Có những phép đo mà chỉ cần kẹp dây đất của que đo vào sai một điểm là tia lửa bắn ra. Đo ngang một điện trở shunt đang trôi nổi, đo cực cổng của transistor phía cao trong mạch nửa cầu, đo chênh lệch điện áp giữa hai pha — tất cả đều có một điểm chung: không có điểm nào trong hai đầu đo được phép nối về đất của máy hiện sóng. Đây là lúc cần đến một máy hiện sóng vi sai. Bài này đi vào cách đo vi sai trên PicoScope 4444: ba con số quyết định phép đo, cách chọn que, quy trình từng bước và cách kéo tín hiệu nhỏ ra khỏi nền nhiễu.
Vi sai khác đơn cực ở chỗ nào
Một que đo thông thường dùng giắc BNC có hai dây: dây tín hiệu và dây đất. Dây đất đó không phải là một điểm tham chiếu tuỳ ý — nó nối thẳng vào vỏ máy hiện sóng, và qua cáp USB thì nối tiếp về đất của máy tính. Khi bạn kẹp nó vào một điểm đang ở điện thế khác đất, bạn vừa tạo ra một đường dẫn dòng ngắn mạch. Tài liệu kỹ thuật của Pico mô tả tình huống này rất thẳng: chỉ cần nối sai một dây đất là tia lửa có thể bắn ra.
Ngõ vào vi sai bỏ hẳn ràng buộc đó. Thay vì đo một điểm so với đất, nó đo hiệu điện thế giữa hai đầu vào. Phần tín hiệu xuất hiện giống hệt nhau trên cả hai đầu — gọi là điện áp đồng pha (common-mode) — về nguyên tắc sẽ bị trừ đi hết. Đây chính là thứ làm nên giá trị của phép đo vi sai: nó vừa an toàn hơn, vừa sạch hơn.
Trong dòng PicoScope 4000, chỉ có một mã mang ngõ vào vi sai thật: PicoScope 4444 với bốn ngõ vào trên giắc Pico D9. Bốn mã còn lại của dòng đều là ngõ vào đơn cực. Nếu bạn đang cân nhắc giữa các mã trong dòng theo tiêu chí độ phân giải và số kênh, bài chọn máy hiện sóng độ phân giải cao PicoScope 4000 đã đi qua từng mã.
Ba con số quyết định một phép đo vi sai
Người mới thường chỉ nhìn băng thông. Với phép đo vi sai, ba con số dưới đây mới là thứ quyết định bạn đọc được gì trên màn hình.
1. CMRR — nhiễu đồng pha bị nén bao nhiêu lần
Ngõ vào của PicoScope 4444 có CMRR điển hình 60 dB, từ DC đến 1 MHz. Vì CMRR là tỉ số điện áp, hệ số nén bằng 10 mũ (dB chia 20): 60 dB tương ứng 103, tức 1.000 lần. Nói cụ thể: nếu hai đầu đo cùng đang bơi trên một nền 10 V đồng pha, phần còn sót lại trên màn hình là 10 V chia 1.000, tức khoảng 10 mV.
Khi cắm que PicoConnect 442, CMRR là 55 dB. Con số này tương ứng hệ số nén 102,75 ≈ 562 lần, nên phần dư từ nền 10 V sẽ là khoảng 17,8 mV. Chênh 5 dB giữa hai trường hợp là chênh khoảng 1,8 lần — không phải gấp đôi, và càng không phải mười lần.
2. Dải đồng pha — ngưỡng mà ngõ vào còn chịu được
CMRR chỉ có ý nghĩa khi mức đồng pha còn nằm trong dải cho phép. Trên 4444, dải này thay đổi theo thang đo đang chọn, chứ không phải một hằng số: 5 V khi đang ở các thang từ ±10 mV đến ±500 mV, và 50 V khi ở các thang từ ±1 V đến ±50 V. Với que PicoConnect 442, con số tương ứng là 125 V ở các thang ±2,5 V đến ±12,5 V, và 1.000 V ở các thang ±25 V đến ±1.000 V.
Đây là chỗ hay sai trong thực tế: hạ thang đo xuống để nhìn rõ tín hiệu nhỏ cũng đồng thời hạ luôn dải đồng pha mà ngõ vào chịu được. Vượt ngưỡng thì kết quả không còn đáng tin, dù dạng sóng trông vẫn “có vẻ ổn”.
