Đang tải... (xem toàn văn)
Nối tiếp nội dung của phần 1 cuốn sách Bài giảng Cơ sở đo lường điện tử do Đỗ Mạnh Hà biên soạn, phần 2 trình bày các nội dung: Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha; đo công suất, phân tích phổ tín hiệu; đo tham số của mạch và linh kiện điện tử. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Chương – Các phép đo điện CHƢƠNG – CÁC PHÉP ĐO ĐIỆN CƠ BẢN 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG Đo điện áp, đo cƣờng độ dòng điện, đo điện trở phép đo đƣợc sử dụng nhiều không kỹ thuật mà sống hàng ngày Các tham số đƣợc đo trực tiếp, gián tiếp so sánh Phƣơng pháp đo trực tiếp: dùng dụng cụ đo tƣơng ứng nhƣ Vôn mét (để đo điện áp) , Ampe mét (để đo dòng điện), Ơm mét (để đo điện trở), kết đọc trực tiếp dụng cụ đo Dụng cụ đo đơn chức đƣợc chế tạo tƣơng ứng với đại lƣợng, tên dụng cụ đo thƣờng đƣợc đạt theo tên đơn vị đo đại lƣơng đo Hiện để tối ƣu việc đo nhƣ tăng độ xác nhƣ giới hạn đo mà ngƣời ta có ta chế tạo dụng cụ đo đơn chức nhƣ ví dụ; picoampe mét, Megaohm mét, Microohm mét… Phƣơng pháp gián tiếp: Theo định luật ơm U=I.R, nhƣ thực đo gián tiếp đại lƣợng điện áp, dòng điện, điện trở thơng qua đo giá trị đại lƣợng đại lƣợng mẫu áp dụng cơng thức tính tốn để xác định đại lƣợng cần đo lại Ví dụ đo dòng điện trở mẫu xác định đƣợc điện áp đặt điện trở Ucần đo=Iđo đƣợc.Rmẫu Nhờ tính chất mà ngƣời ta thƣờng chế tạo loại dụng cụ đo vạn cho phép đo đƣợc đại lƣợng nói (Multimeters) Phƣơng pháp so sánh: Đo điện áp, dòng điện, điện trở cách so sánh với điện áp, dòng điện, điện trở mẫu tƣơng ứng thông qua thiết bị so sánh Ở trạng thái cân bằng, đại lƣợng cần đo thƣờng với đại lƣợng mẫu 171 Chương – Các phép đo điện Có nhiều phƣơng pháp đo điện áp, dòng điện, điện trở khác nhau, phần trình bày tổng quan phƣơng pháp kỹ thuật đo điện áp, dòng điện, điện trở 5.2 ĐO DÕNG ĐIỆN Phép đo dòng điện có phạm vi đo rộng (từ vài pA đến vài MA), dải tần rộng (từ đo dòng chiều đến đo dòng xoay chiều tần số tới hàng GHz) Tùy phạm vi đo dải tần đo lại sử dụng phƣơng pháp đo khác Tuy nhiên thực tế phép đo dòng điện thƣờng đƣợc thực dải tần tới hàng trăm MHz, dải tần số siêu cao ngƣời ta thƣờng đo công suất Dụng cụ đo dòng điện đƣợc gọi Ampe mét (Ampe kế), với đồng hồ vạn để chức đo dòng đƣợc gọi Ampe mét Ký hiệu Ampe mét sơ đồ vòng tròn có chữ A thêm ký hiệu cực dƣơng âm hai bên cho dòng điện chiều: + A - Có dạng Ampe mét khác nhau: Ampe mét can thiệp Ampe mét không can thiệp 5.2.1 Ampe mét can thiệp Khi đo dòng điện chạy dây điện Ampe mét phải đƣợc mắc nối tiếp với dây điện, tiêu thụ hiệu điện nhỏ nối tiếp mạch điện Để giảm ảnh hƣởng đến mạch điện cần đo, hiệu điện tiêu thụ mạch ampe kế phải nhỏ tốt Điều nghĩa trở kháng tƣơng đƣơng ampe mét mạch điện phải nhỏ so với điện trở mạch Khi mắc ampe mét vào mạch điện chiều, ý nối cực điện theo chiều dòng điện Ln chọn thang đo phù hợp 172 Chương – Các phép đo điện trƣớc đo: chọn thang lớn trƣớc, hạ dần thu đƣợc kết nằm thang đo Mỗi Ampe mét có kháng trong, dòng chiều xoay chiều tần số thấp, coi trở kháng ampe mét trở Ra (Hình 5.1-b) Nhƣng tần số cao trở kháng tƣơng đƣơng ampe mét cần phải tính đến các thành phần điện dung điện cảm ký sinh, sơ đồ tƣơng đƣơng nhƣ Hình 5.1-a (trong đó: La- điện cảm cuộn dây, Ca- điện dung đầu ampe mét, Cd- điện dung đầu ampe mét với đất) Ca Zn Zt La Cd Ra En Cd A Ra (a) (b) (c) Hình 5.1 - Trở kháng tương đương ampe mét Để giảm sai số điện dung ký sinh tần số cao ngƣời ta mắc ampe mét vào vị trí có điện thấp so