اسیلوسکوپ چیست؟ همه چیز درباره اسیلوسکوپ

اسیلوسکوپ چیست؟ نوسان نما یا اسیلوسکوپ دستگاهی برای نمایش تصویری شکل موج ها و سیگنال های متغیر در زمان می باشد. در اسیلوسکوپ، دامنهٔ سیگنال در نموداری دوبُعدی نمایش داده ‌می‌شود که محور افقی، زمان و محور عمودی، مقدار ولتاژ است. علاوه بر دامنه، اندازه‌گیری دیگر پارامترهای سیگنال مانند عرض پالس، دوره تناوب و فاصله زمانی دو رویداد در سیگنال (مانند وقوع دو پیک) نیز بر روی نمایش‌گر اسیلوسکوپ ممکن است.در گذشته‌های دور، عموماً دستگاه‌های اندازه‌گیری بر اساس اِعمال نیروی مکانیکی یا حرارتی که موجب انحراف عقربه دستگاه می‌شدند کار می‌کردند. اما با توجه به اینرسی و اصطکاک، معمولاً این ابزارها نمی‌توانستند تغییرات سریع ولتاژ را نمایش دهند. با اختراع لامپ اشعه کاتدی و با توجه به وزن بسیار ناچیز پرتو کاتدی (اشعه الکترونی) درون این لامپ‌ها، امکان نشان دادن یک متغیر ولتاژی بر حسب زمان فراهم شد و اسیلوسکوپ اولین وسیله‌ای بود که از این امکان بهره‌مند شد. در این مقاله با تکنیکس الکترونیک ارائه دهنده به روز ترین قطعات الکترونیک و تجهیزات سنجش و اندازه گیری در ایران همراه باشید.تمامی اسیلوسکوپ های ارائه شده در مجموعه تکنیکس الکترونیک دارای ضمانت یکساله تعمیرات هستند. برای مشاهده قیمت اسیلوسکوپ و انواع اسیلوسکوپ به فروشگاه مراجعه کنید.

 

کاربرد اسیلوسکوپ :

این دستگاه ها سیگنال های ورودی را در برابر زمان و یا در برابر سیگنال دیگر نمایش می دهند. در واقع این دستگاه ها رسام های بسیار سریعی هستند. قلم این رسام یک لکه نورانی است که در اثر برخورد یک باریکه الکترون به پرده ای فلوئورسان به وجود می آید. این دستگاه بر اساس ولتاژ کار می کند. اسیلوسکوپ ها کاربرد گسترده و وسیعی در الکترونیک دارند و ابزارهایی کامل در رفع عیب و اندازه گیری مدارهای الکترونیکی مانند مدار های الکترونیکی فرکانس بالا هستند.

از اصلی ترین پارامتر های یک اسیلوسکوپ فرکانس کاری اسکوپ و سرعت نمونه برداری آن است که در زمان خرید حتماً باید این پارامتر در نظر گرفته شود. اسیلوسکوپ ها از چند مگاهرتز تا چند گیگاهرتز وجود دارند. هرچه فرکانس بالاتر می رود کاربردها محدودتر و حرفه ای تر می شود. قیمت اسیلوسکوپ تحت تاثیر این پارامتر است و سبب گستردگی محدوده قیمت اسیلوسکوپ ها شده است.

این دستگاه ها در مراکز علمی، پزشکی، مهندسی و صنایع ارتباطی و نظامی کاربرد زیادی دارند. معمولا اسیلوسکوپ های معمولی و با کاربرد عمومی برای تعمیر و رفع عیب دستگاه های الکترونیکی و اغلب در آزمایشگاه ها مورد استفاده قرار می گیرند در صورتیکه نوع مخصوص این ابزار ممکن است برای بررسی سیستم احتراق خودرو یا نمایش ضربان قلب( الکتروکاردیوگرافی ) به کار گرفته شوند.

