اسیلوسکوپ چیست؟

اسیلوسکوپ (Oscilloscope)

دستگاهی الکترونیکی است که امکان مشاهده شکل موج سیگنال‌های ولتاژی را فراهم می‌کند. دامنه سیگنال در نموداری دوبُعدی نمایش داده می‌شود که محور افقی، زمان و محور عمودی، مقدار ولتاژ است.

از اسیلوسکوپ برای نمایش دقیق شکل موج استفاده می‌شود. 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 اسیلوسکوپ‌ها ممکن است.

در گذشته، 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.

مانند دیگر دستگاه‌های اندازه‌گیری، اسیلوسکوپ هم دو نوع آنالوگ و دیجیتال دارد. صرف نظر از برخی اصول عملکرد و کاربرد مشترک، این دو نوع اسیلوسکوپ تفاوت‌های عمده‌ای در ساختار و عملکرد دارند. امروزه اسیلوسکوپ‌های آنالوگ کم‌کم جای خود را به اسیلوسکوپ‌های دیجیتال می‌دهند که قابلیت‌های بیشتر و متنوع‌تری دارند؛ اسیلوسکوپ‌های آنالوگ، بزرگ، سنگین و به‌سختی قابل حمل هستند که ناشی از لامپ اشعه کاتدی به کار رفته در آنهاست.

در مقابل، اسیلوسکوپ‌های دیجیتال به مراتب کوچک‌تر و سبک‌تر بوده و صفحه نمایش ال‌سی‌دی (LCD) رنگی همراه با قابلیت کنترل عملکرد اسیلوسکوپ با لمس صفحه نمایش (در مدل‌های پیشرفته‌تر) دارند. از سوی دیگر، اسیلوسکوپ دیجیتال به علت بهره‌مندی از پردازش سیگنال دیجیتال، دارای برخی قابلیت‌ها (مانند اجرای عملیات ریاضی و پردازشی روی سیگنال‌ها) هستند که تقریباً در اسیلوسکوپ‌های آنالوگ غیرممکن است.

معرفی اسیلوسکوپ

اسیلوسکوپ یک وسیله اندازه‌گیری است که کارش نمایش دامنه سیگنال‌ها (ولتاژ) بر حسب زمان است. این دستگاه به‌طور گسترده‌ای توسط مهندسان برق، پژوهشگران، تعمیرکاران و نیز در کارگاه‌ها یا آزمایشگاه‌ها استفاده می‌شود. اسیلوسکوپ‌های دیجیتال می‌توانند بسته به قابلیت‌هایشان، دو یا چند شکل موج ولتاژ را بر حسب زمان روی صفحه اسیلوسکوپ نمایش دهند (اسیلوسکوپ آنالوگ به‌طور ذاتی از انجام این کار ناتوان است).

از سوی دیگر، اسیلوسکوپ‌هایی که دست کم دو کانال دارند (چه آنالوگ و چه دیجیتال)، همچنین می‌توانند سیگنال (ولتاژ) اِعمال شده به یک کانال را بر حسب سیگنال اعمال شده به کانال دیگر نمایش دهند. در واقع با این کار، متغیر زمان در نمایش دو سیگنال حذف می‌شود. به نتیجه این کار، منحنی‌های لیساژو (Lissajous patterns) می‌گویند.

اصول عملکرد اسیلوسکوپ آنالوگ

اسیلوسکوپ‌های آنالوگ در حقیقت رسم کننده‌های بسیار سریع هستند که سیگنال ورودی را بر حسب زمان یا سیگنال دیگر نمایش می‌دهند. در واقع، قلم این رسم کننده یک لکه نورانی است که در اثر برخورد یک باریکه الکترون به صفحه فلوئورسنت لامپ به وجود می‌آید.

به علت لَختی بسیار کم باریکه الکترون، می‌توان این باریکه را برای دنبال کردن تغییرات لحظه‌ای (ولتاژهایی که بسیار سریع تغییر می‌کنند) به کار برد. اسیلوسکوپ بر اساس ولتاژ کار می‌کند. البته به کمک مبدلها (ترانسدیوسر‌ها) می‌توان جریان الکتریکی و کمیتهای دیگر فیزیکی و مکانیکی را به ولتاژ تبدیل کرد.

اجزای اسیلوسکوپ آنالوگ

لامپ پرتو کاتدی (Cathode Ray Tube)

اسیلوسکوپ از یک لامپ پرتو کاتدی که قلب دستگاه است و تعدادی مدار برای کار کردن لامپ پرتو کاتدی تشکیل شده‌است. قسمت‌های مختلف لامپ پرتو کاتدی عبارتند از:

تفنگ الکترونی (Electron Gun)

تفنگ الکترونی باریکه متمرکزی از الکترونها را به وجود می‌آورد که شتاب زیادی پیدا کرده‌اند. این باریکه الکترون با انرژی کافی به صفحه فلوئورسان برخورد می‌کند و بر روی آن یک لکه نورانی تولید می‌کند. تفنگ الکترونی از رشتۀ گرم‌کن، کاتد، شبکۀ آند پیش‌شتاب‌دهنده، آند کانونی‌کننده و آند شتاب‌دهنده تشکیل شده‌است.

الکترونها از کاتدی که بطور غیر مستقیم گرم می‌شود، گسیل می‌شوند. این الکترونها از روزنه کوچکی در شبکه کنترل می‌گردند. شبکه کنترل معمولاً یک استوانه هم محور با لامپ است و دارای سوراخی است که در مرکز آن قرار دارد. الکترونهای گسیل شده از کاتد که از روزنه می‌گذرند (به دلیل پتانسیل مثبت زیادی که به آندهای پیش شتاب‌دهنده و شتاب‌دهنده اعمال می‌شود)، شتاب می‌گیرند. باریکه الکترونی را آند کانونی‌کننده، کانونی می‌کند.