với đất Ví dụ nhƣ cách mắc Hình 5.1-c, Zn – trở kháng nguồn, Zt – trở kháng phụ tải Khi mắc ampe mét vào mạch đo làm cho dòng điện qua mạch thay đổi so với giá trị thực Ix Ix En Zn Zt Sau mắc ampe mét vào mạch dòng điện mà ampe mét thị là: 173 Chương – Các phép đo điện I đo Zn En Zt Z A Sai số tƣơng đối ảnh hƣởng trở kháng ampe mét đƣợc xác định nhƣ sau: Ix I I đo Ix 100 Zt Zn Z0 Za 100 % Để giảm nhỏ sai số tƣơng đối cần chọn ampe mét có trở kháng nhỏ Để mở rộng thang đo dòng điện cho ampe mét mạch chiều tần số thấp ngƣời ta mắc ampe mét song song với điện trở Shunt với tác dụng phân chia dòng điện Ở tần số cao ảnh hƣởng hiệu ứng bề mặt, Shunt điện trở đƣợc thay Shunt điện cảm, Shunt điện dung hay biến dòng đo lƣờng cao tần Các phƣơng pháp dòng điện theo kiểu can thiệp nhƣ sau: - Đo dòng điện dùng cấu đo từ điện - Do dòng phƣơng pháp nhiệt điện - Đo dòng phƣơng pháp quang điện, … a Đo dòng điện dùng cấu đo từ điện a.1 Đo dòng điện chiều DC dùng cấu từ điện Cơ cấu đo từ điện làm việc với dòng chiều, nhƣng dòng tồn thang Itt nhỏ, phải mở rộng thang đo cho phù hợp cách mắc CCĐ song song với điện trở Shunt R s 174 Chương – Các phép đo điện Rm, Itt AM1 + Rm, Itt Im Ix R1 R2 R3 I3 + I2 Ix Is I1 Rs (a) – Sơ đồ thang đo (b) – Sơ đồ nhiều thang đo kiểu Shunt Ayrton Hình 5.2 – Sơ đồ thang đo dòng chiều dùng CCĐ từ điện Sơ đồ thang đo dòng chiều dùng CCĐ từ điện nhƣ Hình 5.2-a Dòng điện đo: Ix = Im + Is Dòng điện đo đƣợc lớn thang đo Imax Khi Ix = Imax Im=Itt, dó điện trở Shunt đƣợc xác định nhƣ sau: Rs Rm , n với n I ma x I tt - hệ số mở rộng thang đo Với Ampe mét có nhiều thang đo dùng nhiều điện trở Shunt, thông thƣơng điện trở Shunt đƣợc mắc nối kiểu Shunt Ayrton nhƣ Hình 5.2-b với thang đo I1, I2, I3, hệ số mở rộng thang đo nk (k=1,2,3) RSk Rmk , nk với nk Ik I tt + Thang đo I1: Rs1=R1, Rm1=Rm+R2+R3 + Thang đo I2: Rs2=R1+R2, Rm2=Rm+R3 + Thang đo I3: Rs3=R1+R2+R3, Rm3=Rm a.2 Đo dòng điện xoay chiều AC dùng cấu từ điện Cơ cấu đo từ điện làm việc với dòng chiều , đo đo dòng xoay chiều AC phải biến đổi dòng AC thành dòng DC 175 Chương – Các phép đo điện qua CCĐ theo cách khác nhƣ: Dùng phƣơng pháp chỉnh lƣu Điốt, Dùng phƣơng pháp biến đổi nhiệt điện - Dùng phương pháp chỉnh lưu Điốt: Ví dụ thang đo dòng AC dùng mạch chỉnh lƣu ½ chu kỳ nhƣ Hình 5.3-a, dùng mạch chỉnh lƣu cầu nhƣ Hình 5.3-b Xây dựng thang đo trị số hiệu dụng dòng điện xoay chiều hình sin cho thang đo Giả sử dòng điện AC i ac=Imsin t Nếu giới hạn thang đo Imax, dòng điện AC có giá trị hiệu dụng IRMS=Imax dòng điện trung bình qua CCĐ imtb=Itt Hình 5.3 – Thang đo dòng xoay chiều Rm, Itt AM2 AM4Itt idc im Rm, + + is iac is Rs D3 im D4 D D2 D1 iac Rs (b) (a) iac iac Im Im t t idc im Im I‟m t t I‟m (c) im t - Tính vị trí tồn thang: Im imtb I ' m I max I tt => I m' (d) - Tính vị trí tồn thang: Im I tt 176 I max Chương – Các phép đo điện => RS I m' Rm U D I m I m' imtb I m' I tt => I m' => R S I tt I m' Rm I m I m' 5.2.2 Ampe mét không can thiệp Ampe mét can thiệp có nhƣợc điểm cần phải đƣợc lắp đặt nhƣ thành phần mạch điện Chúng không dùng đƣợc cho mạch điện đƣợc chế tạo khó thay đổi Đối với mạch điện này, ngƣời ta đo đạc từ trƣờng sinh dòng điện để suy cƣờng độ dòng điện Phƣơng pháp đo nhƣ khơng gây ảnh hƣởng đến mạch điện, an tồn, nhƣng đơi độ xác khơng cao phƣơng pháp can thiệp a Đo dòng điện hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall hiệu ứng vật lý đƣợc thực áp dụng từ trƣờng vng góc lên làm kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) có