3. Nền nhiễu — sàn của phép đo
Nhiễu ngõ vào của 4444 là dưới 180 µV RMS ở thang ±10 mV. Trên toàn thang 20 mV, con số đó tương đương khoảng 0,9%. Với que PicoConnect 442, nền nhiễu là dưới 5 mV RMS ở thang ±2,5 V — cái giá phải trả cho hệ số suy giảm 25:1 và cấp cách điện 1.000 V CAT III.
| Chỉ tiêu | Ngõ vào scope (D9) | Với PicoConnect 442 |
|---|---|---|
| CMRR điển hình | 60 dB, DC đến 1 MHz | 55 dB, DC đến 1 MHz |
| Trở kháng vào | 1 MΩ ±1% ∥ 17,5 pF | 16,7 MΩ ±1% ∥ 9,3 pF |
| Dải toàn thang | ±10 mV đến ±50 V (12 thang) | ±2,5 V đến ±1.000 V (9 thang) |
| Chính xác DC (DC–10 kHz) | ±1% toàn thang, ±500 µV | ±3% toàn thang, ±12,5 mV |
| Nhiễu | < 180 µV RMS (thang ±10 mV) | < 5 mV RMS (thang ±2,5 V) |
| Bảo vệ quá áp | ±100 V DC cộng đỉnh AC | 1.000 V CAT III |
| Xuyên kênh | 2000:1, DC đến 20 MHz | 2000:1, DC đến 10 MHz |
Chọn que đo vi sai và kẹp dòng theo phép đo
Bốn ngõ vào D9 của 4444 dùng chung một giao diện que “thông minh”. Máy cấp nguồn thẳng cho kẹp dòng nên đo dài ngày không phải lo hết pin, và phần mềm tự nhận que rồi tự đặt thang đo ngay khi cắm. Việc của bạn là chọn đúng que đo vi sai hoặc đúng kẹp cho phép đo đang làm.
Hai que điện áp khác nhau ở chỗ có suy giảm hay không. PicoConnect 441 là que thụ động 1:1, không suy giảm, băng thông 15 MHz, đo được từ mức milivôn tới ±50 V; nó có thêm kẹp tham chiếu đất để khử chênh lệch đồng pha chưa biết giữa que và mạch cần đo, và dùng giắc 4 mm không chụp nên lắp được nhiều loại đầu dò. Pico nêu đích danh một ứng dụng rất hợp với nó: đo ngõ ra của các bus vi sai như CAN hoặc RS-485.
PicoConnect 442 đi hướng ngược lại: suy giảm 25:1, băng thông 10 MHz, cấp 1.000 V CAT III, cách điện kép nên không cần dây đất an toàn, giắc 4 mm có chụp. Đây là que dùng khi đo trên tủ phân phối, aptomat hay ổ cắm cố định.
Về dòng, ba lựa chọn phủ ba tình huống khác nhau. TA300 là kẹp hiệu ứng Hall 40 A, đo được cả chiều một chiều lẫn xoay chiều, băng thông 100 kHz, cấp 300 V CAT III trên dây trần — đây là kẹp cho những phép đo dòng điện chính xác ở mức nhỏ, nơi băng thông rộng có ích. TA301 cũng dùng hiệu ứng Hall nhưng chuyển dải 200/2.000 A, băng thông 20 kHz, cấp 150 V CAT II. TA368 là kẹp mềm Rogowski 2.000 A hiệu dụng, dải 10 Hz đến 20 kHz, cấp 1.000 V CAT III và 600 V CAT IV; cuộn mềm luồn được vào chỗ chật, nhưng theo nguyên lý Rogowski thì nó chỉ đo được thành phần xoay chiều.
Một lưu ý hay bị bỏ qua: cấp bảo vệ ghi trên que là cấp của que, không phải của máy. Ngõ vào trần của 4444 chịu ±100 V một chiều cộng đỉnh xoay chiều. Muốn làm việc ở mức 1.000 V CAT III thì bắt buộc phải qua PicoConnect 442. Nếu bạn muốn so sánh rộng hơn giữa các họ que đo thụ động, tích cực và vi sai, bài chọn que đo cho máy hiện sóng đi sâu hơn về phần này.
Quy trình đo vi sai từng bước
Dưới đây là trình tự đã rút gọn cho một phép đo vi sai trên mạch điện tử công suất. Thứ tự các bước có lý do: mọi quyết định về an toàn phải xong trước khi có điện.
- Xác định mức đồng pha lớn nhất có thể xuất hiện. Không phải mức lúc chạy ổn định, mà mức lúc đóng cắt hoặc lúc sự cố. Con số này quyết định chọn que nào.
- Chọn que theo cấp bảo vệ, rồi mới theo băng thông. Nếu điểm đo thuộc phạm vi CAT III, dùng PicoConnect 442 và dừng tranh luận về băng thông ở đó.
- Cắm que vào ngõ D9 khi máy chưa nối vào mạch. Phần mềm sẽ nhận que và đặt sẵn thang đo phù hợp.
