Một máy hiện sóng cho phòng thí nghiệm hay một máy hiện sóng giảng dạy có yêu cầu khác hẳn máy trên bàn R&D: nó phải làm được sáu bảy phép đo cơ bản thật chuẩn, chịu được sinh viên cắm sai, và nhân lên hàng chục bộ mà không phá ngân sách. Chính ràng buộc cuối đẩy nhiều phòng thực hành đi tìm một máy hiện sóng giá rẻ — nhưng rẻ chỉ có nghĩa nếu máy vẫn làm đủ sáu phép đo dưới đây. Bài này không nhắc lại bảng chọn model — nó đi qua đúng những phép đo mà một phòng thực hành làm hằng ngày trên dòng PicoScope 2000, cách đặt máy cho từng phép, và những chỗ dễ ra số sai.
Sáu phép đo mà một phòng thực hành thực sự làm
Danh sách dưới đây không phải lý thuyết: đó là những gì lặp lại trong hầu hết bài thực hành điện tử cơ bản và trong công việc đo mạch điện tử hằng ngày.
- Đo biên độ, tần số, chu kỳ nhiệm vụ của một dạng sóng.
- Đo thời gian lên và độ vọt lố của một sườn xung.
- Đo tín hiệu nhỏ — gợn sóng nguồn, tạp âm của tầng khuếch đại.
- Xem phổ tần số để tìm méo và nhiễu.
- Giải mã một bus nối tiếp: UART, I²C, SPI, CAN.
- Bắt một sự kiện hiếm hoặc chập chờn.
Cả sáu đều làm được trên một hộp USB cỡ quyển sổ tay — 142 × 92 × 18,8 mm với hai model nhỏ nhất, 130 × 104 × 18,8 mm với các model còn lại — lấy điện trực tiếp từ cổng USB, không cần bộ nguồn rời. Phần mềm chạy trên Windows, Linux và macOS.
1. Đo biên độ và tần số: chọn dải vào trước, đọc số sau
Sai lầm phổ biến nhất của người mới là để dải vào quá rộng. Máy số hoá 8 bit chia dải vào thành 256 mức; nếu tín hiệu 200 mV nằm trong dải ±20 V thì nó chỉ chiếm vài mức, và mọi phép đo biên độ sau đó đều thô.
Nguyên tắc: chọn dải nhỏ nhất mà đỉnh tín hiệu vẫn lọt trọn. Các model B đi xuống tới ±20 mV toàn thang (độ nhạy 4 mV/div), còn 2204A và 2205A dừng ở ±50 mV (10 mV/div). Với bài thực hành đo cảm biến hoặc tín hiệu audio mức thấp, khác biệt này quyết định có nhìn thấy gì không.
Hai chi tiết đi kèm. Thứ nhất, độ chính xác một chiều là ±3% toàn thang cộng 200 µV — đủ cho giảng dạy, nhưng đừng dùng máy hiện sóng thay vôn kế khi cần con số nghiệm thu. Thứ hai, ngõ vào 1 MΩ chịu quá áp ±100 V tính cả thành phần một chiều và đỉnh xoay chiều tới 10 kHz — biên an toàn thật sự hữu ích khi sinh viên cắm nhầm vào mạch nguồn.
2. Đo sườn xung: băng thông của máy phải gấp khoảng năm lần
Thời gian lên đo được không phải thời gian lên thật. Máy và tín hiệu cộng bậc hai với nhau, nên nếu máy chậm ngang tín hiệu thì con số đọc ra sai hẳn. Thời gian lên của chính máy theo từng bậc băng thông:
| Băng thông | 10 MHz | 25 MHz | 50 MHz | 70 MHz | 100 MHz |
|---|---|---|---|---|---|
| Thời gian lên của máy | 35 ns | 14 ns | 7 ns | 5 ns | 3,5 ns |
Muốn đo một sườn 20 ns cho ra sai số nhỏ, cần máy có thời gian lên cỡ 7 ns trở xuống — tức bậc 50 MHz trở lên. Dùng PicoScope 2204A 10 MHz để đo sườn đó sẽ ra một con số lớn hơn thực tế và không có cách nào hiệu chỉnh lại.
Với tín hiệu lặp lại, chế độ lấy mẫu tương đương ETS nâng tốc độ hiệu dụng lên 2, 4, 5 hoặc 10 GS/s tuỳ model, bằng cách chồng nhiều lần bắt lên nhau. ETS chỉ dùng được cho tín hiệu tuần hoàn ổn định — không dùng để bắt sự kiện đơn.
