Đo biểu đồ mắt và TDR bằng PicoScope 9000: quy trình từng bước

Mua được máy hiện sóng lấy mẫu mới là nửa đường; nửa còn lại là đo biểu đồ mắt và TDR sao cho con số trên màn hình phản ánh tín hiệu thật chứ không phản ánh cách nối dây. Với dòng PicoScope 9000, sai số của người mới ít khi đến từ băng thông mà thường đến từ ba chỗ: chọn sai nguồn trigger, quên ngân sách jitter của chính máy, và hiệu chuẩn TDR hời hợt. Bài này đi qua quy trình từng bước cho cả hai phép đo, với con số lấy từ datasheet chính hãng. Nếu chưa chọn máy, hãy đọc trước bài chọn máy hiện sóng lấy mẫu 9300 hay SXRTO 9404A.

Hai phép đo, một điều kiện chung

Biểu đồ mắt (eye diagram) là hàng nghìn đoạn bit chồng lên nhau trên cùng khung thời gian; TDR là sườn bước bắn vào đường truyền rồi đọc phản xạ. Cả hai đều dựng dạng sóng dần từ nhiều lần trigger, nên chất lượng trigger quyết định chất lượng phép đo: jitter trigger cộng thẳng vào độ dày vết mắt và làm nhoè điểm phản xạ. Lý thuyết phân rã jitter và mô hình dual-Dirac đã có trong bài đo jitter và eye diagram cho tín hiệu tốc độ cao; bài này tập trung vào thao tác.

Chuẩn bị chung cho phép phân tích tín hiệu tốc độ cao

1. Ổn nhiệt rồi mới tự hiệu chuẩn. Datasheet 9300 bảo đảm độ chính xác trong phạm vi 2 °C quanh lần tự hiệu chuẩn gần nhất.
2. Giữ đầu nối bảo vệ. Mỗi kênh 9300 lắp sẵn một đầu bảo vệ 18 GHz; cắm rút cáp vào đó, không vào đầu 2,92 mm của máy.
3. Kiểm biên độ. Dải vào 9300 là 1 V đỉnh-đỉnh trong khoảng ±1 V, độ nhạy 1 mV/div tới 500 mV/div. Bộ 9302 và 9321 kèm sẵn suy hao 10 dB.
4. Bù lệch kênh. Deskew kênh độ phân giải 1 ps, tối đa 100 ns; cách làm có trong bài đo deskew kênh trên máy hiện sóng.

Quy trình đo eye diagram trên PicoScope 9300

Bước 1: chọn nguồn trigger

Nguồn trigger	Dải tần / tốc độ	Độ nhạy	Jitter RMS	Dùng khi
Ngoài, trực tiếp	DC tới 2,5 GHz	200 mV p-p	1,8 ps điển hình + 20 ppm độ trễ	Clock tốc độ thấp hoặc clock chia
Ngoài, prescaled	1–14 GHz (mã 20 GHz), tới 18 GHz (mã 30 GHz)	200 mV p-p tới 2 V p-p; 500 mV p-p ở 14–18 GHz	1,8 ps điển hình + 20 ppm độ trễ	Có clock đủ tốc độ
Khôi phục clock (9302, 9321)	6,5 Mb/s tới 11,3 Gb/s	20 mV p-p trên 100 Mb/s	1 ps điển hình + 1,0% UI	Chỉ có dữ liệu
Nội, kênh 1 và 2	Tới 100 MHz	400 mV p-p	25 ps điển hình	Không dùng cho mắt tốc độ GHz

Có clock thì đưa clock vào cổng prescaled. Chỉ có dữ liệu thì dùng PicoScope 9302-20: bộ chia công suất đi kèm đưa tín hiệu vào cả khối khôi phục clock lẫn kênh đo. Bộ chia điện trở 6 dB làm biên độ mỗi nhánh còn một nửa, nên hãy chỉnh lại thang dọc. Đầu vào khôi phục clock ghép AC, 50 Ω, chịu tối đa ±2 V.