 

انواع اسیلوسکوپ :

اسیلوسکوپ آنالوگ :

روش عملکرد اسیلوسکوپ  آنالوگ استفاده از لامپ پرتو کاتدی می باشد. اسیلوسکوپ های آنالوگ معمولا سنگین وزن و دارای صفحه نمایش کوچک تک رنگ میباشند. پارامترهای شکل موج را باید بصورت دیداری بدست آورد. بطور مثال برای بدست آوردن Vpp، باید تعداد خانه های شکل موج از پیک پایین تا بالا را شمرد و در مقیاس زمان ضرب نمود.

 

اسیلوسکوپ دیجیتال :

نسل جدید اسیلوسکوپ ها میباشد و با استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال A/D سیگنال را تحلیل و نمایش میدهد. ویژگی بارز این اسکوپ ها، وزن کم، صفحه نمایشگر های LCD رنگی، محاسبه اتومات مشخصه های سیگنال می باشد. بطور مثال برای محاسبه Vpp با استفاده از آپشن measure میتوان مقادیر را بدون هیچ گونه محاسباتی مشاهده نمود. از دیگر ویژگی های اسیلوسکوپ  دیجیتال، حافظه دار بودن، امکان اتصال به کامپیوتر، کالیبره خودکار، صفحه نمایشگر بزرگ، قابل حمل و قیمت مناسب است.

اسیلوسکوپ ها می تواند چند کاناله ارائه گردند که معروفترین آنها 2 کاناله و 4 کاناله می باشد.

 

 

تفاوت انواع اسیلوسکوپ آنالوگ و دیجیتال :

این دستگاه عموماً برای نمایش دقیق موج استفاده می‌شود. علاوه بر دامنه، معمولاً قادر به اندازه‌ گیری و نمایش دیگر پارامترها مانند عرض پالس، دوره تناوب و زمان بین دو حادثه (مانند وقوع دو پیک) هستند. از مشخصه های اصلی انواع اسیلوسکوپ آنالوگ صفحه نمایش شطرنجی CRT، سرعت بالای نمایش و واقعی بودن سیگنال است. در صورتیکه در اسیلوسکوپ دیجیتال مهم مترین شاخص ها عبارتند از: حافظه، صفحه نمایش LCD، توابع اندازه گیری اتوماتیک، مدهای تریگر پیشرفته، ارتباط با کامپیوتر و پرینتر. یقیناً امکانات و قابلیت های اسکوپ های دیجیتال بسیار بیشتر از آنالوگ ها هستند اما همچنان اسکوپ های آنالوگ جایگاه خود را در بازار مصرف حفظ کرده است.

اسیلوسکوپ های دیجیتال کار را برای کاربر راحت تر کرده است. این نوع دارای کلیدی تحت عنوان Auto Set هستند که با فشردن این کلید تمامی تنظیمات پنل دستگاه روی بهترین حالت برای نشان دادن سیگنال متصل با پروب دستگاه به صورت اتوماتیک تنظیم می شود. هم چنین توابع Automatic Measurment که در تمامی اسکوپ های دیجیتال قرار داده شده اند عملیات اندازه گیری مولفه های عمودی و افقی سیگنال نظیر VppفVrms ،Vave ،Period ،Frequency ،Duty Cycle و … را به طور خودکار  اندازه گیری می کنند و نشان می دهند. این نوع حافظه دار هستند و توانایی ذخیره اطلاعات سیگنال را روی حافظه داخلی خود دارند و در صورت نیاز بازیابی را نیز انجام می دهند. به علاوه اکثر اسکوپ های دیجیتال می توانند با حافظه های جانبی نظیر فلش مموری یا SD کارت ارتباط مستقیم برقرار کنند و اطلاعات را روی وسایل جانبی نیز ذخیره کنند. اسیلوسکوپ های دیجیتال تحت نرم افزاری تحت عنوان ریموت کنترل مستقیماً به کامپیوتر متصل شده و اطلاعات را در اختیار کامپیوتر جهت تجزیه و تحلیل بیشتر قرار می دهند. این قابلیت امکان ارتباط دستگاه با نرم افزارهایی نظیر MATLAB و LABVIEW را به کاربر می دهد. ویژگی هایی مانند Cursor، ضبط سیگنال یا Waveform Recorder، کالیبراسیون خودکار، ارتباط مستقیم با پرینتر و … سبب شده است تا اسیلوسکوپ های دیجیتال به سرعت به آزمایشگاه های مختلف مهندسی برق وارد شوند.

