Que đo x1/x10: bù que, nối mass và 5 lỗi đo sai thường gặp

Cùng một tín hiệu, cùng một máy, hai người đo có thể nhận hai dạng sóng khác nhau — và thủ phạm thường không phải máy hiện sóng mà là chiếc que đo máy hiện sóng nằm giữa mạch và máy. Công tắc x1/x10 trên thân que, con vít bù nhỏ gần đầu BNC và sợi dây mass dài mười mấy phân là ba chi tiết quyết định bạn đang nhìn tín hiệu thật hay nhìn một phiên bản đã bị que đo bóp méo. Bài này không bàn chuyện chọn mua que nào (đã có bài chọn que đo cho máy hiện sóng); bài này nói về cách dùng que đo thụ động cho đúng: hai vị trí x1 và x10 khác nhau ở đâu, bù que đo để làm gì, nối mass thế nào, và năm lỗi đo sai gặp nhiều nhất trên bàn kỹ thuật. Số liệu lấy từ hướng dẫn sử dụng chính hãng của bộ que que đo thụ động PicoScope TA375, TA386, TA536 và datasheet máy hiện sóng PicoScope 2000 của Pico Technology.

Bên trong que đo x1/x10: hai mạch khác nhau trong cùng một vỏ

Que đo thụ động (passive probe) — nhiều tài liệu gọi là đầu dò dao động ký — trông như một sợi cáp có đầu kim, nhưng thật ra là một mạch điện có tính toán. Ở vị trí 10:1 (x10), trong đầu que có một điện trở 9 MΩ mắc song song với một tụ nhỏ; điện trở này cùng điện trở vào 1 MΩ của máy hiện sóng tạo thành bộ chia 10 lần. Mạch bù (con vít chỉnh ở đầu BNC) cân bằng phần điện dung để bộ chia giữ đúng tỉ lệ 10:1 ở mọi tần số, không chỉ ở một chiều. Ở vị trí 1:1 (x1), công tắc nối tắt phần chia: đầu kim đi thẳng vào ngõ vào máy qua cáp, và mạch đo nhìn thấy toàn bộ điện dung của cáp cộng với điện dung đầu vào của máy.

Bảng dưới chép từ phần thông số trong hướng dẫn sử dụng chính hãng của ba mã que thụ động đầu 5 mm có công tắc 1:1/10:1:

Chỉ tiêu	Vị trí 1:1 (x1)	Vị trí 10:1 (x10)
Băng thông TA375 / TA386 / TA536	10 MHz (cả ba mã)	100 / 200 / 350 MHz
Thời gian lên (tính toán)	35 ns	3,5 / 1,75 / 1 ns
Điện trở vào	1 MΩ (bằng điện trở vào của máy)	10 MΩ ±2%
Điện dung vào	57 pF + điện dung của máy	15 pF
Điện áp làm việc tối đa	42,4 V đỉnh	600 V đỉnh
Bảo vệ quá áp	200 V (DC + đỉnh AC)	600 V (DC + đỉnh AC)
Dải bù	—	10 đến 35 pF, xuất xưởng 15 pF

Đọc bảng theo chiều ngang sẽ thấy vì sao que đo x10 là vị trí mặc định: với TA536, chuyển từ x10 sang x1 làm băng thông giảm 35 lần (350 MHz xuống 10 MHz) và thời gian lên tăng đúng 35 lần (1 ns lên 35 ns). Điện áp làm việc tối đa cũng giảm từ 600 V xuống 42,4 V. Cái được duy nhất của vị trí x1 là không bị chia biên độ — hữu ích với tín hiệu rất nhỏ và chậm, và gần như chỉ có vậy.

Tải que: 57 pF làm gì với mạch đang đo

Mọi que đo đều “ăn” một ít năng lượng của mạch. Câu hỏi là ăn bao nhiêu. Lấy ví dụ máy hiện sóng PicoScope 2000, có đặc tính đầu vào 1 MΩ ±1% song song 16 pF ±1 pF theo datasheet. Khi gắn que ở vị trí x1, mạch nhìn thấy 57 pF + 16 pF = 73 pF; ở vị trí x10, mạch chỉ nhìn thấy 15 pF. Tỉ lệ là 73 ÷ 15 ≈ 4,9 lần.