Bước 2: tính ngân sách jitter của trigger

• Trigger ngoài cộng 20 ppm độ trễ. Điểm quan sát sau trigger 10 ns thì cộng 0,2 ps; sau 100 ns thì cộng 2 ps — lớn hơn cả jitter nền 1,8 ps. Hãy đặt điểm quan sát gần trigger, hoặc rút ngắn cáp trigger thay vì kéo trễ.
• Clock khôi phục cộng 1,0% UI. Ở 10 Gb/s, UI dài 100 ps nên jitter trigger là 1 ps + 1 ps = 2 ps. Ở 2,5 Gb/s, UI dài 400 ps nên là 1 ps + 4 ps = 5 ps. Tính theo UI, tốc độ thấp lại sạch hơn: 5 ps trên 400 ps là 1,25% UI, còn 2 ps trên 100 ps là 2% UI.

Jitter RMS đọc được là tổng căn bậc hai của jitter tín hiệu và jitter hệ đo (giả định ngẫu nhiên, độc lập). Máy đọc 2,5 ps khi trigger ngoài có 1,8 ps nghĩa là tín hiệu chỉ khoảng 1,7 ps. Khi số đọc gần bằng jitter trigger, bạn đang đo máy chứ không đo tín hiệu.

Bước 3: đặt thang dọc và thời gian

Cho mắt chiếm phần lớn chiều cao màn hình nhưng không chạm dải vào — ADC 16 bit (40 µV mỗi mức) chỉ phát huy khi dùng hết thang. Thang thời gian 9300 từ 5 ps/div tới 3,2 ms/div; đặt khung hiển thị khoảng hai UI để thấy trọn một mắt và hai điểm giao. Không bật chế độ trung bình khi dựng mắt thông thường: trung bình xoá chính nhiễu và jitter mà mắt cần thể hiện. Giới hạn nhiễu 100 µV RMS của chế độ trung bình chỉ có ích khi dạng sóng đã khoá theo mẫu (bước 7).

Bước 4: dựng mắt và bật histogram

Bật persistence vô hạn với thang màu hoặc thang xám. Đặt histogram ngang tại điểm giao để đo jitter và histogram dọc giữa mắt để đo nhiễu mức 1 và mức 0. Đợi đủ số lần thu trước khi đọc: vài trăm mẫu cho giá trị đỉnh-đỉnh thấp hơn thực tế vì điểm hiếm chưa xuất hiện. Cách tính số mẫu có trong bài phân tích thống kê trên máy hiện sóng.

Bước 5: đọc thông số mắt

9300 đo tự động hơn 30 thông số cơ bản cho NRZ và RZ, hiển thị tối đa mười thông số cùng lúc kèm thống kê, theo định nghĩa IEEE nhưng sửa được ngưỡng.

Thông số	Cho biết	Dấu hiệu cần xem lại cấu hình
Eye height, eye amplitude	Biên độ còn mở sau nhiễu	Mắt chỉ chiếm vài ô: thang dọc quá thô
Eye width, jitter p-p/RMS	Khoảng an toàn để lấy mẫu bit	Jitter RMS xấp xỉ jitter trigger ở bước 2
Crossing %	Cân bằng sườn lên và xuống	Lệch xa 50% dù bộ phát được thiết kế cân bằng
Rise/fall time	Băng thông còn lại của kênh	Gần thời gian lên của máy: cần mã băng thông cao hơn
S/N, duty cycle distortion	Chất lượng tổng thể	Nhảy mạnh giữa hai lần thu: chưa đủ mẫu

Bước 6: kiểm mặt nạ có biên

PicoSample 3 có hơn 160 mặt nạ, mỗi mặt nạ tối đa tám đa giác, ví dụ Ethernet tới 12,5 Gb/s, SONET/SDH tới 10,709 Gb/s, PCI Express tới R2.1 5 Gb/s, SATA, USB 2.0/3.0/3.1.

1. Chạy thử mặt nạ trên dạng sóng mẫu của máy trước khi áp lên tín hiệu thật. Bộ phát tích hợp tạo PRBS NRZ/RZ độ dài 2⁷−1 tới 2¹⁵−1, thời gian bit ngắn nhất 4 ns, tức tối đa 250 Mb/s — đủ để kiểm cấu hình, không thay nguồn tín hiệu thật.
2. Chọn mặt nạ theo chuẩn và căn vào mắt.
3. Đặt biên (margin): máy đếm lỗi riêng cho mặt nạ gốc và mặt nạ có biên.
4. Bật dừng khi lỗi nếu cần giữ vết vi phạm để phân tích.