صفحات انحراف دهنده (Deflective Planes)

صفحات انحراف دهنده شامل دو دسته صفحه است. صفحات انحراف عمودی که بطور افقی نصب می‌شوند و یک میدان الکتریکی عمودی ایجاد می‌کنند و صفحات y نامیده می‌شوند. صفحات انحراف افقی بطور عمودی نصب می‌شوند و انحراف افقی ایجاد می‌کنند و صفحات x نامیده می‌شوند. فاصله صفحات به اندازه کافی زیاد است که باریکه بتواند بدون برخورد با آن‌ها عبور کند.

صفحه فلوئورسان (Fluorescent Plane)

جنس این صفحه که در داخل لامپ پرتو کاتدی قرار دارد، از جنس فسفر است. این ماده دارای این خاصیت است که انرژی جنبشی الکترونهای برخوردکننده را جذب می‌کند و آن‌ها را به صورت یک لکه نورانی ظاهر می‌سازد. قسمت‌های دیگر لامپ پرتو کاتدی شامل پوشش شیشه‌ای، و پایه ای که از طریق آن اتصالات برقرار می‌شود، است.

مولد مبنای زمان (time base generator)

اسیلوسکوپ‌ها برای اندازه‌گیری و نمایش کمیت‌های وابسته به زمان بکار می‌روند. برای این کار لازم است که لکه نورانی لامپ روی پرده با سرعت ثابت از چپ به راست حرکت کند. بدین منظور یک موج دندانه اره ای (Sawtooth waveform) که فرکانس آن قابل تنظیم است، تولید و به صفحات انحراف افقی اعمال می‌شود. مداری که این ولتاژ را تولید می‌کند، مولد مبنای زمان، و این ولتاژ، ولتاژ روبش (Sweeping voltage) نام دارد (واژه روبش، از ریشۀ روبیدن، و به معنی جارو کردن است).

سیستم انحراف عمودی

چون سیگنالها لزوماً برای ایجاد انحراف کافی پرتو الکترونی در لامپ، به اندازه کافی قوی نیستند، معمولاً تقویت آنها لازم است. از سوی دیگر، هنگام اندازه‌گیری سیگنالهایی با دامنه زیاد، باید آن‌ها را تضعیف کرد تا در محدوده تقویت‌کننده‌های عمودی قرار گیرند.

سیستم انحراف افقی

صفحات انحراف افقی را ولتاژ روبشی (Sweeping voltage) که توسط مولد مبنای زمان (time base) تولید شده‌است، تغذیه می‌کند. این سیگنال از طریق یک تقویت‌کننده اعمال می‌شود، ولی اگر دامنه سیگنالها به اندازه کافی باشد، می‌توان آن را مستقیماً اعمال کرد.

هنگامی که به سیستم انحراف افقی، سیگنال خارجی اعمال می‌شود، باز هم از طرق تقویت‌کننده افقی و کلید انتخاب روبش در وضعیت خارجی اعمال خواهد شد. اگر کلید انتخاب روبش در وضعیت داخلی باشد، تقویت‌کننده افقی، سیگنال ورودی خود را از مولد روبش دندانه‌اره‌ای که با تقویت‌کننده هم‌زمان راه اندازی می‌شود، می‌گیرد.

همزمانی

هر نوع روبشی که بکار می‌رود، باید با سیگنال وارد شده به اسیلوسکوپ هم‌زمان (سینک) باشد. تا یک شکل موج بی حرکت در اسیلوسکوپ نمایش داده شود. برای این کار باید فرکانس سیگنال مبنای زمان مضربی از فرکانس سیگنال مورد بررسی باشد (البته در حالتی که ورودی اسیلوسکوپ، یک سیگنال متناوب است).

مواد محوکننده

در طی زمان روبش، ولتاژ دندانه ای روبش اعمال شده به صفحات x، لکه نورانی را بر یک خط افقی از چپ به راست روی صفحه لامپ حرکت می‌دهد. اگر سرعت حرکت کم باشد، یک لکه دیده می‌شود و اگر سرعت زیاد باشد، لکه به صورت یک خط دیده می‌شود. در سرعتهای خیلی زیاد، ضخامت خط کم شده و تار به نظر می‌رسد یا حتی دیده نمی‌شود.

کنترل وضعیت

وسیله‌ای برای کنترل حرکت مسیر باریکه بر روی صفحه لازم است. با این کار شکل موج ظاهر شده بر روی صفحه را می‌توان بالا یا پائین یا به چپ یا راست حرکت داد. این کار را می‌توان با اعمال یک ولتاژ کوچک سیستم داخلی (که مستقل است) به صفحات انحراف دهنده انجام داد. این ولتاژ را می‌توان با یک پتانسیومتر تغییر داد.

کنترل کانونی بودن

الکترود کانونی‌کننده مثل یک عدسی با فاصله کانونی تغییر می‌کند. این تغییر با تغییر پتانسیل آند کانونی‌کننده صورت می‌گیرد.

کنترل شدت

شدت باریکه با پتانسیومتر کنترل‌کننده شدت که پتانسیل شبکه را نسبت به کاتد تغییر می‌دهد، تنظیم می‌شود.

مدار کالیبره سازی

در اسیلوسکوپ‌های آزمایشگاهی معمولاً یک ولتاژ پایدار داخلی تولید می‌شود که دامنه و فرکانس مشخصی دارد (فرکانس آن ۱ کیلو هرتز است).

این ولتاژ که برای کالیبره سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد، یک موج مربعی است.

منبع: ویکی پدیا