- Đặt thang đo và kiểm lại dải đồng pha tương ứng. Nhớ rằng hạ thang cũng hạ luôn ngưỡng đồng pha: thang ±500 mV trở xuống chỉ còn 5 V đồng pha trên ngõ vào trần.
- Chọn ghép nối AC hay DC. Ghép AC hữu ích khi cần nhìn gợn sóng nhỏ trên một mức một chiều lớn, nhưng nó bỏ mất thành phần một chiều — đừng dùng nếu bạn đang cần đo chính giá trị một chiều đó.
- Bù que nếu dùng đầu dò có suy giảm. Chân bù trên máy phát sóng vuông 1 kHz, biên độ 4 V đỉnh, trở kháng ra 610 Ω.
- Chọn chế độ 12 bit hay 14 bit theo tốc độ cần. Đây là đánh đổi thật, không phải tuỳ chọn trang trí — phần sau nói kỹ.
- Đặt trigger. Ngoài trigger sườn, máy có window, pulse width, dropout, interval, runt pulse và logic; trigger số đạt độ chính xác tới 1 LSB trên toàn băng thông, và cho phép lấy tới 100% chiều dài bản ghi làm dữ liệu trước điểm kích.
- Đóng điện, rồi mới chạm vào thang đo. Đọc giá trị bằng các phép đo tự động thay vì ước lượng bằng mắt trên lưới.
Đo tín hiệu nhiễu thấp: lấy gì ra khỏi nền nhiễu
PicoScope 4444 có phân giải gốc 12 hoặc 14 bit, và ở phần lớn các thang có thể tăng cường lên tới 16 bit. Cần nói rõ hai điều thường bị nhầm: đây không phải cơ chế FlexRes như dòng 5000D, và mức tăng cường là tới 16 bit chứ không cao hơn.
Khoảng cách giữa 12 bit và 14 bit đáng giá bao nhiêu? Xét theo số mức chia trục dọc, 12 bit cho 4.096 mức, tức gấp 16 lần so với 8 bit; 14 bit cho 16.384 mức, tức gấp 64 lần so với 8 bit. Nhưng con số sát thực tế hơn là ENOB — số bit hiệu dụng sau khi đã tính nhiễu và méo: 4444 đạt 10,8 bit ở chế độ 12 bit và 11,8 bit ở chế độ 14 bit. Chênh đúng một bit, tức phân giải hiệu dụng tăng hai lần.
Cái giá là tốc độ lấy mẫu, và hai chế độ ứng xử khác hẳn nhau:
| Số kênh đang bật | Chế độ 12 bit | Chế độ 14 bit |
|---|---|---|
| 1 kênh | 400 MS/s | 50 MS/s |
| 2 kênh | 200 MS/s | 50 MS/s |
| 3 hoặc 4 kênh | 100 MS/s | 50 MS/s |
Đọc bảng này theo chiều dọc sẽ thấy điều đáng chú ý: ở chế độ 14 bit, tốc độ không giảm khi bật thêm kênh — vẫn là 50 MS/s dù dùng một hay bốn kênh. Trong khi ở chế độ 12 bit, bật từ một lên bốn kênh làm tốc độ rơi từ 400 xuống 100 MS/s, tức còn một phần tư. Hệ quả thực dụng: nếu bạn cần cả bốn kênh cùng lúc, khoảng cách tốc độ giữa hai chế độ chỉ còn 100 so với 50 MS/s, và lúc đó chọn 14 bit thường là đánh đổi dễ chịu.
Bộ nhớ 256 MS được chia sẻ giữa các kênh đang bật. Ở tốc độ nhanh nhất, thời lượng bắt dài nhất là 500 ms với chế độ 12 bit và 5 giây với chế độ 14 bit. Máy lấy mẫu đồng thời trên mọi kênh đang bật — điều này quan trọng khi đo lệch pha giữa áp và dòng, vì lấy mẫu lần lượt sẽ tự tạo ra sai lệch pha giả.
Khi cần nhìn tín hiệu nhỏ trong miền tần số, phần đo tự động ở chế độ phổ có sẵn THD theo phần trăm và theo dB, THD+N, SFDR, SINAD, SNR và IMD. Méo hài ở 100 kHz tại 90% toàn thang là dưới −70 dB với các thang từ ±50 mV trở lên, và dưới −60 dB ở hai thang nhạy nhất là ±10 mV và ±20 mV.