dòng điện chạy qua Lúc ngƣời ta nhận đƣợc hiệu điện (hiệu Hall) sinh hai mặt đối diện Hall Tỷ số hiệu Hall dòng điện chạy qua Hall gọi điện trở Hall, đặc trƣng cho vật liệu làm nên Hall Hiệu ứng đƣợc khám phá Edwin Herbert Hall vào năm 1879 Hiệu ứng Hall đƣợc giải thích dựa vào chất dòng điện chạy vật dẫn điện Dòng điện chuyển động điện tích (ví dụ nhƣ electron kim loại) Khi chạy qua từ trƣờng, điện tích chịu lực Lorentz bị đẩy hai phía Hall, tùy theo điện tích chuyển động âm hay dƣơng Sự tập trung điện tích phía tạo nên tích điện trái dầu mặt Hall, gây hiệu điện Hall 177 Chương – Các phép đo điện Cơng thức liên hệ hiệu Hall, dòng điện từ trƣờng là: VH = (I.B)/(d.e.n), VH hiệu Hall, I cƣờng độ dòng điện, B cƣờng độ từ trƣờng, d độ dày Hall, e điện tích hạt mang điện chuyển động Hall, n mật độ hạt Hall Phƣơng pháp đo sử dụng hiệu ứng Hall tạo hiệu điện tỷ lệ thuận (với hệ số tỷ lệ biết trƣớc) với cƣờng độ dòng điện cần đo Hiệu điện Hall V gần nhƣ tỷ lệ thuận với cƣờng độ từ trƣờng sinh dòng điện, tỷ lệ thuận với cƣờng độ dòng điện Chỉ cần vài vòng dây mang dòng điện cần đo quanh lõi sắt từ đầu đo ta có đƣợc từ trƣờng đủ để kích thích hoạt động đầu đo Thậm chí đơi cần kẹp lõi sắt cạnh đƣờng dây đủ Sơ đồ mạch điện đầu đo cƣờng độ dòng điện sử dụng hiệu ứng Hall Sử dụng lõi sắt từ, Hall, khuyếch đại điện, điện trở Điện vM tỷ lệ với cƣờng độ dòng điện vào ip Tuy nhiên tƣợng từ trễ không tuyến tính sắt từ làm giảm độ xác phép đo Trên thực tế ngƣời ta sử dụng mạch điện hồi tiếp để giữ cho từ thông lõi sắt xấp xỉ không, giảm thiểu hiệu ứng từ trễ tăng độ nhạy đầu đo, nhƣ hình vẽ Dòng điện hồi tiếp i S đƣợc chuyển hóa thành hiệu điện vS nhờ khuyếch đại điện Tỷ lệ 178 Chương – Các phép đo điện số vòng lõi sắt từ m (thƣờng khoảng từ 1000 đến 10000) cho phép liên hệ dòng cần đo dòng hồi tiếp: i S = 1/m.iP Các ưu điểm: Hiệu điện tiêu thụ đoạn dây vào đầu đo chừng vài mV Hệ thống an toàn đƣợc cách điện với mạch điện Hệ thống đo dòng điện xoay chiều có tần số từ (tức điện chiều) đến 100kHz Hệ thống đƣợc ứng dụng đồng hồ vạn điện tử, hay chí máy sóng b Đầu dò biến đổi dòng – điện áp dùng Khi đo dòng điện xoay chiều, đo dòng điện lớn, dùng đầu dò biến đổi dòng – điện áp dùng biến theo nguyên lý nhƣ hình vẽ bên: I đo IA W2 W1 n, biến Ido W1- số vòng dây IA W1 A W2 cuộn sơ cấp W2- số vòng dây cuộn thứ cấp I đo n.I A , n đƣợc gọi hệ số biến dòng * Ampe mét khơng can thiệp sử dụng đầu dò dòng hiệu hứng hall đầu dò biến đổi dòng - điện áp dùng biến thƣờng đƣợc chế tạo dƣới dạng Ampe kìm (clamp Ampemeter) 179 Chương – Các phép đo điện Ix (a) (b) (c): Đầu dò dòng dùng biến áp dùng hiệu ứng Hall Hình 5.4 – (d) Đầu dò dòng Ampe mét kìm (clamp Ampemeter) 5.3 ĐO ĐIỆN ÁP Phép đo điện áp có phạm vi đo rộng (từ vài V đến vài kV), dải tần rộng (từ đo dòng chiều đến đo dòng xoay chiều tần số tới hàng GHz) Tùy phạm vi đo dải tần đo lại sử dụng phƣơng pháp đo khác Tuy nhiên thực tế phép đo điện áp thƣờng đƣợc thực dải tần tới hàng trăm MHz, dải tần số siêu cao ngƣời ta thƣờng đo công suất 5.3.1 Các trị số điện áp Trong thực tế tín hiệu điện áp biến thiên có nhiều dạng nhau, trị số điện áp khác Phép đo điện áp phép đo để xác định trị số điện áp Giả sử tín hiệu điện áp tuần hồn theo chu kỳ T, ví dụ dạng điện áp nhƣ Hình 5.5 180 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử thể đƣợc cấu tạo theo nguyên lý sử dụng mạch tƣơng tự hay dùng kỹ thuật số có cài đặt vi xử lý Trong phần chủ yếu xét máy Vobulator dùng kỹ thuật tƣơng tự sử