Con số này đổi thành trở kháng thế nào? Dung kháng của tụ là 1/(2πfC):

Tần số tín hiệu	x1 (73 pF)	x10 (15 pF)
1 MHz	≈ 2,18 kΩ	≈ 10,6 kΩ
10 MHz	≈ 218 Ω	≈ 1,06 kΩ

Ở 10 MHz, que x1 đặt lên điểm đo một tải chỉ khoảng 218 Ω. Nếu điểm đo là ngõ ra của một bộ dao động thạch anh, một chân clock có điện trở nối tiếp, hay một nút trở kháng cao trong mạch analog, tải này đủ để làm chậm sườn xung, giảm biên độ, thậm chí làm bộ dao động ngừng chạy — tức là que đo đã thay đổi chính mạch bạn đang muốn quan sát.

Một ví dụ dễ hình dung hơn: nguồn tín hiệu có điện trở trong 1 kΩ. Hằng số thời gian RC với que x1 là 1 kΩ × 73 pF = 73 ns, thời gian lên 10–90% xấp xỉ 2,2 × 73 ≈ 161 ns. Với que x10: 1 kΩ × 15 pF = 15 ns, thời gian lên ≈ 33 ns. Một xung có sườn thật chỉ vài nano giây sẽ hiện trên màn hình với sườn 161 ns ở vị trí x1 — chậm hơn khoảng 4,9 lần so với vị trí x10 — và bạn sẽ kết luận sai rằng mạch có vấn đề về tốc độ.

Với tín hiệu một chiều và tần số thấp, phần điện trở mới quan trọng. Đo một nút có điện trở nguồn 100 kΩ: ở x1, bộ chia 1 MΩ / (100 kΩ + 1 MΩ) cho số đọc bằng khoảng 90,9% giá trị thật, sai 9,1%; ở x10, 10 MΩ / 10,1 MΩ cho khoảng 99,0%, sai khoảng 1%. Đây là lý do số đo điện áp phân cực trên mạch trở kháng cao ở vị trí x1 thường “thấp hơn đồng hồ vạn năng”.

Bù que đo x10: vì sao bắt buộc và nhìn dạng sóng thế nào

Bộ chia 10:1 chỉ đúng ở mọi tần số khi phần điện dung trong đầu que cân bằng với điện dung của cáp và ngõ vào máy. Mỗi kênh của mỗi máy có điện dung hơi khác nhau, nên que đo phải được chỉnh cho đúng kênh mà nó cắm vào. Hướng dẫn của Pico mô tả quy trình gọn: nối que vào nguồn xung vuông 2 V đỉnh–đỉnh, 1 kHz (phần lớn máy PicoScope có ngõ phát tín hiệu cấu hình được để làm việc này), gạt công tắc về 10:1, rồi xoay vít bù đến khi đỉnh xung phẳng. Các bước chi tiết và ba dạng sóng đối chiếu đã có trong bài bảo quản, kiểm tra và thay que đo máy hiện sóng; ở đây chỉ nói cách đọc kết quả.

• Đỉnh xung vồng lên ở đầu mỗi nửa chu kỳ (bù dư): que đo khuếch đại thành phần tần số cao. Trên tín hiệu thật, bạn sẽ thấy overshoot giả và đo biên độ đỉnh lớn hơn thực tế.
• Đỉnh xung võng xuống, góc bo tròn (bù thiếu): que đo cắt bớt tần số cao. Sườn xung trông chậm hơn và biên độ của các thành phần nhanh bị đọc thấp.
• Đỉnh phẳng, góc vuông: đã bù đúng.

Dải chỉnh 10 đến 35 pF quanh mốc xuất xưởng 15 pF là đủ cho ngõ vào 16 pF của PicoScope 2000 và phần lớn máy hiện sóng 1 MΩ. Datasheet PicoScope 2000 cũng ghi bộ máy được giao kèm que đo đã chỉnh sẵn theo máy — nhưng “chỉnh sẵn” chỉ còn đúng khi mỗi que cắm vào đúng kênh ban đầu. Khi đổi kênh hay đổi máy, phải bù lại. Lưu ý: ở vị trí x1, vít bù không có tác dụng vì phần chia đã bị nối tắt; đừng cố bù que ở x1.