 

برای کسب اطلاعات بیشتر مقاله تفاوت اسیلوسکوپ دیحیتال و آنالوگ را بخوانید.

 

مزایای اسیلوسکوپ دیجیتال نسبت به اسیلوسکوپ آنالوگ :

1. صفحه نمایشگر رنگی، LCD (طول عمر LCD بالاتر از لامپ است)

2. صفحه نمایشگر های بزرگ تر ( 6 اینچ به بالا)

3. حافظه دار بودن، قابلیت رکورد سیگنال

4. قابلیت اتصال به کامپیوتر یا اتصال Flash USB

5. حجم کم، سبک و قابل حمل بودن

6. دقت بالاتر

7. سرعت نمونه برداری بالا

8. پشتیبانی از SCPI

. قابلیت اندازه گیری ولتاژ پیک تو پیک، فرکانس، ولتاژ RMS و…

10. قابلیت Auto Set شدن سیگنال (پیداکردن خودکار بهترین مقیاس ولتاژ و زمان)

 

 

اجزای اسیلوسکوپ :

اجزای اسیلوسکوپ شامل یک لامپ پرتو کاتدی که قلب دستگاه است و تعدای مدار برای کار کردن لامپ پرتو کاتدی می باشد. نوسان نماها ممکن است یک کانال و یا چند کانال داشته باشند. دستگاه های دارای یک کانال فقط می توانند یک سیگنال را روی صفحه خود نمایش دهند اما آن هایی که دارای چند کانال هستند، همزمان می توانند چند سیگنال را روی صفحه، نمایش دهند. برای انتقال سیگنال های الکتریکی به نوسان نما از پراب این دستگاه استفاده می شود.

این ابزارها از نمایشگر های CRT  Cathode Ray Tube جهت نمایش سیگنال ها و آمپلی فایر های خطی برای پردازش سیگنال ها استفاده می کردند که CRO به این دست اسیلوسکوپ ها اشاره می نماید. CRO بعد از فراگیر شدن الکترونیک دیجیتال، جای خود را به ابزارهای

ی از نوع حافظه دیجیتال دادند که دارای صفحه نمایش های LCD یا LED باریک و مبدل های آنالوگ به دیجیتال سریع و پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) می باشند.

اسيلوسکوپ ها دارای يک صفحه نمايش هستند که اين صفحه نمايش در راستای افقی به ١٠ قسمت و در راستای عمودی به ٨ قسمت تقسيم می شود که برای دقت بيشتر در اندازه گيری، در راستاهای افقی و عمودی، خطوط وسط دارای تقسيمات ريزتری نيز می باشند به طوری که هر خانه به ۵ قسمت تقسيم شده و هر قسمت معادل ٠.٢ خانه است.

 

ابزارهای کنترل‌ اسیلوسکوپ :

سرتاسر نمایشگر اسیلوسکوپ یک صفحه مشبک دیده می‌شود. این شبکه‌ برای زمانی‌ که بخواهید با اسیلوسکوپ اندازه‌گیری انجام دهید، کاربرد زیادی دارد. تمام اسیلوسکوپ‌ها دارای تعدادی دکمه و دستگیره کنترل اصلی به صورت مشترک هستند که روی اسیلوسکوپ قرار دارند. این ابزارها به صورت زیر هستند:

1. vertical position/offset: توسط این ابزار می‌توان شکل موج را به سمت بالا و پایین در راستای محور y جابه‌جا کرد. در تصویر، عدد ۱ دستگیره تنظیم موقعیت عمودی برای کانال اول و عدد ۲ دستگیره تنظیم موقعیت عمودی برای ورودی کانال دوم را نشان می‌دهند.

2. volts/div: این دستگیره به ما اجازه می‌دهد که مقیاس ولت نشان داده شده توسط هر قسمت عمودی صفحه مشبک روی نمایشگر را تغییر دهیم. در تصویر، شماره‌های ۳ و ۴ به ترتیب متعلق به تنظیم volts/div کانال اول و دوم هستند.