dụng máy phát điều tần thị CRT để biểu dẫn đƣợc đặc tuyến biên độ tần số mạng cực hình 9.5 ĐO LƢỜNG, KIỂM NGHIỆM CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ VÀ VI XỬ LÝ 9.5.1 Khái niệm đặc tính chung mạch số Các thiết bị dùng mạch điện tử số vi xử lý cần kiẻm tra để phán đoán hƣ hỏng nhƣ thiết bị khác Song có lý do: - Với thiết bị tƣơng tự, (mạch điện dùng kỹ thuật tƣơng tự dựa sở hàm thời gian tần số), dùng thiết bị nhƣ ơxilơ, máy phân tích phổ, vơn-mét điện tử để đo lƣờng, kiểm tra - Thiết bị dùng kỹ thuật mạch điện tử số, có vi xử lý hoạt động sở xử lý số liệu, nên dùng thiết bị đo thông thƣờng nhƣ - Vấn đề kiểm tra phức tạp, chí việc sửa chữa khó khăn chế tạo máy Do thiết bị có dùng vi xử lý cần nhiều thủ tục phức tạp, cần ngƣời điều hành hiểu biết sâu sắc thiết bị Nếu thủ tục kiểm tra không đƣợc thiết kế trƣớc, hầu nhƣ khơng kiểm sốt hệ thống Để lập kiểm tra thiết bị có hệ thống vi xử lý cần ý đặc điểm: 296 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử - Hệ thống vi xử lý điều khiển lƣu lƣợng thông tin số liệu, với tổ hợp từ, số nhị phân có độ dài khác cách ngẫu nhiên, thời gian tồn thay đổi - Hệ thống vi xử lý có cấu trúc phức tạp, có nhiều đƣờng vận chuyển số liệu đƣợc điều khiển chƣơng trình Chƣơng trình có đƣợc thực tốt hay khơng nhờ quan hệ thời gian thay đổi tín hiệu đầu vào đầu - Hệ thống vi xử lý có khác với thiết bị đa có kết cấu mạch cứng Ví dụ nhƣ muốn thay đổi chức đó, thay thay đổi phần cứng mạch điện, lại thay đổi chƣơng trình thuật tốn chứa ROM - Tín hiệu thơng tin số khơng lặp lại, tồn khoảng thời gian cực ngắn Sự kiện xảy thiết bị có vi xử lý có tốc độ cao nhanh - Hệ thống vi xử lý có sử dụng bus hai chiều, phức tạp cần thơng dịch xem địa hay số liệu - Thiết bị kiểm tra phải kiểm soát số lớn hoạt động Trong thiết bị dùng vi xử lý, chƣơng trình xử lý lên tới hàng ngàn bƣớc thực Những hỏng hóc liên quan tới vi xử lý khó phát hiện, lại khó muốn lập Vì vậy, thiết bị kỹ thuật kiểm tra truyền thống thông thƣờng dễ sai lầm đo lƣờng chúng Do lý trên, với phát triển vi xử lý, việc tìm phƣơng tiện kỹ thuật mà hữu hiệu cho việc kiểm tra chúng vấn đề cần đƣợc nghiên cứu 297 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử Những hình thức phƣơng pháp kiểm nghiệm đƣợc sử dụng là: - Tự động chuẩn đoán (dự đoán có chƣơng trình) - Kiểm nghiệm thống kê - Phân tích logic - Phân tích theo nhận dạng (theo mã dẫn) Ta xét phƣơng pháp Phương pháp tự động chuẩn đoán Là phƣơng pháp sử dụng chƣơng trình chuẩn đốn bên thiết bị, để gỡ rối, kiểm tra, phát điểm hỏng Chƣơng trình chuẩn đốn tự động khởi động, đƣợc khởi động ngƣời sử dụng Trong vài loại thiết bị, lần lƣợt kiểm tra chức năng, phần tử thiết bị đƣa thị thông báo trạng thái cách vắn tắt tham khảo theo hƣớng dẫn tài liệu sử dụng để phát lỗi Do cần phân tích phƣơng pháp Phương pháp kiểm nghiệm thống kê Là phƣơng pháp dựa cở sở coi hoạt động thiết bị giống nhƣ tổ hợp liên tiếp trạng thái đo Vì ngƣời ta khơng quan tâm tới q trình hoạt động, mà tiến hành kiểm nghiệm hệ thống, trạng thái khác đƣợc mô giả Để làm đƣợc điều này, cần thiết đƣa thiết bị tạo chuyển mạch Với trợ giúp phận này, tạo tất trạng thái Việc lựa chọn tổ hợp định chuyển mạch cho phép đƣa tín hiệu tới kênh địa điều khiển tƣơng ứng (ví dụ 298 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử RAM), kiểm tra khả làm việc thiết bị Cũng cần quan tâm nhiều đến phƣơng pháp 9.5.2 Các phƣơng pháp phân tích 9.5.2.1 Phương pháp phân tích logic Phƣơng pháp phan tích logic sử dụng