Bước 7: khoá mẫu và eye-line để tìm nguyên nhân

Khi mắt đóng mà chưa rõ vì sao, hãy tách từng bit. Bộ chia trigger nội khoá được mẫu dài từ 7 tới 2²³−1 bit (8 388 607 bit), với clock từ 10 MHz tới 14 GHz trên mã 20 GHz và tới 18 GHz trên mã 30 GHz. Chế độ eye-line cho đi dọc mẫu từng bit, thấy bit nào méo sau chuỗi dài cùng mức — dấu hiệu nhiễu xuyên ký tự. PRBS7 dài 127 bit, ở 10 Gb/s lặp lại sau mỗi 12,7 ns. PRBS31 vẫn dựng mắt được nhưng dài hơn 2²³−1 nên không khoá mẫu được.

Biểu đồ mắt quang trên PicoScope 9321-20

PicoScope 9321-20 thêm bộ chuyển đổi quang-điện trước kênh đo. Ngoài quy trình mắt điện, cần thêm bốn việc:

1. Kiểm công suất: tối đa +7 dBm ở 1310 nm, tức khoảng 5 mW; chưa chắc thì chèn suy hao quang.
2. Chọn đúng bước sóng: dải 750–1650 nm, hiệu chuẩn tại 850 nm (đa mode), 1310 nm (đa mode, đơn mode) và 1550 nm (đơn mode).
3. Chèn bộ lọc Bessel–Thomson theo tốc độ bit giữa đầu ra chuyển đổi và kênh, để giảm vọt lố và dao động. Pico có bộ lọc cho 51,8 Mb/s, 155 Mb/s, 622 Mb/s, 1,25 Gb/s và 2,488/2,5 Gb/s.
4. Đọc thông số quang: hệ số tắt, S/N, eye height, eye width. ER = 10·log₁₀(P1/P0): mức 1 là 1 mW, mức 0 là 0,1 mW thì ER = 10 dB. Nhiễu bộ chuyển đổi tối đa 4 µW ở 1310/1550 nm và 6 µW ở 850 nm, nên mức 0 rất thấp sẽ bị nhiễu nền giới hạn.

Nhờ khôi phục clock tích hợp, 9321-20 dùng được tới 11,3 Gb/s. Bộ thu tham chiếu và OMA, TDECQ được bàn trong bài đo eye quang DCA.

Đo mắt trên SXRTO 9404A: những gì thay đổi

• Trigger từ chính kênh đo: DC tới 2,5 GHz trực tiếp, tới 6 GHz qua bộ chia, jitter 1,2 ps RMS điển hình + 0,1 ppm độ trễ. Không cần cáp trigger riêng.
• Khôi phục clock là tuỳ chọn lắp tại nhà máy, chọn được từ bất kỳ kênh nào, xuất clock và dữ liệu khôi phục ra hai cổng SMA mặt sau. Jitter tối đa 2 ps + 1,0% UI + 0,1 ppm độ trễ.
• PAM4: PicoSample 4 có hơn 70 thông số mắt cho NRZ, RZ và PAM4, trong đó 49 phép đo tự động cho PAM4, cùng hơn 200 mặt nạ; mắt và mặt nạ tới 16 Gb/s.
• Bộ lọc giới hạn băng thông 100 hoặc 500 MHz (tuỳ mã) giảm nhiễu nhưng sẽ đóng mắt giả nếu bật khi đo tín hiệu GHz.
• Deskew ±50 ns; độ trễ giữa hai kênh bất kỳ ≤ 10 ps điển hình.

PicoScope 9404A-25 đạt 5 TS/s, là cấu hình hay gặp cho mắt NRZ tới 16 Gb/s hoặc PAM4. PAM4 ở tốc độ cao hơn được bàn trong bài đo PAM4 và TDECQ.

Quy trình đo TDR trên PicoScope 9311-20

PicoScope 9311-20 tích hợp hai bộ phát bước: một đi dương, một đi âm từ 0 V, sườn 60 ps, biên độ 2,5–7 V vào 50 Ω, bước chỉnh 5 mV. Nguyên lý và so sánh với TDR dựng từ máy phân tích mạng có trong bài đo TDR là gì.

