اسيلوسکوپ ديجيتال

مقدمه

اگر ابزار الكترونيكي را به مهره هاي يك صفحه شطرنج تشبيه كنيم ، اسكوپ در اين صفحه نقش شاه را بازي مي كند.زيرا مي توان آن را در اندازه گيري ولتاژ ، جريان ، مقاومت ، فركانس و…. به كار برد و علاوه بر آن سنجش دقيقي را بر روي كمياتي با سرعت تغييرات بالا ، به دست آورد. اين تغييرات مي تواند يك بار و تنها براي چند نانو ثانيه اتفاق بيافتد . امتياز بر جسته يك اسكوپ توانايي آن در نمايش و مقايسه شكل موجي از تغييرات يك كميت نسبت به كميت ديگر است .

اين كميات سيگنال هاي داخلي يك مدار بوده و يا توسط ترانسد يوسرها توليد شده اند. يك ترانسد يوسر اين امكان را به اسكوپ مي دهد تا با دريافت يك سيگنال الكتريكي به نسبت تغييرات كميت غير الكتريكي ، آن تغييرات را مورد بررسي قرار دهد. در هر صورت ، اسكوپ را بيشتر در نمايش نوسانات دامنه ولتاژ در يك پريود از زمان ، استفاده مي كنند.از اين نظر مي توان اسكوپ را شبيه به يك فشار سنج يا يك فشارسنج يا يك زلزله نگار دانست كه قلم آن با حركتي پيوسته ، رو به جلو حركت مي كند.

آشنايي با اسيلوسکوپ:
به دليل اينکه اين تصاوير در سايت هاي آپلود عجنبي غير استاندارد آپلود شده بودند درصد زيادي از انها پاک شده بودند به هر حال مي شود از بقيه تصاوير که ظاهرا از سرور انگليسي هستند استفاده کرد.
اسيلوسکوپ يک دستگاه اندازه گيري است که مي توان از ان براي مشاهده و اندازه گيري ولتاژً,فرکانس , زمان تناوب , اختلاف فاز و همچنين مشخصه هاي ولت وآمپر عناصر نيمه هادي ( مانند ديودها ,ترانزيستورها ,و…) استفاده کرد.
صفحه نمايشگر: هر اسيلوسکوپ داراي يک صفحه نمايشگر است که دو قسمت اصلي تشکيل شده است:
الف) محور زمان , ب ) محور ولتاژ

در اسيلوسکوپ درجه بندي بر حسب سانتيمترو ميليمتر مي باشد (خانه هاي بزگ ۱ سانتي متري وخانه هاي کوچک ۲ميليمتري ميباشد.)

کانال : ورود هر اسيلوسکوپ کانال ناميده مي شود که هر اسيلوسکوپبر اساس تعداد کاتالهايي که مي توان به ان اعمال کرد تقسيم بندي مي شود : يک کاناله , دو کاناله , سه کاناله و چهار کاناله که اسيلوسکوپهاي ۳و۴ کاناله ديجيتال مي باشند.
الف) اسيلوسکوپ انالوگ :بر اساس انحراف الکترون در ميدان الکتروستاتيکي کار مي کند

لامپ پرتو کاتدي
اسيلوسکوپ از يک لامپ پرتو کاتدي که قلب دستگاه است و تعدادي مدار براي کار کردن لامپ پرتو کاتدي تشکيل شده است. قسمتهاي مختلف لامپ پرتو کاتدي عبارتند از:
تفنگ الکتروني :
تفنگ الکتروني باريکه متمرکزي از الکترونها را بوجود مي‌‌آورد که شتاب زيادي کسب کرده‌اند. اين باريکه الکترون با انرژي کافي به صفحه فلوئورسان برخورد مي‌کند و بر روي آن يک لکه نوراني توليد مي‌‌کند. تفنگ الکتروني از رشته گرمکن ، کاتد ، شبکه آند پيش شتاب دهنده ، آند کانوني کننده و آند شتاب دهنده تشکيل شده است.

الکترونها از کاتدي که بطور غير مستقيم گرم مي‌شود، گسيل مي‌‌شوند. اين الکترونها از روزنه کوچکي در شبکه کنترل مي‌‌گردند. شبکه کنترل معمولا يک استوانه هم محور با لامپ است و داراي سوراخي است که در مرکز آن قرار دارد. الکترونهاي گسيل شده از کاتد که از روزنه مي‌‌گذرند (به دليل پتانسيل مثبت زيادي که به آندهاي پيش شتاب دهنده و شتاب دهنده اعمال مي‌‌شود)، شتاب مي‌‌گيرند. باريکه الکتروني را آند کانوني کننده ، کانوني مي‌‌کند.