ba loại thiết bị phân tích logic là: - Bộ phân tích trạng thái logic - Bộ phân tích biểu đồ thời gian (định thời) logic - Bộ phát tín hiệu đồng a Khái niệm Trƣớc đƣa nguyên tắc thiết bị, cần xác định thêm khái niệm trạng thái logic biểu đồ thời gian thiết bị điện tử số Trạng thái logic: Tín hiệu nhị phân dùng mạch điện tử số sử dụng hai mức điện áp rõ rệt: mức đƣợc coi logic “0”, mức logic “1” Trong mạch điện thực tế, mức không đƣợc định nghĩa với trị số điện áp xác, mà khoảng giá trị điện áp Ví dụ nhƣ họ vi mạch TTL LSI, mức logic khoảng điện áp nhỏ 0,4v mức điện áp lớn 2,4v đƣợc coi mức logic Nói cách khác, logic mức thấp logic mức cao, cách quy ƣớc coi logic khẳng định (logic dƣơng) Nếu mức điện áp thấp đƣợc quy ƣớc mức 1, cách quy ƣớc gọi mạch điện đƣợc xây dựng sở logic phủ định (logic âm) Sự tổ hợp chuỗi số số logic đầu mạch số định trạng thái 299 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử Biểu đồ thời gian tín hiệu logic: Trong q trình phân tích hệ thống, gỡ rối chƣơng trình, kiểm tra tìm lỗi hệ có vi xử lý, việc nghiên cứu biểu diễn dãy số liệu theo thời gian nhiều cho biết hệ thống hẳn so với bảng trạng thái logic Những nhƣợc điểm đặc trƣng cho mạch tuyến tính xảy mạch số, ví dụ nhƣ méo sƣờn xung, không ổn định nhấp nháy chuyển mạch Ba dạng biểu diễn kết phân tích Ta biểu diễn thơng tin nhận đƣợc việc thử nghiệm mạch số dƣới ba dạng sau: - Bảng trạng thái - Biểu đồ thời gian - Các thẻ trạng thái Hiển thị bảng trạng thái đƣợc dùng để phân tích trạng thái logic Nó cho phép quan sát trạng thái logic dƣới dạng bảng số: Hệ số 2, Hệ số 8, Hệ số 10, Hệ số 16 Sự hiển thị đƣợc gọi hiển thị phản ánh thông tin vùng số liệu Biểu đồ thời gian logic đƣợc biểu diễn thơng qua hình tƣơng tự nhƣ hình ơxilơ nhiều kênh bình thƣờng quan sát đồng thời biểu đồ thời gian lúc Tấm thẻ trạng thái: Khi biểu diễn dƣới dạng “tấm thẻ trạng thái”, ta không dùng bảng bit mà dùng ma trận vạch sáng Ở vạch tƣơng ứng với byte định Qua quan hệ vạch sáng hình, quan sát q trình xử lý số liệu mạch Tấm thẻ trạng thái cho phép dễ dàng kiểm tra trạng thái chức mạch số làm việc tuần hoàn 300 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử Khi dùng phân tích logic theo chƣơng trình phƣơng pháp hiển thị thẻ trạng thái nhƣ miêu tả để kiểm tra hoạt động chƣơng trình hệ thống vi xử lý, ta có đƣợc dạng đặc biệt riêng Nếu nắm vững cách phân biệt dạng hình ảnh đặc trƣng cho hệ thống vi xử lý riêng, dễ dàng kiểm tra q trình hoạt động chƣơng trình b Thiết bị phân tích trạng thái logic (Logic State Analyzers) Để phân tích, tìm hỏng hóc cách có hiệu Bộ phân tích trạng thái logic (đơi gọi phân tích đồng bộ) phải có u cầu sau: 1- Số liệu cần phải đƣợc đọc hiển thị dạng nhị phân, để dễ đọc mà không cần thơng dịch 2- Có đủ đầu vào để thời điểm lúc hiển thị, kiểm tra toàn từ số liệu 3- Một từ kích khởi phải đƣợc yêu cầu từ số liệu riêng, chuỗi vào 4- Phải có trễ cần thiết để đủ thời gian chuyển số hiển thị đến từ cần tham khảo 5- Phải có khả lƣu trữ để lƣu trữ kiện sảy 6- Việc nối máy phân tích vào hệ thống phải đảm bảo khơng ảnh hƣởng đến nhữg tham số hệ thống làm thay đổi hoạt động chƣơng trình 7- Đầu đo cần đƣợc nối với máy phân tích cách chắn suốt trình kiểm tra, đo thử 8- Màn hiển thị phải dễ đọc dễ hiểu Nhƣ vậy, có nghĩa là: Số liệu phân tích đƣợc đƣa vào thể dƣới dạng mã nhị phân, tức dƣới dạng tổ hợp bít; cần có đủ số lƣợng đầu vào song song phép kiểm 301 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử tra đồng thời từ nguyên