3. Đo tín hiệu nhỏ: bật resolution enhancement thay vì đổi máy
Phần cứng là 8 bit, nhưng phần mềm nâng được lên tới 12 bit bằng resolution enhancement — về bản chất là lấy trung bình nhiều mẫu, đổi băng thông lấy độ phân giải. Với gợn sóng nguồn hay tạp âm ở tần số thấp, đây gần như luôn là lựa chọn đúng, vì băng thông bị đánh đổi nằm ở vùng không mang thông tin.
Đi kèm là bộ lọc thông thấp cấu hình được bằng phần mềm trên các model B, và độ phẳng băng thông trong khoảng +0,3 dB đến −3 dB. Cách ly giữa các kênh tốt hơn 200:1 trên hai model A và tốt hơn 300:1 trên các model B — con số này đáng nhớ khi đặt một kênh biên độ lớn cạnh một kênh biên độ nhỏ.
4. Xem phổ: FFT có sẵn, không cần máy phân tích riêng
Bộ phân tích phổ trong phần mềm thuộc loại FFT nên hiển thị được phổ của một dạng sóng không lặp lại — điều mà máy phân tích quét tần truyền thống không làm được. Chọn được cửa sổ Hann, Blackman-Harris hay Flat-top: Flat-top khi cần đọc biên độ chính xác, Hann khi cần phân giải hai tần số gần nhau.
Ghép với bộ phát sóng tích hợp ở chế độ quét tần, phần mềm dựng được đường đáp tuyến của một mạch lọc hay tầng khuếch đại — một bài thực hành hoàn chỉnh chỉ với một thiết bị. Bộ phát có sẵn trên mọi model qua đầu BNC mặt trước, phát sine, vuông, tam giác, mức một chiều và các dạng khác, kèm bộ phát sóng tuỳ ý nạp được dạng sóng từ tệp hoặc vẽ tay. Băng thông bộ phát là trên 100 kHz với hai model A và trên 1 MHz với các model B.
5. Giải mã bus nối tiếp: nơi bản MSO đáng tiền
Phần mềm giải mã hơn 38 giao thức nối tiếp như tính năng chuẩn, không mua thêm: UART/RS-232, I²C, SPI, CAN, CAN FD, LIN, FlexRay, I²S, 1-Wire, Manchester, DMX512, ARINC 429 và nhiều giao thức khác. Kết quả hiện thành bảng gói tin ngay dưới dạng sóng, trên cùng trục thời gian.
Bản MSO thêm 16 kênh số chia hai cổng tám kênh, ngưỡng đặt được trong dải ±5 V, xung hẹp nhất bắt được 5 ns, trở kháng vào 200 kΩ song song 8 pF, biên độ vào tối thiểu 500 mV đỉnh-đỉnh. Với bài thực hành vi điều khiển, cấu hình này thay được cả một máy phân tích logic rời — PicoScope 2206B MSO là điểm vào hợp lý cho phòng thực hành nhúng.
6. Bắt sự kiện hiếm: bộ đệm dạng sóng là công cụ chính
Phần mềm giữ lại 40.000 dạng sóng gần nhất trong bộ đệm vòng trên các model B (10.000 trên hai model A), và bộ điều hướng cho phép lật lại từng lần bắt — nghĩa là một glitch thoáng qua vẫn còn đó sau khi đã dừng máy. Tốc độ cập nhật đạt tới 80.000 dạng sóng mỗi giây trên model B, so với 2.000 trên model A.
Đi cùng là mask limit testing: bắt một dạng sóng chuẩn, vẽ mặt nạ quanh nó, rồi để máy tự quét toàn bộ bộ đệm tìm lần vi phạm và đếm số lỗi. Với bài kiểm tra chất lượng hoặc bài thực hành so sánh mạch tốt/mạch hỏng, đây là cách chấm tự động. Kết quả đo còn ghi log được ra tệp để theo dõi trôi theo nhiệt độ hay theo điện áp nguồn.
Bẫy lớn nhất: tốc độ lấy mẫu chia theo số kênh đang bật
Con số tốc độ lấy mẫu in trên tờ rơi là giá trị khi chỉ bật một kênh. Bật kênh thứ hai là chia đôi. Trên bản MSO còn một quy tắc ít ai để ý: mỗi cổng tám kênh số cũng được tính là một kênh trong phép chia đó, và tốc độ lấy mẫu tối đa trên kênh số là 500 MS/s.
Hệ quả thực dụng: một bài đo dùng hai kênh analog cộng cả hai cổng số đang tiêu bốn suất kênh, và tốc độ lấy mẫu thực tế thấp hơn nhiều so với con số quảng cáo. Nếu chỉ cần một cổng số, hãy tắt cổng còn lại.