3. horizontal position/offset: توسط این ابزار می‌توان شکل موج را به سمت راست و چپ حرکت داد. عدد ۵ در تصویر نشان‌دهنده موقعیت این دستگیره در اسیلوسکوپ است.

4. trigger level: این ابزار که در تصویر با عدد ۶ مشخص شده است، به ما اجازه می‌دهد که شکل موج را روی صفحه نمایشگر ثابت و پایدار کنیم. در قسمت‌های بعد این ابزار را بیشتر شرح خواهیم داد.

5. time/div: این دستگیره به ما اجازه می‌دهد که مقیاس زمان نشان داده شده توسط هر قسمت افقی صفحه مشبک روی نمایشگر را تغییر دهیم. در شکل زیر این دستگیره با شماره ۷ مشخص شده است.

6. ورودی: هر اسیلوسکوپ حداقل یک ورودی دارد. پراب (Probe) اسیلوسکوپ ( یا کابل کواکسیال) به سیگنال ورودی متصل می‌شود. در تصویر زیر ورودی کانال اول با شماره 8 و ورودی کانال دوم با شماره ۹ مشخص شده است.

 

تنظیمات اسیلوسکوپ :

ابتدا اسیلوسکوپ را روشن کنید. اگر هیچ چیزی به اسیلوسکوپ متصل نباشد، باید یک خط راست روی صفحه نشان داده شود که به این معنی است که ولتاژ ورودی تغییر نمی‌کند. اگر خطی راست مشاهده نمی‌کنید، ابتدا پراب‌ها را از اسیلوسکوپ خارج کنید. اگر هیچ چیزی روی صفحه نمایش داده نشد، مراحل زیر را انجام دهید.

اسیلوسکوپ استفاده شده در این مطلب، یک اسیلوسکوپ دو کاناله است، یعنی دو ورودی دارد. فشار دادن دکمه «channel 1» باعث می‌شود که ورودی متصل به کانال اول روی صفحه به رنگ زرد نشان داده شود و اگر بار دیگر فشار داده شود، ناپدید می‌شود. فشار دادن دکمه «channel 2» ورودی متصل به کانال دوم را به رنگ آبی نشان خواهد داد. اسیلوسکوپ ممکن است فقط یک ورودی داشته باشد، در این صورت دکمه‌های انتخاب کانال وجود نخواهند داشت. البته ممکن است بیشتر از دو ورودی هم وجود داشته باشد. اسیلوسکوپ‌های آنالوگ کانال‌های مختلف را به رنگ‌های مختلف نشان نخواهند داد و همه را با رنگ سبز نشان می‌دهند.

وقتی برای اولین بار با اسیلوسکوپ جدیدی روبرو می شوید که ولوم های آن دستکاری شده اند، ممکن است چند دقیقه طول بکشد تا چیزی روی صفحه نمایش داده شود. بنابراین یک روش کوتاه برای این کار وجود دارد:

اطمینان حاصل کنید که اسیلوسکوپ روشن است، هر led، لامپ پیلوت یا چراغ صفحه باید روشن شود. – ولوم ها را به موقعیت مرکزی بچرخانید

– ولوم شدت را تا حدود 80٪ تنظیم کنید.

– حالت  “auto” را انتخاب کنید.

– “داخلی” را در منبع رفت و برگشت انتخاب کنید.

– راه انداز را روی کانال 1 داخلی تنظیم کنید.

– حالت عمودی کانال 1 را انتخاب می کند و اتصال AC را انتخاب می کند.

– عمودی روی 0.1V / div تنظیم شده است.

– افقی روی 1mS / div تنظیم شده است.

ولوم های موقعیت عمودی و افقی را بچرخانید تا سیگنالی پیدا کنید. اسیلوسکوپ اکنون باید یک خط افقی نشان دهد. اگر سیگنال دارید، فوکوس و شدت آن را تنظیم کنید.