صفحات انحراف دهنده :
صفحات انحراف دهنده شامل دو دسته صفحه است. صفحات انحراف قائم که بطور افقي نسب مي‌شوند و يک ميدان الکتريکي در صفحه قائم ايجاد مي‌‌کنند و صفحات y ناميده مي‌‌شوند. صفحات انحراف افقي بطور قائم نصب مي‌شوند و انحراف افقي ايجاد مي‌‌کنند و صفحات x ناميده مي‌‌شوند. فاصله صفحات به اندازه کافي زياد است که باريکه بتواند بدون برخورد با آنها عبور کند

.
صفحه فلوئورسان :
جنس اين پرده که در داخل لامپ پرتو کاتدي قرار دارد، از جنس فسفر است. اين ماده داراي اين خاصيت است که انرژي جنبشي الکترونهاي برخورد کننده را جذب مي‌‌کند و آنها را به صورت يک لکه نوراني ظاهر مي‌سازد. قسمتهاي ديگر لامپ پرتو کاتدي شامل پوشش شيشه‌اي ، پايه که از طريق آن اتصالات برقرار مي‌‌شود، است.

مولد مبناي زمان
اسيلوسکوپها بيشتر براي اندازه گيري و نمايش کميات وابسته به زمان بکار مي‌‌روند. براي اين کار لازم است که لکه نوراني لامپ روي پرده با سرعت ثابت از چپ به راست حرکت کند. بدين منظور يک ولتاژ مثبت به صفحات انحراف افقي اعمال مي‌‌شود. مداري که اين ولتاژ مثبت را توليد مي‌‌کند، مولد مبناي زمان يا مولد رويش ناميده مي‌‌شود.

مدارهاي اصلي اسيلوسکوپ
سيستم انحراف قائم
چون سيگنالها براي ايجاد انحراف قابل اندازه گيري بر روي صفحه لامپ به اندازه کافي قوي نيستند، لذا معمولا تقويت قائم لازم است. هنگام اندازه گيري سيگنالهاي با ولتاژ بالا بايد آنها را تضعيف کرد تا در محدوده تقويت کننده‌هاي قائم قرار گيرند. خروجي تقويت کننده قائم ، از طريق انتخاب همزماني در وضعيت داخلي، به تقويت کننده همزمان نيز اعمال مي‌‌شود.

سيستم انحراف افقي
صفحات انحراف افقي را ولتاژ رويش که مولد مبناي زمان توليد مي‌‌کند، تغذيه مي‌کند. اين سيگنال از طريق يک تقويت کننده اعمال مي‌‌شود، ولي اگر دامنه سيگنالها به اندازه کافي باشد، مي‌‌توان آن را مستقيما اعمال کرد. هنگامي ‌که به سيستم انحراف افقي ، سيگنال خارجي اعمال مي‌‌شود، باز هم از طرق تقويت کننده افقي و کليد انتخاب رويش در وضعيت خارجي اعمال خواهد شد. اگر کليد انتخاب رويش در وضعيت داخلي باشد، تقويت کننده افقي ، سيگنال ورودي خود را از مولد رويش دندانه‌داري که با تقويت کننده همزمان راه اندازي مي‌‌شود، مي‌‌گيرد.
همزماني

هر نوع رويشي که بکار مي‌‌رود، بايد با سيگنال مورد بررسي همزمان باشد. تا يک تصوير بي حرکت بوجود آيد. براي اين کار بايد فرکانس سيگنال مبناي زمان مقسوم عليه‌اي از فرکانس سيگنال مورد بررسي باشد.
مواد محو کننده
در طي زمان رويش ، ولتاژ دندانه‌دار رويش اعمال شده به صفحات x ، لکه نوراني را بر يک خط افقي از چپ به راست روي صفحه لامپ حرکت مي‌دهد. اگر سرعت حرکت کم باشد، يک لکه ديده مي‌‌شود و اگر سرعت زياد باشد، لکه به صورت يک خط ديده مي‌‌شود. در سرعتهاي خيلي زياد ، ضخامت خط کم شده و تار به نظر مي‌‌رسد و يا حتي ديده نمي‌‌شود.

کنترل وضعيت
وسيله‌اي براي کنترل حرکت مسير باريکه بر روي صفحه لازم است. با اين کار شکل موج ظاهر شده بر روي صفحه را مي‌‌توان بالا يا پائين يا به چپ يا راست حرکت داد. اين کار را مي‌‌توان با اعمال يک ولتاژ کوچک سيستم داخلي (که مستقل است) به صفحات انحراف دهنده انجام داد. اين ولتاژ را مي‌‌توان با يک پتانسيومتر تغيير داد.