vẹn; vấn đề điều khiển số liệu đầu vào phân định chu kỳ thiết bị thử nghiệm cần đƣợc tiến hành xung đồng nhất; khoảng thời gian cần thiết để xử lý số liệu thiết bị để xử lý số liệu thiết bị phân tích cần phải ngắn; việc kết nối thiết bị phân tích với mạch cần khảo sát phải không làm ảnh hƣởng tới thơng số mạch nhƣ khơng đòi hỏi phải thay đổi chế độ hay chƣơng trình làm việc mạch; đầu vào thiết bị phải có cấu trúc cho dễ dàng kết nối với mạch cần khảo sát; thiết bị phải có hình hiển thị dễ quan sát nhận dạng để xử lý thông tin Theo yêu cầu thứ hai có nhà sản xuất thiết bị phân tích trạng thái 8, 16, 32 hay 64 kênh c Thiết bị phân tích biểu đồ thời gian Logic (Logic timing Analyzers) Thiết bị phân tích trạng thái logic cho phép xác định tƣợng (và vị trí) xuất hƣ hỏng mạch số đƣợc thử nghiệm Tuy nhiên sau cần đòi hỏi tìm hiểu thêm tính chất nguyên nhân hƣ hỏng Lỗi sai sót thƣờng xuất xung nhiễu thời gian ngắn; đầu vào tín hiệu khơng đồng thời, đồng bộ, câu lệnh sai Trong tình đó, việc sử dụng thiết bị phân tích biểu đồ thời gian logic (cũng gọi thiết bị phân tích lệnh đồng bộ) hiệu Nó đặc biệt tiện lợi để kiểm tra thiết bị giao diện chuẩn thông tin kênh truyền điều khiển, số liệu đƣợc truyền quan thiết bị vào/ra Khi phân tích theo thời gian, phải khảo sát tín hiệu q trình có khoảng thời gian nhỏ so với thời gian từ, tần số làm việc, tốc độ lấy mẫu thiết bị phân tích biểu đồ 302 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử thời gian logic lớn nhiều so với thiết bị trạng thá logic làm việc với dạng số liệu Trong đa số trƣờng hợp thiết bị phân tích biểu đồ thƣòi gian logic có khả làm việc hai chế độ; đồng dị (khơng đồng bộ) Cách thứ hai có tốc độ làm việc cao Tốc độ cực đại phụ thuộc vào yêu cầu thiết bị phải làm việc Ngƣời ta sản xuất thiết bị có tốc độ nhanh với tần số 20, 50, 100 200 MHz Thiết bị có tốc độ nhanh vô cần thiết để khảo sát hệ thống vi xử lý Ví dụ với vi xử lý Intel 8080A, thời gian nhịp 500ns (tần số nhịp MHz), nhƣng thông tin trạng thái đƣợc truyền theo đƣờng số liệu bit, cho phép xử lý khoảng thời gian ngắn, chu kỳ đồng hệ thống, nghĩa cỡ 50ns Trong khoảng thời gian có từ trạng thái (8 bit)qua trạng thái logic thay đổi hai đƣờng đồng Để phân tích biểu đồ thời gian tƣơng ứng với tín hiệu nêu trên, khoảng thời gian 50ns phải đƣợc chia thành phần, để phần 10ns Rõ ràng điều thực tốc độ lấy mẫu (thời điểm tác động) thiết bị phân tích khơng nhỏ 100MHz Có thể bổ sung thêm ví dụ nêu kể với hệ vi xử lý có tốc độ tháp (1-2MHz), thời gian lƣu giữ số liệu vào khơng thể vƣợt q 10ns Vì vậy, để phân tích quan hệ thời gian tín hiệu vi xử lý vi mạch ngoại vi thiết phải có thiết bị phân tích có tốc độ nhanh Ƣu điểm quan trọng phân tích thời gian logic mà khơng thể có phân tích trạng thái logic khả năg phát tín hiệu giả, thƣờng xung gây nhiễu có độ rộng xung nhỏ dòng số liệu Nó phá vỡ hoạt động chức thông thƣờng hệ thống số mà chế độ hoạt động đồng khó phát đƣợc Trong số thiết bị phân tích trạng thái logic, thấy mạch flip-flop đặc biệt, cho phép ghi lại xung giả (thậm chí 303 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử phát xung có độ rộng ns) Những mạch nhƣ vậy, xung hẹp đƣợc mở rộng tới mức gần khoảng thƣòi gian lấy mẫu, điều cho phép phát xung giả cách đảm bảo Để dễ dàng quan sát số liệu, phân tích biểu đồ thời gian, hiển thị có sử dụng trỏ Con trỏ vạch thẳng đứng, di chuyển trỏ dọc theo hình dừng lại điểm mong muốn khảo sát Với trợ giúp trỏ ta dễ dàng xác định dịch chuyển tƣơng đối theo thời gian