Nối mass: sợi dây ngắn nhất thắng

Dây mass có kẹp cá sấu đi kèm que đo là phụ kiện tiện nhất và cũng gây ra nhiều dạng sóng giả nhất. Nguyên nhân là hình học: đầu kim, điểm đo, điểm mass và sợi dây mass tạo thành một vòng dây. Vòng dây có điện cảm; điện cảm này nối tiếp với điện dung vào 15 pF của que tạo thành một mạch cộng hưởng LC. Khi một sườn xung nhanh đi qua, mạch này “rung”, và màn hình hiện những dao động tắt dần ngay sau sườn — ringing — mà mạch thật không hề có.

Để thấy độ lớn của hiệu ứng, thử một phép tính minh hoạ (giá trị điện cảm dưới đây là giả định để làm ví dụ, không phải thông số Pico công bố): nếu vòng dây mass có điện cảm khoảng 150 nH, tần số cộng hưởng với 15 pF là 1/(2π√(LC)) ≈ 106 MHz — nằm gọn trong băng thông 200 MHz của TA386 hay 350 MHz của TA536, nên ringing sẽ hiện rõ. Rút vòng mass xuống còn khoảng 10 nH thì tần số cộng hưởng tăng lên khoảng 411 MHz, vượt ra ngoài băng thông que và gần như không còn thấy. Điện cảm tỉ lệ với diện tích vòng dây, nên mọi thao tác thu nhỏ vòng đều có ích.

Cách làm thực tế:

• Tín hiệu chậm (dưới vài MHz, sườn xung hàng chục ns trở lên): dây mass kẹp cá sấu là đủ. Kẹp vào điểm mass gần điểm đo nhất, không kẹp vào vỏ máy ở xa.
• Sườn xung nhanh, clock, nguồn xung: dùng đầu nối mass lò xo (spring ground) cắm thẳng vào điểm mass sát điểm đo. Theo hướng dẫn của Pico, phụ kiện này đi kèm que TA536 350 MHz. Với que không có spring ground, quấn dây mass sát thân que và chọn điểm mass gần nhất có thể.
• Điểm đo cố định cần đo lặp lại ở tần số rất cao: đó là lúc cân nhắc que trở kháng thấp hoặc que tích cực thay vì cố ép que thụ động.

Đầu móc rút gọn (retractable hook tip) có lò xo giúp giữ đầu que trên chân linh kiện mà không cần tay giữ; đầu tiếp xúc lò xo và đầu cứng là vật tư thay thế được — TA385 (lò xo) và TA384 (cứng) bán theo bộ năm chiếc trong nhóm phụ kiện que đo PicoScope. Đầu tiếp xúc mòn hay cong làm que trượt khỏi điểm đo giữa chừng — một nguồn dạng sóng “chập chờn” khó phát hiện.

5 lỗi đo sai thường gặp với que đo x1/x10

Lỗi 1: Biên độ sai đúng 10 lần

Triệu chứng: nguồn 5 V hiện là 0,5 V, hoặc tín hiệu 3,3 V hiện là 33 V. Nguyên nhân: công tắc trên que ở x10 nhưng phần mềm vẫn để hệ số x1 (hoặc ngược lại). Máy hiện sóng không tự biết vị trí công tắc trên một que thụ động thông thường. Cách sửa: mỗi lần cắm que, đặt hệ số que đo cho đúng kênh trong phần mềm. PicoScope có sẵn định nghĩa cho các que đo và kẹp dòng tiêu chuẩn do Pico cung cấp, và cho phép tạo định nghĩa que riêng để hiệu chỉnh hệ số, độ lệch. Thói quen tốt: dán nhãn màu cùng màu kênh lên que và luôn để công tắc ở x10.

Lỗi 2: Overshoot hoặc sườn tròn do chưa bù que

Triệu chứng: xung vuông có đỉnh vồng hoặc góc tròn dù mạch đã được kiểm chứng là sạch; hai kênh đo cùng một tín hiệu cho hai dạng sóng khác nhau. Nguyên nhân: que đo được bù cho kênh khác hoặc máy khác, hoặc chưa bao giờ được bù. Cách sửa: bù lại theo quy trình ở trên mỗi khi đổi kênh, đổi máy. Nếu xoay hết hành trình vít bù mà đỉnh xung vẫn không phẳng, que đo hoặc kênh đo có vấn đề — đó là lúc thay que, không phải lúc xoay tiếp.