Chi tiết dễ bỏ sót: bản MSO của một số mã lấy mẫu nhanh hơn bản thường cùng tên. PicoScope 2205A đạt 200 MS/s còn 2205A MSO đạt 500 MS/s; PicoScope 2206B đạt 500 MS/s còn 2206B MSO đạt 1 GS/s. Bản MSO không chỉ thêm kênh số — với hai mã này nó còn là bộ số hoá nhanh hơn.
Bộ nhớ cũng chia theo cùng nguyên tắc. Dung lượng khối chạy từ 8 kS trên 2204A, 16 kS trên 2205A và 48 kS trên 2205A MSO, lên tới 32 MS, 64 MS và 128 MS trên các model B — chênh nhau bốn bậc độ lớn. Với bài đo cần cửa sổ dài mà vẫn giữ độ phân giải thời gian, bộ nhớ mới là thông số quyết định chứ không phải băng thông.
Các model trong dòng PicoScope 2000
2 kênh
- PicoScope 2204A — 10 MHz
- PicoScope 2205A — 25 MHz
- PicoScope 2206B — 50 MHz
- PicoScope 2207B — 70 MHz
- PicoScope 2208B — 100 MHz
2 kênh + 16 kênh số (MSO)
- PicoScope 2205A MSO — 25 MHz
- PicoScope 2206B MSO — 50 MHz
- PicoScope 2207B MSO — 70 MHz
- PicoScope 2208B MSO — 100 MHz
4 kênh
- PicoScope 2405A — 25 MHz
- PicoScope 2406B — 50 MHz
- PicoScope 2407B — 70 MHz
- PicoScope 2408B — 100 MHz
Tiêu chí chọn giữa mười ba mã — số kênh, băng thông, bộ nhớ, có hay không kênh số — nằm ở bài PicoScope 2000: chọn máy hiện sóng USB 2 hay 4 kênh. Toàn bộ dòng nằm trong danh mục Pico Technology tại Techmaster.
Máy dùng để chấm điểm thì phải còn hạn hiệu chuẩn
Với phòng thực hành, phần lớn phép đo là để dạy nguyên lý nên sai số vài phần trăm không quan trọng. Nhưng khi chính chiếc máy được dùng để nghiệm thu bài thi, kiểm tra sản phẩm thực tập hay xuất số liệu vào báo cáo đề tài, con số chỉ được chấp nhận nếu thiết bị còn hiệu lực hiệu chuẩn. Techmaster có phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho nhóm thiết bị đo điện. Nếu chương trình đào tạo yêu cầu sinh viên làm quen với máy để bàn có núm vặn vật lý, xem thêm so sánh với Keysight MSOX2014A.
Câu hỏi thường gặp
Máy hiện sóng 8 bit có đủ cho phòng thực hành không?
Đủ cho gần hết bài thực hành cơ bản. Ngoài ra phần mềm nâng độ phân giải lên tới 12 bit bằng resolution enhancement, đổi một phần băng thông lấy độ mịn biên độ — rất hợp với đo gợn sóng nguồn và tín hiệu tần số thấp.
Bật cả bốn kênh thì tốc độ lấy mẫu còn bao nhiêu?
Tốc độ tối đa được chia sẻ giữa các kênh đang bật, nên bật càng nhiều kênh thì tốc độ trên mỗi kênh càng giảm. Trên bản MSO, mỗi cổng tám kênh số cũng tính là một kênh trong phép chia đó, và kênh số bị giới hạn ở 500 MS/s.
Bản MSO khác bản thường ở chỗ nào ngoài kênh số?
Với hai mã thì còn khác cả tốc độ lấy mẫu: PicoScope 2205A đạt 200 MS/s trong khi 2205A MSO đạt 500 MS/s, và PicoScope 2206B đạt 500 MS/s trong khi 2206B MSO đạt 1 GS/s. Bộ nhớ của 2205A MSO cũng lớn hơn bản thường, 48 kS so với 16 kS.
Có cần mua thêm gói giải mã giao thức không?
Không. Hơn 38 bộ giải mã nối tiếp là tính năng chuẩn của phần mềm, gồm UART, I²C, SPI, CAN, CAN FD, LIN, FlexRay và nhiều giao thức khác. Phần mềm chạy trên Windows, Linux và macOS, cập nhật miễn phí.
Máy có cần nguồn ngoài không?
Không. Toàn dòng lấy điện từ cổng USB, không có bộ nguồn rời. Kích thước 142 × 92 × 18,8 mm với 2204A và 2205A, 130 × 104 × 18,8 mm với các model còn lại, nên bỏ vừa túi laptop cùng que đo.
