tổng sai số nguồn kích thích và sai số của phép đo phản hồi.

Lắp bộ chuyển đổi D/A PXI vào hệ thống cần lưu ý những gì?

• Số khe. M9185A chiếm 2 khe (bản 8 kênh) hoặc 3 khe (bản 16 kênh); M9188A chiếm 1 khe cho 16 kênh. Tính đủ khe trước khi chọn khung — xem bài chọn khung máy PXIe Keysight.
• Loại khe. M9185A dùng khe cPCI, PXI-1 hoặc PXI Hybrid; M9188A dùng khe PXI-1 hoặc PXI Hybrid. Theo đặc tả PXI-5 (PXI Express) của PXI Systems Alliance, khe Hybrid trong khung PXI Express nhận cả module PXI Express lẫn module PXI-1 có đầu nối tương thích hybrid; data sheet của hai module ghi rõ tương thích khe PXI Hybrid (PXI-H). Hãy kiểm tra sơ đồ khe của khung để biết khe nào là Hybrid trước khi xếp module.
• Phần mềm. Cả hai đi kèm driver IVI-COM, IVI-C và LabVIEW G cùng ví dụ cho LabVIEW, LabWindows/CVI, C/C++, C# và Visual Basic. M9185A yêu cầu Keysight IO Libraries Suite phiên bản 16.0 trở lên.
• Đầu nối. M9185A dùng đầu nối VHDCI xếp chồng (stacked VHDCI); M9188A có một đầu nối OUTPUT cho 16 kênh cùng hai cổng EXT TRIG và EXT CLK. Nên làm cáp chuyển tiếp hoặc khối đấu dây riêng cho fixture thay vì nối thẳng vào module.
• Hiệu chuẩn. Hai module được hiệu chuẩn tại nhà máy, kèm chứng chỉ; Keysight khuyến nghị hiệu chuẩn lại mỗi năm.

Trạm kiểm tra ECU hoàn chỉnh thường cần thêm chuyển mạch để định tuyến tín hiệu tới nhiều điểm test; bài Keysight 34980A trong sản xuất điện tử và ô tô trình bày cách dùng khung chuyển mạch cho việc này. Khi cần điện áp vượt ±16 V hoặc +30 V, xem thêm module nguồn dòng/áp PXI Keysight M9186A (100 V, 1 kênh).

Checklist chọn cấu hình bộ chuyển đổi D/A PXI

1. Liệt kê từng tín hiệu cần kích thích: điện áp hay dòng, một cực hay hai cực, tĩnh hay dạng sóng, mức tối đa.
2. Tín hiệu hai cực hoặc cần chính xác tại tải qua dây dài → Keysight M9185A với remote sense.
3. Dạng sóng lặp, bước nhảy nhanh, mức tới 30 V hoặc cần nhiều kênh trên ít khe → Keysight M9188A.
4. Kiểm tra cách ly: M9185A cách ly từng kênh; M9188A cách ly theo 4 nhóm 4 kênh.
5. Tính sai số tại điểm làm việc bằng công thức data sheet và so với giới hạn test.
6. Đếm khe, loại khe (PXI-1 / Hybrid) và phiên bản phần mềm của hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

Keysight M9185A có dùng làm nguồn cấp điện cho ECU được không?

Không. M9185A cấp tối đa ±16 V với dòng tới 10 mA ở chế độ áp, hoặc ±20 mA ở chế độ dòng, và mỗi kênh có cầu chì đứt khi vượt 20 mA. Đây là nguồn tín hiệu kích thích, còn nguồn nuôi ECU cần một bộ nguồn DC riêng.

M9188A có tạo được điện áp âm không?

Không. M9188A là bộ chuyển đổi D/A một cực: điện áp ra 0 tới +30 V, dòng ra 0 tới +20 mA. Khi cần tín hiệu hai cực, dùng M9185A với dải −16 V tới +16 V.

Bản M9185A 16 kênh chiếm bao nhiêu khe PXI?

Bản 16 kênh chiếm 3 khe, bản 8 kênh chiếm 2 khe. Trong khi đó M9188A đặt 16 kênh trong một khe.

Remote sense của M9185A hoạt động thế nào?

Hai dây sense nối từ tải về chân H Sense và L Sense để module đo điện áp tại tải và tự bù sụt áp trên dây. Ví dụ minh họa trong data sheet: đặt 16 V, tải chỉ nhận 15,5 V; có sense, module nâng ngõ ra lên 16,5 V để tải nhận đúng 16 V. Vì ngõ ra tối đa là ±16 V, hãy giữ điện áp tại tải cộng sụt áp trên dây trong dải này. Remote sense chỉ dùng ở chế độ điện áp.

Tư vấn cấu hình và báo giá

Techmaster là nhà phân phối Keysight tại Việt Nam, hỗ trợ chọn bộ chuyển đổi D/A PXI, khung PXI và cấu hình trạm kiểm tra ECU cho điện tử ô tô. Xem các dòng thiết bị tại trang Keysight của Techmaster, tải data sheet M9185A và M9188A, hoặc liên hệ Techmaster để được tư vấn.