سر یک پروب را به آن اتصال دهید. باید شکل موج اصلی 50Hz هرتز را مشاهده کنید، کنترل های عمودی و افقی را تنظیم کنید تا سیگنال مشاهده شده متناسب با صفحه باشد.

ممکن است شما بر روی یک ناحیه سیاه از فضا زوم (Zoom) کرده باشید. در این صورت باید دستگیره «volts/div» را در خلاف جهت عقربه‌های ساعت بچرخانید تا از حالت زوم خارج شود. همچنین دستگیره کنترل موقعیت عمودی (Vertical Position) را بچرخانید تا یک خط راست در مرکز صفحه دیده شود.

اطمینان حاصل کنید که اسیلوسکوپ در مد «x-y» نباشد.

از دستگیره‌های volts/div و vertical position برای قرار دادن خط افقی خود در مرکز صفحه نمایش استفاده کنید و مقدار volts/div را برای شروع برابر با 1ms قرار دهید.

مد X-Y در اسیلوسکوپ :

منحنی روی اسیلوسکوپ نشان‌ دهنده رابطه بین ولتاژ و زمان است. اما گاهی ممکن است لازم باشد که یک ولتاژ بر حسب ولتاژ دیگری ترسیم شود. این کاربرد مخصوصا برای ترسیم منحنی جریان ولتاژ در دیود یا سایر المان‌ها مفید است. شکل زیر یک نمودار x-y از دو کانال بر حسب یکدیگر را نشان می‌دهد. سیگنال زرد رنگ مربوط به ورودی کانال 1 و سیگنال آبی رنگ مربوط به ورودی کانال دوم است.

 

آموزش کار با اسیلوسکوپ :

قبل از شروع کار به یاد داشته باشید که کلیه دستگاه های اندازه گیری از جمله اسیلوسکوپ بسیار حساس هستند؛ لذا هنگام کار کردن با اسیلوسکوپ به نکات زیر دقیقا توجه کنید.

1. هنگام تغییر رنج کلید سلکتورها، به آرامی و با دقت، رنج ها را عوض کنید زیرا کنتاکت ثابت اکثر سلکتورها از نوع مدار چاپی است و احتمال خراب شدن آنها زیاد است.
2. شدت نور را، مخصوصا هنگامی که اسیلوسکوپ روی X-Y قرار دارد بیش از اندازه زیاد نکنید، در این حالت موج جاروب صفحات انحراف افقی قطع می شود و روی صفحه حساس فقط یک نقطه نقش می بندد. در این حالت اشعه به طور مداوم به صفحه می تابد و مواد فسفر سانس آن نقطه را خراب می کند. این خرابی منجر به ایجاد یک لکه سیاه روی صفحه می شود.
3. کلید های فشاری روی پانل اسیلوسکوپ را هنگام تغییرحالت به آرامی فشار دهید.
4. اسیلوسکوپ را درمکانی قرار دهید که امکان افتادن آن به طور مطلق وجود نداشته باشد.
5. اسیلوسکوپ را درمکانی قرار دهید که اطراف آن حرارت زیاد(مانند بخاری و …) وجود دارد یا نورخورشید مستقیما به آن می تابد قرار ندهید.
6. سیم پروب راهیچگاه نکشید.
7. چنانچه ولتاژ مورد اندازه گیری در ابتدا مشخص نیست از حالت 10* (ضربدر 10) پروب استفاده کنید رنج کلیدسلکتورVolt/Div را در بیشترین مقدار خود قرار دهید.

رنج کلید سلکتور Time/Div تعداد خانه های در بر گرفته شده ی یک سیکل کامل= زمان تناوب T

با داشتن زمان تناوبیک سیگنال می توان با استفاده از رابطه فوق فرکانس را محاسبه کرد.

بنابراین توسط اسیلوسکوپ های معمولی نمی توان فرکانس را به طور مستقیم اندازه گیری کرد؛ بلکه ابتدا باید زمان تناوب آن را از روم صفحه حساس محاسبه کرد و سپس به کمک رابطه بالامقدار فرکانس را به دست آورد.

برای  آموزش استفاده از اسیلوسکوپ به سایر مقالات ما مراجعه کنید.