کنترل کانوني بودن
الکترود کانوني کننده مثل يک عدسي با فاصله کانوني تغيير مي‌‌کند. اين تغيير با تغيير پتانسيل آند کانوني کننده صورت مي‌‌گيرد.
کنترل شدت
شدت باريکه با پتانسيومتر کنترل کننده شدت که پتانسيل شبکه را نسبت به کاتد تغيير مي‌‌دهد، تنظيم مي‌‌شود.

مدار کاليبره سازي
در اسيلوسکوپهاي آزمايشگاهي معمولا يک ولتاژ پايدار داخلي توليد مي‌‌شود که دامنه مشخصي دارد. اين ولتاژ که براي کاليبره سازي مورد استفاده قرار مي‌گيرد، معمولا يک موج مربعي است
ب) اسيلوسکوپ ديجيتال :اساس کار اين نوع اسيلوسکوپ نمونه برداري از شکل موج ورودي ميباشد , هر چه نمونه برداري بيشتر باشد شکل موج نمايش داده شده دقيقتر خواهد بود.(که بلوک دياگرام ان را در شکل زير ميبينيد)

 

کليدهاي روي اسيلوسکوپ در سه دسته تقسيم بندي مي شود.

اگرچه کليدهاي کنترلي اسکوپ هاي مختلف کمي با هم فرق مي کنه ولي در مجموع در اسکوپ هاي آنالوگ يک سري کليد هاي اساسي وجود داره که اگرچه در ظاهر تفاوت هايي وجود داره ولي در نهايت وظيفه ي اونا در مدل هاي مختلف يکيه و در شکل زير يکي از ساده ترين مدل ها رو مي بينيد
۱- قسمت vertical :

۱-۱ ) CH1 :ورودي شماره يک اسيلوسکوپ
۱-۲ ) CH2 :ورودي شماره دو اسيلوسکوپ
۱-۳ ) کليد (AC-GND-DC )
1-3-1)مد AC : اگر کليد روي اين قسمت قرار گيرد فقط سيگنال جريان متناوب وارد اسيلوسکوپ مي شود واز نمايش ولتا ژ DC جلوگيري مي شود.
۱-۳-۲)مد DC : اگر کليد روي اين حالت تنظيم شود سيگنال ورودي هر چه باشد ( اعم از DC يا AC يا ترکيبي از هر دو)روي صفحه نمايش داده مي شود .

۱-۳-۳) مد GND : اگر اين حالت انتخاب شود , ورودي اسيلوسکوپ به زمين وصل مي شود و ارتباط الکتريکي بين پروپ و اسيلوسکوپ قطع مي شود. اين حالت براي تنظيم صفر اسيلوسکوپ کاربرد دارد.
۱-۴ ) ولوم VARIABLE : که بر روي سلکتور VOLT/DIV قرار دارد و براي کاليبره کردن دستگاه بکار مي رود که بايد هميشه در منتها عليه سمت راست قرار گيرد(جهت عقربه هاي ساعت بچرخونيم) تا ضريب ۱ داشته باشد.(براي صفر کردن خطاي ولتاژ)
۱- ۵) ولوم POSITION : بااين ولوم مي توان شکل موج روي صفحه نمايش را عمودي حرکت داد.

۱-۶ ) کليد mode : اين کليد چهار وضعيت دارد: الف)CH1 ب)CH2 ج) DUAL د) ADD
بسته به اين که بخواهيم از کدوم يک از ورودي هاي اسکوپ استفاده کنيم مي تونيم کليد MODE رو تنظيم کنيم که به ترتيب از بالا به پايين اسکوپ، روي صفحه نمايش، کانال يک، کانال دو، دو موج راهمزمان و در وضعيت ADD، جمع رياضي دو موج را نشان خواهد داد
۱-۷) ولوم VOLT/DIV : با تغيير اين پتانسيومتر دامنه ي موجي که در ص

فحه نمايش ظاهر مي شود , تغيير ميکند
نکته: با تغيير مقياس(مقدار VOLT/DIV ) ميتوان هر شکل موجي رابر روي صفحه نمايش نشان داد .اسيلوسکوپ هيچ نوع دخل وتصرفي در(مقدار دامنه يا پريود) موج نمي کند وتنها مقياس را تغيير مي دهد.(صحيح ترين انتخاب مقياس براي نشان دادن موج اين است که شکل موج در ماکزيمم دامنه قابل ديد(بزرگترين حالت پيک تو پيک)وداشتن ۱يا۲ پريود ميباشد.)