Bước 1: kết nối bằng bộ phụ kiện đi kèm

Bộ máy gồm hai cáp chính xác 30 cm, hai suy hao 20 dB lắp sẵn trên đầu ra xung, hai bộ chia công suất và hai bộ TDR (đầu ngắn mạch, tải chuẩn SMA). Suy hao 20 dB chia điện áp cho 10, đưa bước 2,5–7 V xuống 250–700 mV, vừa dải vào 1 V đỉnh-đỉnh. Theo datasheet, bước tới ở hệ TDR khoảng 50% biên độ xung vào, phản xạ từ đầu hở hoặc ngắn mạch khoảng 25%. Hiệu chuẩn chỉ đúng với đường nối đã hiệu chuẩn, nên đừng thay cáp giữa chừng.

Bước 2: hiệu chuẩn và đặt mặt phẳng tham chiếu

1. Lần lượt nối tải chuẩn 50 Ω và đầu ngắn mạch ở cuối cáp theo trình tự phần mềm yêu cầu.
2. Đặt mặt phẳng tham chiếu tại đầu cáp sẽ cắm DUT, để thời gian 0 trùng đầu vào DUT.
3. Chọn thời gian lên sau hiệu chỉnh: tối thiểu 50 ps hoặc 0,1 × thang thời gian (lấy số lớn hơn), tối đa 3 × thang thời gian. Ở 1 ns/div sàn là 100 ps; từ 500 ps/div trở xuống sàn là 50 ps. Muốn tách hai điểm gần nhau, thu nhỏ thang thời gian quanh vùng quan tâm.

Méo sau hiệu chỉnh ≤ 1% điển hình với TDR và ≤ 0,5% với TDT.

Bước 3: chọn đơn vị dọc và ngang

Trục dọc theo volt, theo hệ số phản xạ ρ (10 mρ/div tới 2 ρ/div) hoặc theo ohm (1 Ω/div tới 100 Ω/div), với ρ = (Z − Z₀)/(Z + Z₀): đoạn 55 Ω trên hệ 50 Ω cho ρ = 5/105, khoảng 47,6 mρ.

Trục ngang theo thời gian (tối đa 800 ns/div) hoặc khoảng cách (mét, foot, inch), sau khi nhập hệ số vận tốc (0,1 tới 1,0) hoặc hằng số điện môi (1 tới 100). Ví dụ giả định hằng số điện môi hiệu dụng bằng 4: hệ số vận tốc 0,5, tín hiệu đi 1,5 × 10⁸ m/s, nên phản xạ về sau 1 ns (cả đi lẫn về) nằm cách mặt phẳng tham chiếu 75 mm. Sai hằng số điện môi là sai vị trí lỗi, nên hãy hiệu chỉnh trên một đường mẫu biết chiều dài.

Bước 4: đo đơn cực hoặc vi sai

Đo cặp vi sai cần cả hai đầu ra, và hai sườn phải tới DUT cùng lúc: chỉnh lệch giữa hai đầu ra trong khoảng −1 tới 1 ns theo bước 1 ps cho tới khi hai sườn trùng nhau tại mặt phẳng tham chiếu. Sau đó lấy hiệu hai kênh cho chế độ vi sai và (x+y)/2 cho chế độ chung. Đầu ra pre-trigger 25–35 ns, chỉnh theo bước 5 ps, giúp đặt sườn bước ở vị trí thuận tiện trên màn hình.

Bước 5: TDT khi cần trễ và suy hao

Nối đầu xa của DUT về kênh đo thứ hai. Hệ TDT có hai kênh, thời gian lên kết hợp 60 ps hoặc nhanh hơn, jitter tối đa 3 ps + 20 ppm độ trễ, đo tự động trễ lan truyền, hệ số truyền và hệ số truyền theo dB.

Bước 6: đọc dạng sóng TDR

• Nằm ngang ở 50 Ω: phối hợp trở kháng. Bậc lên kéo dài: đoạn trở kháng cao hơn; bậc xuống: thấp hơn.
• Gai lõm ngắn: gián đoạn dạng điện dung (pad, via); gai lồi ngắn: dạng điện cảm (dây bond, đoạn thắt).
• Tiến tới ρ = +1: hở mạch; tiến tới ρ = −1: ngắn mạch.

Theo datasheet, 9311-20 phân giải trở kháng tới 16 mm và định vị lỗi tới 4 mm. Các mã 9300 khác làm được TDR/TDT khi ghép bộ phát PicoSource PG900, trong đó PG914 có thêm đầu tunnel diode 40 ps.