Lỗi 3: Dùng x1 cho tín hiệu nhanh

Triệu chứng: clock 8 MHz hiện như sóng gần sin, sườn xung chậm bất thường, hoặc mạch dao động tắt khi chạm que vào. Nguyên nhân: ở x1, băng thông que chỉ 10 MHz (thời gian lên 35 ns) và tải 57 pF cộng điện dung máy. Một máy 100 MHz gắn que x1 thực chất trở thành hệ đo 10 MHz. Cách sửa: chuyển về x10. Nếu tín hiệu quá nhỏ để đọc ở x10 — ví dụ PicoScope 2000 có độ nhạy cao nhất 4 mV/div, qua que x10 thành 40 mV/div tính tại đầu que — hãy dùng x1 chỉ khi tín hiệu đủ chậm (dưới vài MHz) và nguồn có trở kháng thấp, và ghi nhớ rằng các gai nhanh sẽ bị lọc mất.

Lỗi 4: Ringing giả do dây mass dài

Triệu chứng: dao động tắt dần sau mỗi sườn xung, thay đổi khi bạn di chuyển dây mass hoặc đặt tay gần que. Nguyên nhân: vòng mass cộng hưởng với điện dung vào của que như đã phân tích ở trên. Cách sửa: thử ngay bằng cách đổi sang spring ground hoặc rút ngắn vòng mass; nếu dao động giảm rõ, đó là do que đo chứ không phải do mạch. Một phép thử nữa: chạm cả đầu kim và kẹp mass vào cùng một điểm mass trên board — nếu vẫn thấy tín hiệu, que đang thu nhiễu từ trường qua vòng dây.

Lỗi 5: Kẹp mass vào điểm có điện áp

Triệu chứng: tia lửa, cầu chì nhảy, mạch hỏng, hoặc tệ hơn là cổng USB và máy tính bị ảnh hưởng. Nguyên nhân: mass của que đo thụ động nối trực tiếp vào vỏ BNC, tức mass của máy hiện sóng, và qua cáp USB về mass máy tính. Hướng dẫn của Pico ghi rõ: kết nối mass qua đầu BNC chỉ dùng cho mục đích đo, que đo không có mass bảo vệ an toàn, và không bao giờ được nối đầu mass vào bất kỳ nguồn điện nào. Kẹp mass vào cực nguồn của MOSFET phía cao, vào dây pha, hay vào một điểm trên mạch không cách ly là tạo ngắn mạch qua máy đo. Cách sửa: trước khi kẹp, dùng đồng hồ đo kiểm tra không có điện áp AC hoặc DC đáng kể giữa mass que và điểm định kẹp — đúng như hướng dẫn chính hãng yêu cầu. Khi cần đo chênh áp giữa hai điểm đều không phải đất, dùng que đo vi sai cao áp (dải 700 V đến 7000 V) chứ không dùng hai que thụ động “trừ nhau”. Cũng nhớ giới hạn điện áp: ở x1 que chỉ đo toàn thang 42,4 V (DC + đỉnh AC), ở x10 là 600 V; tiêu chuẩn EN 61010-031 coi trên ±60 V DC, 30 V AC RMS hoặc ±42,4 V đỉnh là mức “nguy hiểm khi chạm”.

Khi que x1/x10 không còn là công cụ đúng

Que đo thụ động phủ phần lớn công việc hằng ngày, nhưng có bốn tình huống mà xoay vít bù hay rút ngắn dây mass cũng không cứu được phép đo:

Tình huống	Vì sao que thụ động không đủ	Hướng xử lý
Sườn xung dưới nano giây, clock GHz	Băng thông que thụ động tối đa vài trăm MHz, tải 15 pF vẫn đáng kể	Que đo trở kháng thấp PicoConnect 1,5 GHz
Nút trở kháng cao nhạy với tải	15 pF và 10 MΩ vẫn kéo lệch mạch	Que đo tích cực 750 MHz đến 2,5 GHz
Bus vi sai USB, LVDS, CAN	Que đơn cực đo so với đất, không đo chênh áp hai dây	Que đo vi sai tốc độ cao 50 MHz đến 800 MHz
Mạch công suất không chung đất, trên 42,4 V ở x1 hay 600 V ở x10	Mass que nối đất qua máy; vượt điện áp làm việc	Que đo vi sai cao áp 700 V đến 7000 V

Bảng này chỉ là dấu hiệu nhận biết; tiêu chí chọn chi tiết từng nhóm que đã nằm trong bài chọn que đo dẫn ở đầu bài.