Nếu phép đo của bạn không cần vi sai mà chỉ cần nền nhiễu thấp nhất có thể, thì mã đáng cân nhắc trong dòng là PicoScope 4262: 16 bit phần cứng, nhiễu 8,5 µV RMS ở thang nhạy nhất và SFDR 96 dB điển hình ở 10 kHz — đổi lại băng thông chỉ 5 MHz và ngõ vào là đơn cực.
Ba phép đo hay gặp trong thực tế
Công suất tức thời trên một linh kiện. Đưa áp vào một kênh vi sai, dòng vào một kênh khác qua kẹp TA300 hoặc TA301, rồi dùng kênh toán nhân hai kênh với nhau. Vì máy lấy mẫu đồng thời, tích số này phản ánh đúng quan hệ pha. Lấy tích phân của nó sẽ ra năng lượng trong một chu kỳ đóng cắt.
Điện áp cực cổng phía cao. Đây là ví dụ kinh điển mà datasheet nhắc tới: điểm đo bơi theo điện áp bus. Dùng ngõ vào vi sai, kiểm dải đồng pha ứng với thang đang chọn, và tránh mọi ý định “mượn tạm” dây đất.
Bus CAN hoặc RS-485. Tín hiệu trên các bus này vốn là tín hiệu vi sai, nên đo bằng ngõ vào vi sai là đo đúng thứ mà bộ thu nhìn thấy. Máy có sẵn giải mã nối tiếp cho CAN, CAN FD, LIN, FlexRay, SENT, I²C, I²S, SPI, UART bao gồm RS-232, RS-422 và RS-485, Modbus và Ethernet 10Base-T.
Các model trong dòng PicoScope 4000
Dưới đây là toàn bộ năm mã của dòng, để tiện đối chiếu khi chọn. Chỉ 4444 có ngõ vào vi sai; bốn mã còn lại là ngõ vào đơn cực.
| Model | Kênh | Phân giải | Băng thông | Đặc điểm |
|---|---|---|---|---|
| PicoScope 4224A | 2, đơn cực | 12 bit, tăng cường tới 16 bit | 20 MHz | 80 MS/s, bộ nhớ 256 MS, có bộ phát sóng và AWG |
| PicoScope 4424A | 4, đơn cực | 12 bit, tăng cường tới 16 bit | 20 MHz | Như 4224A, thêm hai kênh |
| PicoScope 4824A | 8, đơn cực | 12 bit, tăng cường tới 16 bit | 20 MHz | Tám kênh cho hệ nhiều điểm đo |
| PicoScope 4262 | 2, đơn cực | 16 bit phần cứng | 5 MHz | Nhiễu 8,5 µV RMS, SFDR 96 dB điển hình ở 10 kHz |
| PicoScope 4444 | 4, vi sai thật | 12 hoặc 14 bit, tăng cường tới 16 bit | 20 MHz | CMRR 60 dB, tới 400 MS/s, giao diện que Pico D9 |
Toàn bộ dòng sản phẩm Pico Technology mà Techmaster phân phối được liệt kê ở trang thiết bị đo Pico.
Giữ cho số đo còn đáng tin theo thời gian
Chính xác DC của ngõ vào 4444 là ±1% toàn thang cộng ±500 µV, và ±3% toàn thang cộng ±12,5 mV khi đo qua PicoConnect 442. Những con số này là thông số xuất xưởng; chúng trôi theo thời gian và theo điều kiện sử dụng. Với phép đo dùng để nghiệm thu hoặc lập hồ sơ, thiết bị cần được hiệu chuẩn định kỳ và có giấy chứng nhận kèm theo — Techmaster có phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho nhóm thiết bị đo điện.
Chuẩn thời gian cũng cần để ý: sai số thời gian thu thập là ±50 ppm với mức lão hoá 5 ppm mỗi năm, còn jitter mẫu điển hình là 3 ps RMS. Với các phép đo so sánh pha hoặc đo khoảng thời gian ngắn, đây là phần đóng góp sai số không nên bỏ qua. Nếu bạn đang xây dựng một hệ đo hỗn hợp nhiều hãng, bài ứng dụng máy hiện sóng Keysight DSOX3034G có thể dùng để đối chiếu cách bố trí phép đo trên thiết bị để bàn.
Tóm lại
Chọn ngõ vào vi sai không phải vì nó “xịn hơn”, mà vì có những điểm đo mà ngõ vào đơn cực không được phép chạm vào. Khi đã quyết định đo vi sai, hãy đi theo đúng thứ tự: mức đồng pha lớn nhất quyết định que, que quyết định cấp bảo vệ và băng thông, thang đo quyết định dải đồng pha còn lại, và cuối cùng chế độ 12 hay 14 bit quyết định đánh đổi giữa tốc độ và phân giải. Bốn quyết định đó làm đúng thì con số trên màn hình mới có nghĩa.