điểm biểu đồ thƣòi gian với điểm khác Ở vài thiết bị phân tích khác, lại có hai trỏ nhƣ vậy, cho phép đo trực tiếp đƣợc khoảng thời gian hai điểm hai trỏ mà không cần phải tính tốn thêm Bộ phân tích thời gian logic đƣợc thiết kế với ôxilô hay đƣợc thiế kế phối ghép với ơxilơ riêng, để hiển thị biểu đồ thời gian Có loại đƣợc thiết kế hiển thị bảng biểu đồ thời gian, tùy theo yêu cầu sử dụng 9.5.2.2 Phương pháp phân tích nhận dạng mã địa (Signature Analysis) Nhƣ phân tích, việc thử nghiệm hệ thống vi xử lý thiết bị số có dùng vi xử lý cơng việc khó khăn Thiết bị phân tích trạng thái logic khảo sát phần giải đƣợc phần vấn đề Nó giúp dõi theo bƣớc việc vi xử lý thơng qua chƣơng trình thực Tuy nhiên trình tìm kiếm phát nguyên nhân hƣ hỏng đòi hỏi nhiều cơng sức khả phân tích tốt đƣợc kết quả, hình ảnh thu đƣợc Ta khơng loại trừ hồn toàn khả sử dụng máy đo truyền thống lĩnh vực thời gian hay lĩnh vực tần số, nhƣ ơxilơ, máy phân tích phổ, vơn-mét điện tử,… Song để xác định đƣợc nguyên nhân hƣ hỏng gây nên vi 304 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử xử lý phần mạch nối ghép với thơng qua giao diện q nhiều thời gian, cơng sức cần có chun gia trình độ cao Một cách hiệu để tìm kiếm hƣ hỏng đa số thiết bị số đặc biệt thiết bị có dùng vi xử lý sử dụng thiết bị phân tích mã dẫn (Signature Analysis) Nguyên tắc việc chế tạo thiết bị đƣợc hình thành thời gian gần Tên gọi phân tích “mã dẫn” đƣợc bắt nguồn từ “chữ ký” (signature), có nhiều nghĩa cho nhiều lĩnh vực khác nhƣ âm nhạc, in ấn,… song với nghĩa đơn giản chữ ký ngƣời mang tên chữ ký Trong vấn đề tìm kiếm hƣ hỏng thiết bị số, “mã dẫn” số đƣợc cấu thành từ ký hiệu chữ số hệ mã số 16, đƣợc đặc trƣng cho điểm nút thiết bị đƣợc khảo sát a Mô tả chất phân tích Phân tích mã dẫn việc so sánh trùng hợp mã dẫn thực điểm nút cụ thể đƣợc phản ánh hình phân tích với mã dẫn điểm nút với bảng hƣớng dẫn sử dụng thiết bị khảo sát Sự không trùng hợp mã dẫn chứng tỏ hƣ hỏng, hoạt động chức khơng bình thƣờng thiết bị Ví dụ, hình xuất mã dẫn F865, mạch điểm nút cho cần phải có mã dẫn A953, nhƣ rõ ràng có hƣ hỏng Để tìm hiểu nguyên nhân, ta tiến hành kháo sát tiếp điểm nút khác Bằng cách kết luận phận hƣ hỏng phận mà đầu nó, mã dẫn thực mã dẫn mẫu khác nhau, đầu vào nó, mã dẫn thực mã dẫn mẫu trùng hợp 305 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử Thoạt nhìn bên ngồi, quy trình phân tích mã dẫn giống với quy trình phát hƣ hỏng thiết bị tƣơng tự Trên sơ đồ nguyên lý thiết bị tƣơng tự điểm đặc trƣng, ngƣời ta hình dạng tín hiệu giá trị điện áp điểm Có thể dùng ơxilơ để quan sát hình dạng tín hiệu dùng vônmét điện tử để đo giá trị điện áp, qua xác định thiết bị khảo sát có làm việc bình thƣờng hay khơng Đối với thiết bị có chƣơng trình, tiếc khơng thể sử dụng hệ thống kiểm tra dựa sở so sánh tình trạng ơxilơ đƣợc khơng thể phân biệt đƣợc dãy giá trị nhị phân hình Hơn thiết bị dùng vi xử lý, tƣơng ứng đồng đặc tính thiết bị với điểm nút cụ thể Do đó, phân tích mã dẫn cơng cụ thiết bị hiệu cho mục đích b Nguyên lý tạo lập mã dẫn Để tiến hành phân tích mã dẫn hệ thống số dùng vi xử lý, thiết phải có tín hiệu thử nghiệm, dãy giá trị nhị phân, nghĩa dãy xung vng có độ rộng xung nhỏ, biên độ nhận hai giá trị khác theo mức điện áp, đƣợc gọi bít bít Dãy giá trị gọi số liệu, đƣợc tạo nhờ chƣơng trình vi xử lý đặc biệt nằm bên thiết bị thử nghiệm Từ dãy giá trị hình thành tín hiệu thử nghiệm, dãy thử nghiệm Nguyên lý nhận mã dẫn từ dãy thử nghiệm với trợ giúp thiết bị phân