۱-۸) دکمه فشاري ALT :با فشار دادن اين دکمه هر دو کانال با هم موج به اسيلوسکوپ داده وموج هر دو کانال با هم رسم مي شود ولي شکل موج هاي ان در تمام لحظات با هم در صفحه اسيلوسکوپ ديده نمي شود . بلکه يک در ميان روي صفحه حساس ظاحر مي شوند.
۱-۹) دکمه فشاري CHOP :با فشار دادن اين دکمه کنال ۱و۲ هر دو روشن شده وموان دو موج جداگانه را توسط ورودي هاي اين دو کانال به طور مجزا در صفحه سيلوسکوپ مشاهده نمود.

نکته:يک دوره تناوب از يک موج رو به طور کامل و بسيار سريع نمايش ميده و بعد موج کانال ديگه رو. اما اين تغيير انقدر سريع انجام ميشه که ما اون رو حس نمي کنيم. اما وضعيت CHOP به صورت انتخابي بريده هايي از يک موج و بريده هايي ازيک موج ديگه رو هم زمان نشون ميده که ممکنه شکل موج در فرکانس هاي پايين با نقطه هايي خالي نشون داده بشه.
۱- قسمت TRIGER :
2-1) SOURSE : براي نمايش يک شکل موج پايدار در صفحه اسيلوسکوپ لازم است شکل موج جاروب کننده (SWEEPR)با شکل موج ورودي سنکرون(همزماني) داسته باشد لذا براي سنکرون کردن لازم است يک شکل موج به ان اعمال شود که نوع اين سيکنال سنکرون کننده در محل SOURSE بصورت زير تعيين مي شود.
۲-۱-۱)CH1 وch2 :اگر در يکي از اين دو وضعيت باشد , بايد براي پايدار بودن موج هر کانال در قسمت vertical در وضعيت مشابه sourse باشد يعني اگر CH1 بود,SOURSE هم CH1 و اگر CH2 بود, SOURSE هم بايد CH2باشد (در اين صورت اگر موج ثابت نشد از کليد LEVEL براي نگه داشتن موج استفاده مي کنيم.)
۲-۱-۲) EXT :اگر در اين وضعيت قرار گيرد مي توان سيگنال جاروب کنده را از خارج توسط ترمينال (EXT-TRIG)راه انداز خارجي موج با فرکانس لازم را به صفحات افقي داد.
۲-۱-۳) اگر فرکانس سيگنال همان فرکانس برق شهر باشد از دکمه ي INE براي تامين سيگنال جاروب کننده استفاده مي کنيم.
۲-۲) HEVEL :براي نگه داشتن موج به کار مي رود .
۲-۳) SLOP : نمودار را نسبت به محور V قرينه مي کند.
۲-۴) TRIC : تحريک کننده مدار مي باشد.
۲- قسمت HORIZONTAL :
3-1)ولوم POSITION : با اين ولوم مي توان شکل موج روي صفحه نمايش گر را در جهت افقي حرکت داد.

۳-۲) سلکتور TIME/DIV :با تغيير اين کليد پريود موج تغيير ميکند . در نتيجه واحد زمان بر روي محور Tها عوض مي شود .براي خواندن مقدار پريودواقعي يک موج تعداد واحدهاي ديده شده را در عدد TIM/DIV مي کنيم. ذ۰۶۳۳در روي اين سلکتور سه دسته تنظيمات بر حسب ثانيه (S) ميلي ثانيه(MS) و ميکرو ثانيه ( ) وجود دارد که در موقع تبديل بايد به اين واحدها توجه نمود

۳-۳)ولوم SWP VAR :با اين ولوم مي توان تعداد بيشتري شکل موج را روي صفحه منعکس کرد.(براي صفرکردن خطاي فرکانس)
۳-۴)کليد فشاري MAG10:با فشار دادن اين کليد موج ۱۰ برابر مي شود.
پروب(PROBE):براي مشاهده ي شکل موج اعمال به اسيلوسکوپ در ابتدا با پروب سيگنال الکتيريکي را به ورودي اسيلوسکوپ وصل ميکنيم.
سيم رابط اسيلوسکوپ از سه قسمت تشکيل شده است ۱)مغزي فلزي که به کانال اسيلوسکوپ وصل مي شود وB.N.C ناميده مي شود ۲)پروب که به مدار متصل مي شود ۳) وسيم shild که پروب را به b.n.c متصل کرده است.