Quy trình 6 bước trước mỗi phép đo

1. Kiểm tra que: cáp không gập, vỏ không nứt, chụp bảo vệ ngón tay còn nguyên, đầu tiếp xúc không cong.
2. Gạt công tắc về x10 trừ khi có lý do cụ thể để dùng x1.
3. Đặt hệ số que đo trong phần mềm khớp với công tắc, cho đúng kênh.
4. Bù que trên đúng kênh sẽ dùng bằng xung vuông 2 V đỉnh–đỉnh, 1 kHz.
5. Kiểm tra điện áp giữa mass que và điểm định kẹp bằng đồng hồ đo; có điện áp thì dừng và đổi sang que vi sai.
6. Chọn kiểu nối mass theo tốc độ tín hiệu: kẹp cá sấu cho tín hiệu chậm, spring ground hoặc vòng mass ngắn nhất cho sườn xung nhanh.

Sáu bước mất chưa tới hai phút nhưng loại được cả năm lỗi ở trên. Phần còn lại là độ chính xác của bản thân thiết bị: suy hao của que có sai số ±2% ở vị trí 10:1, và độ chính xác DC của máy cần được kiểm định định kỳ — dịch vụ hiệu chuẩn thiết bị đo theo ISO/IEC 17025 của Techmaster giúp giữ số đo có giá trị theo thời gian. Nguyên tắc dùng que x10, bù que và nối mass ngắn áp dụng chung cho mọi máy hiện sóng đầu vào 1 MΩ, kể cả máy để bàn — xem thêm 6 ứng dụng đo lường thực tế với máy hiện sóng Keysight DSOX1202A để thấy các phép đo này trong bối cảnh sửa chữa và sản xuất.

Các model trong dòng que đo và phụ kiện Pico

Sáu nhóm sản phẩm liên quan trực tiếp tới các tình huống trong bài; mỗi trang có bảng mã đặt hàng đầy đủ:

• Que đo thụ động PicoScope — 9 mã: TA375, TA386, TA536 (5 mm, 1:1/10:1), TA436, TA437, TA479, TA480 (2,5 mm, 10:1), TA561, TA562 (3,5 mm, 10:1).
• Phụ kiện que đo PicoScope — đầu tiếp xúc lò xo/cứng TA064, TA068, TA384, TA385, adaptor BNC TA537, TA563, dây đánh dấu kênh TA030, TA494, TA495.
• Que đo trở kháng thấp PicoConnect — TA061 (SMA), TA062 (BNC), 1,5 GHz, 10:1.
• Que đo tích cực PicoScope — PQ254, PQ265, TETRIS TA112, TA223.
• Que đo vi sai tốc độ cao Pico — TA058, TA488, TA489.
• Que đo vi sai cao áp Pico — TA041, TA042, TA043, TA044, TA057.

Xem toàn bộ thiết bị do Techmaster phân phối tại trang Pico Technology, hoặc liên hệ kèm model máy đang dùng để được tư vấn que đo tương thích.

Tóm tắt

Một que đo máy hiện sóng thụ động là hai công cụ khác nhau tùy vị trí công tắc: ở x10 là đầu đo 100–350 MHz, tải 15 pF, chịu 600 V đỉnh; ở x1 là đầu đo 10 MHz, tải 57 pF cộng điện dung máy, chịu 42,4 V đỉnh. Để que ở x10, khai báo đúng hệ số trong phần mềm, bù que cho từng kênh, giữ vòng mass ngắn và không kẹp mass vào điểm có điện áp — năm việc đó loại bỏ phần lớn các dạng sóng “lạ” mà người dùng hay đổ lỗi cho máy.

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