اسیلوسکوپ چیست

از اسیلوسکوپ (Oscilloscope) برای مشاهده شکل موج سیگنال ولتاژ الکتریکی نسبت به زمان استفاده می‌شود؛ کاری که توسط مولتی‌متر قابل اجرا نیست. اسیلوسکوپ‌ها دارای انواع مختلفی هستند که هر کدام از آن‌ها با یکدیگر تفاوت دارند. در این مطلب سعی داریم تا به بررسی اجزای اصلی مشترک در اکثر اسیلوسکوپ‌ها بپردازیم که برای شروع کار بیشترین کاربرد را نیز دارند. همچنین نحوه اندازه‌گیری دامنه و فرکانس سیگنال ولتاژ به وسیله اسیلوسکوپ را نشان می‌دهیم.

اسیلوسکوپ چیست ؟ معمولا هنگام اندازه‌گیری با اسیلوسکوپ، در صفحه نمایش آن یک خط راست دیده می‌شود، که از یک سمت به سمت دیگر آن کشیده شده است. در واقع این خط، یک گراف از ولتاژ بر حسب زمان است. محورy بیانگر یک ولتاژ آنالوگ یا دیجیتال اندازه‌گیری‌ شده است و محور x زمان را نشان می‌دهد.

اسیلوسکوپ ‌ها دارای دو نوع آنالوگ و دیجیتال هستند. در این مطلب نحوه استفاده از اسیلوسکوپ دیجیتال را بررسی خواهیم کرد. کنترل هر دو نوع اساسا یکسان است، اما توجه کنید که ممکن است بعضی از ابزارهای کنترل اسیلوسکوپ دیجیتال در منو (Menu) روی نمایشگر باشند و برای آن‌ها از دستگیره (Knob) یا دکمه استفاده نشده باشد.

آشنایی با 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:

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 ۲دستگیره تنظیم موقعیت عمودی برای ورودی کانال دوم را نشان می‌دهند.
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.
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.
trigger level: این ابزار که در تصویر با عدد ۶مشخص 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.
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.
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» که در تصویر زیر نشان داده شده است، 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.
دکمه انتخاب کانال ۱
دکمه انتخاب کانال ۱
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.

اتصال اسیلوسکوپ به یک سیگنال نوسانی
در این مرحله، به یک سیگنال پایدار با فرکانس ثابت نیاز دارید. اگر به یک مولد شکل موج (Waveform Generator) دسترسی دارید، می‌توانید از آن استفاده کنید و پالسی با دامنه 2٫5V و فرکانس 500HZ را در خروجی مولد تنظیم کنید. اگر مولد شکل موج در اختیار ندارید، به یکی از روش‌های زیر عمل کنید.

اندازه‌گیری دامنه شکل موج
دامنه موج برابر با اختلاف ارتفاع قله (Peak) موج و مقداری است که موج حول آن نوسان می‌کند (Wave’s Equilibrium). در این‌جا موج را برای نوسان حول خط مرکزی شبکه روی صفحه نمایش تنظیم کرده‌ایم و همان‌طور که در شکل دیده می‌شود، دامنه موج برابر با 2٫5 واحد عمودی روی شبکه است. چونvolts/div روی 1V تنظیم شده است، 2٫5 واحد برابر با 2٫5 ولت خواهد شد. بنابراین دامنه موج نیز برابر با 2٫5 ولت است.

اندازه‌گیری دامنه شکل موج
اندازه‌گیری دامنه شکل موج
برنامه آردوینو، پین ۸آردوینو را برای نوسان بین ۰تا ۵ ولت تنظیم کرده است. بنابراین مقدار به دست آمده در بالا برابر با نصف این مقدار یعنی ۲٫۵ ولت است و مقداری منطقی و درست است.

اندازه‌گیری فرکانس شکل موج
فرکانس یک موج برابر با تعداد دفعات تکرار یک شکل موج در ثانیه است. فرکانس یک موج را در بعضی از اسیلوسکوپ‌ها نمی‌توان مستقیما اندازه گرفت، اما می‌توان یک پارامتر بسیار نزدیک به فرکانس، یعنی دوره تناوب (Period) را اندازه‌گیری کرد. دوره تناوب یک موج برابر با زمانی است که طول می‌کشد تا یک موج یک سیکل کامل را تکمیل کند.

همان طور که در شکل دیده می‌شود، یک سیکل کامل از موج در دو خانه افقی از شبکه روی صفحه تکمیل شده است. در پایین صفحه مقدارtime/div بر روی 1ms تنظیم شده است. بنابراین دو خانه از صفحه برابر با 2ms خواهد شد.

اندازه‌گیری دوره تناوب یک شکل موج
اندازه‌گیری دوره تناوب یک شکل موج
چون فرکانس برابر با عکس دوره تناوب است، با توجه به مقدار دوره تناوب به دست آمده، فرکانس سیگنال برابر با 500 هرتز خواهد شد.

AC/DC/Ground Coupling در اسیلوسکوپ
در قسمت‌های قبل بهAC coupling اشاره کردیم. در حالت کلی AC coupling برای مشاهده یک سیگنالAC و DC coupling برای مشاهده یک سیگنال DC است. AC coupling قسمت DC سیگنال را از بین می‌برد، در نتیجه سیگنال حول مقدار صفر نوسان خواهد کرد. در بسیاری از اسیلوسکوپ‌ها این یک مزیت محسوب می‌شود، زیرا به کمک آن می‌توان بیشتر بر روی شکل موج زوم کرد و اغتشاشات کوچکAC را نیز اندازه‌گیری کرد. اگر آفست DC سیگنال برای شما اهمیتی نداشته باشد و فقط بخواهید قسمت AC سیگنال را مشاهده کنید، از مد AC coupling استفاده کنید. اما اگر بخواهید هر دو قسمت AC و DC سیگنال را مشاهده کنید یا فقط قسمتDC برای شما اهمیت داشته باشد، از DC coupling استفاده کنید.

بعضی از اسیلوسکوپ‌ها ممکن است گزینهGround Coupling را نیز داشته باشند. اگر اسیلوسکوپ در این مد قرار گیرد، خطی مسطح را خواهید دید که موقعیت صفر ولت را نشان خواهد داد. از ابزار vertical position برای تطابق این مقدار با یکی از خطوط صفحه مشبک استفاده کنید. این خط نشان‌گر ولتاژ زمین خواهد بود. حال می‌توانید دوباره به مدDC برگردید تا فاصله آن از زمین را اندازه بگیرید. در صورت لزوم از volt/div برای تنظیم سیگنال در صفحه استفاده کنید. تغییر وضعیت به مد AC باعث حذف قسمتDC سیگنال می‌شود و شاهد نوسان حول ولتاژ زمین (Ground) خواهید بود.