 

در روي پروب کليد (۱*) و(۱۰*) وجود دارد .چنانچه دامنه سيگنال ورودي کم باشد از حالت ۱* وچنانچه دامنه سيگنال ورودي بزرگ باشد از حالت ۱۰* استفاده مي شود .(در حالت ورودي ۱۰* سيگنال ورودي ۱۰ برابر تضعيف مي شود).
مدار داخلي پروب
نحوه ي اندازه گيري با اسيلوسکوپ:
قبل از شروع کار با اسيلوسکوپ بايد دو کار انجام دهيم:
الف)تنظيمات اوليه: کليد هاي Gain Variable Control رو که به صورت کليدي کوچکتر بر روي کليدهايVolt/DiV و Time/Div(طوسي رنگ) وجود داره تا انتها در جهت عقربه هاي ساعت بچرخونيد.
در اسيلوسکوپهاي انالوگ کليدهاي کشويي رو به بالا وکليدهاي فشاري همه بيرون بايد باشد.
ب) کليد سه حالته ي AC GND DC رو براي هر دو کانال در حالت GND قراربديد و با دستگيره ي Position محور عمودي رو روي صفر قرار بديد. بوسيله ي کليدهاي Intensity و Focus به ترتيب شدت نور و نازکي موج رو تنظيم کنيد و بعد از تنظيم زمين کليدها رو در وضعيت DC قرار بديد.
۱- انداره گيري ولتاژ(دامنه):

تعداد خونه هاي عمودي محصور شده رو از قله تا پايين ترين نقطه ي موج بشماريد و در Volt/Div اون کانال ضرب کنيد. عدد به دست اومده اندازه ي دامنه ي P-P موج خواهد بود. به عنوان مثال اگر در حالتي که VOLT/DIV روي عدد ۲ وتعداد خانه هاي محصور شده توسط موج در راستاي عمودي برابر ۳٫۴ باشد انگاه براي بدست اوردن مقدار ولتاژاز ضرب اين دو عدد داريم:
دامنه(ولتاژ) = عدد volt/div × تعداد خونه هاي عمودي

۳٫۴ × ۲ = ۶٫۸ V
1- اندازه گيري پريود يا فرکانس:
الف )تعداد خونه هاي افقي رو که در امتداد يک دوره ي تناوب قرار گرفته اند در واحد Time/Div ضرب کنيد و عدد به دست اومده رو معکوس کنيد تا فرکانس موج بدست بياد.مثلا عدد time/div روي ms50 وتعداد خونه هاي افقي در يک دوره برابر ۵٫۲
(پريود) T = عدد time/div × تعداد خونه هاي افقي

۵٫۲ × ۵۰ms =260ms
F=1/T=1/260ms=3.8hz <=فرکانس
ب)روش تطبيق:
در اين روش تطبيق موجي را که فرکانسش را مي خواهيم بدست اوريم را با موجي که مي توانيم فرکانسش را اندازه بگيريم مقايسه مي کنيم , فرکانس معلوم را انقدر تغيير مي دهيم تا با فرکانس مجهول برابر شود به اين ترتيب مي توانيم مقدار فرکانس مجهول را بخوانيم .

۳- اندازه گيري جريان:
همانطور که مي دانيم از اسيلوسکوپ فقط براي اندازه گيري ولتاژ مي توان استفاده کرد و نمي توانيم جريان را با ان اندازه بگيريم , براي اين کار يک مقامت ۱ اهمي در مدار سري مي کنيم وطبق قانون اهم در اين حالت داريم V=RI و R=1Ω پس داريم V=1×I (يعني V با I برابر خواهد بود ) وبا اندازهگيري ولتاژ در واقع جريان را هم اندازه گرفته ايم.

۴- اندازه گيري اختلاف پتانسيل:
کليد INV :اين کليد سيگنال را معکوس مي کند وبراي محاسبه اختلاف پتانسيل استفاده مي شود.به اين صورت که اگر V1 ورودي CH1 وV2 ورودي CH2 باشد براي اختلاف پتانسيل V2-V1 به صورت زير عمل مي کنيم:
CH1 را با معکوس CH2 جمع مي کنيم(يعني روي مد ADD قرار ميدهيم وبراي کانال دو دکمه INV زده مي شود.)

CH1 [ADD] ([INV] CH2) =CH2-CH1=V2-V1
5- اندازه گيري اختلاف فاز:
الف) روش حوزه ي زماني : در اين روش اسيلوسکوپ را در مد DUAL قرار داده وسيگنال هاي کانال ۱و۲ رابا هم نمايش ميدهيم سپس از روي نمودار و با توجه به مقادير T و T0 و از روابط زير اختلاف فاز را محاسبه مي کنيم.