Lỗi thường gặp và cách tránh

Hiện tượng	Nguyên nhân hay gặp	Cách xử lý
Mắt nhoè dù tín hiệu tốt	Trigger nội 100 MHz, hoặc điểm quan sát xa trigger	Chuyển prescaled hoặc khôi phục clock; rút ngắn trễ
Mắt mở bất thường	Bật chế độ trung bình	Tắt trung bình, dùng persistence
TDR lệch vài ohm	Bỏ hiệu chuẩn hoặc thay cáp sau hiệu chuẩn	Hiệu chuẩn lại với đúng cáp và bộ chuẩn
Vị trí lỗi sai vài centimet	Sai hằng số điện môi	Hiệu chỉnh trên đường mẫu biết chiều dài
Chế độ chung lớn khi đo vi sai	Hai sườn phát chưa deskew	Deskew theo bước 1 ps rồi đo lại

Các model trong dòng PicoScope 9000

Mã	Băng thông / kênh	Vai trò khi đo mắt và TDR
9301-20	20 GHz / 2	Mắt điện khi có clock; TDR khi ghép PG900
9301-30	30 GHz / 2	Mắt sườn dốc, prescaled tới 18 GHz
9302-20	20 GHz / 2	Mắt khi chỉ có dữ liệu
9311-20	20 GHz / 2	TDR/TDT đơn cực và vi sai tích hợp
9321-20	20 GHz / 2 + quang	Mắt quang, hệ số tắt
9341-20	20 GHz / 4	Mắt hai cặp vi sai cùng lúc
9341-30	30 GHz / 4	Bốn kênh, sườn dốc
9404A-06	6 GHz / 4	Mắt vài Gb/s, trigger từ kênh
9404A-16	16 GHz / 4	NRZ và PAM4 dải giữa
9404A-25	25 GHz / 4	NRZ tới 16 Gb/s và PAM4, 5 TS/s
9404A-33	33 GHz / 4	Sườn nhanh nhất nhánh SXRTO

Hiệu chuẩn định kỳ

Tự hiệu chuẩn bù trôi nhiệt trong ngày nhưng không thay được hiệu chuẩn truy xuất nguồn gốc. Datasheet 9300 ghi hiệu lực hiệu chuẩn một năm; với báo cáo nghiệm thu, kết quả mặt nạ hay số đo trở kháng gửi khách hàng, hãy giữ lịch hiệu chuẩn thiết bị đo cho cả máy lẫn bộ tải chuẩn TDR. Thiết bị và phụ kiện Pico khác có tại trang thiết bị Pico Technology.

Câu hỏi thường gặp

Đo biểu đồ mắt trên PicoScope 9300 nên dùng nguồn trigger nào?
Có clock thì dùng cổng prescaled (tới 14 GHz trên mã 20 GHz, 18 GHz trên mã 30 GHz), jitter 1,8 ps RMS điển hình cộng 20 ppm độ trễ. Chỉ có dữ liệu thì dùng 9302 hoặc 9321 có khôi phục clock tới 11,3 Gb/s. Trigger nội chỉ tới 100 MHz, jitter 25 ps RMS.

Vì sao không bật chế độ trung bình khi đo eye diagram?
Trung bình xoá nhiễu và jitter, là chính thứ biểu đồ mắt cần thể hiện, nên mắt trông mở hơn thực tế. Trung bình chỉ có nghĩa khi dạng sóng đã khoá theo mẫu dữ liệu.

Jitter của máy ảnh hưởng thế nào tới kết quả?
Jitter RMS đọc được là tổng căn bậc hai của jitter tín hiệu và jitter hệ đo. Máy đọc 2,5 ps với trigger 1,8 ps nghĩa là tín hiệu chỉ khoảng 1,7 ps.

Đo TDR vi sai trên PicoScope 9311-20 cần làm gì?
Dùng cả hai đầu ra bước dương và âm, hiệu chuẩn bằng tải chuẩn và đầu ngắn mạch kèm máy, chỉnh lệch hai đầu ra theo bước 1 ps để hai sườn tới mặt phẳng tham chiếu cùng lúc, rồi lấy hiệu hai kênh.

PicoScope 9404A có đo được biểu đồ mắt PAM4 không?
Có. PicoSample 4 có hơn 70 thông số mắt cho NRZ, RZ và PAM4, trong đó 49 phép đo tự động cho PAM4, cùng hơn 200 mặt nạ; mắt và mặt nạ tới 16 Gb/s.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.