tích đƣợc miêu tả hình 9-5 Mã dẫn đƣợc hình thành mạch có chứa ghi dịch 16 bit (16 flip – flop), cộng modulo-2 mắc nối tiếp vào đƣờng phản hồi nối từ đầu flip-flop thứ 7,9,12 16 306 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử tới đầu vào thứ hai cộng thứ 1, 2, 3, cách Thanh ghi dịch chuyển có hai đầu vào: đầu vào sở, ký hiệu S (Data), đƣợc đƣa vào dãy bit nhị phân Và đàu vào thứ 2, ký hiệu C (Clock), đƣợc đƣa vào xung nhịp (xung đồng bộ) Nhƣ vậy, đầu vào D nhận bit thử số 2, đầu vào nhận C nhận xung nhịp mà chuyển dịch bit theo ghi Đầu vào mạch cửa vào cộng modulo-2 thứ Dãy tín hiệu thử nghiệm đƣợc đƣa tới Dãy có độ dài bất kỳ, nhứng kết thúc trình số 16 bit, đƣợc lƣu lại ghi Số đƣợc biểu diễn dƣới dạng mã số 16, mã dẫn thu đƣợc từ dãy thử nghiệm cho trƣớc Chính số mã hiệu mã dẫn nhỏ nhiều so với số bit dãy thử nghiệm nên nói thiết bị phân tích mã dẫn thực “nén” thơng tin Cũng cần phải lƣu ý mã 16 bit đƣợc dùng phân tích mã dẫn có số đổi khác so với mã 16 thông thƣờng (0 A B C D E F) đƣợc viết dƣới dạng A C F H P U Việc lựa chọn ký hiệu nhƣ có liên quan đến việc sử dụng thị, thể số chữ thông qua segment Sự thay đổi cho phép đọc mã dẫn dễ dàng không bị nhầm lẫn Nếu sử dụng mã 16 thông thƣờng, khó phân biệt chữ B với số 8, chữ D với số (xem mã dẫn nhƣ hình 9-6) Mã dẫn đƣợc hình thành nhƣ sau: đầu vào mạch vẽ hình 9-5, ta đƣa sãy thử nghiệm nhị phân với độ dài xác định, ví dụ 20 bit (hình 9-7) Những bit đƣợc đƣa tới đầu vào D ghi sau qua dãy cộng modulo-2 Ở cộng đầu tiên, bit dãy thử nghiệm đƣợc cộng theo modulo-2 với bit thứ 307 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử ghi, bit đầu cộng thứ đƣợc cộng theo modulo-2 với bit thứ ghi cộng thứ 2… Ở có quy luật nhƣ sau: tất cửa vào thứ 2của cộng bit số chẵn cộng bit 1, bit đƣợc đƣa vào đầu vào mạch đƣợc truyền tới đầu vào D ghi giữ nguyên giá trị; bit xuất cửa vào thứ hai số lẻ cộng đầu vào D ghi nhận đƣợc bit có giá trị đối so với đầu vào mạch (theo phép cộng modulo-2 kết có bit khác mức logic cộng với, bit cộng với mức kết 0) Trƣớc bắt đầu làm việc, tất flip-flop ghi nằm trạng thái Xung nhịp đƣợc đƣa tới cửa vào C ghi cho FF1 giá trị bit dãy thử nghiệm, đƣa vào kênh D Xung nhịp thứ hai đẩy bit sang bên trái bƣớc, nghĩa từ FF1 sang FF2 đƣa tới FF1 giá trị bit thứ hai dãy Mỗi xung nhịp lại đẩy giá trị ghi sang bên trái bƣớc đƣa vào FF1 giá trị dãy thử nghiệm Tồn q trình đƣợc kết thúc bit thứ 20 dãy thử nghiệm (trong ví dụ xét, chiều dài dãy thử nghiệm 20), đƣợc đƣa vào FF1 (sau qua dãy cộng modulo-2) Mã đƣợc tạo thành ghi đƣợc biểu diễn theo hệ số 16 nhận đƣợc mã dẫn dãy thử nghiệm cho Bây ta xét mối tƣơng quan mẫu dạng nhị phân đầu đầu vào chuỗi cộng modulo-2 Giả sử chuỗi cập nhật có n bit đầu vào: a1, a2,…,an, hay Do có quy ƣớc thời điểm làm việc ban đầu, đầu flip-flop ghi trạng thái logic, nên giá trị đƣờng 308 Chương – Đo tham số mạch linh kiện điện tử hồi tiếp từ đầu flip-flop 7, 9, 12 16 đƣợc trì giá trị logic thƣòi gian tính xung nhịp Nhƣ tính từ thời điểm bắt đầu xuất xung nhịp (clock) thứ tới thời điểm kết thúc xung nhịp thứ 7, bit vào thứ 2của cộng modulo-1 mức Căn vào bảng trạng thái cộng modulo-2, ta khẳng định chắn khoảng thời gian giá trị bit thuộc chuỗi mẫu kiểm tra qua chuỗi cộng modulo-2 hồn tồn khơng bị thay đổi Nhƣ bit dấu hai chuỗi đầu vào đầu trùng nhau; ai=bi, với i=1, 2, 3,…,9 Từ bit thứ trở đi, bit thứ i có giá trị hay 1, đƣợc xác định cân bằng: i nằm dải từ đến n; số bù ai; cộng modulo –2 Nếu trọng số bit bik nhỏ hay (i