اسیلوسکوپ چیست ؟ بخش اول { معرفی مشخصات و اصطلاحات فنی}

مقدمه

دوستان سلام. در این جلسه و دو جلسه آینده ما قصد داریم در مورد اسیلوسکوپ به صورت کامل صحبت کنیم و اول این که مشخصات یک اسیلوسکوپ رو خوب بشناسیم و دوم این که یادبگیریم چطوری با این اسیلوسکوپ کار کنیم. یادمون باشه ما مهندس برق هستیم و باید مطالب رو علمی و دقیق یاد بگیریم قبل از این که وارد بحث بشیم پیشنهاد میکنم حتما برای فهم بیشتر این جلسه، جلسات زیر رو بخونید:

• ولتاژ، جریان و قانون اهم
• آموزش مولتی متر دیجیتال
• ADC چیست؟
• موج های PWM

معرفی اسیلوسکوپ

آیا تا حالا براتون پیش اومده که با یه مدار مشکلی پیدا کنید و مولتی متر هم برای پیدا کردن و رفع اون مشکل کافی نباشه ؟ اگه شما به نیاز به اطلاعاتی مثل فرکانس، نویز، دامنه یا هر مشخصه ای که با زمان تغییر میکنه داشته باشید، در اینجا به دستگاه اسیلوسکوپ نیاز پیدا خواهید کرد.

اسکوپ ها یکی از مهمترین دستگاه هایی هستند که در آزمایشگاه های مهندسان الکترونیک وجود داره. قابلیت اصلی اسیلوسکوپ این هست که به ما اجازه میدهند که سیگنال هایی که در طول زمان تغییر میکنند رو به صورت کامل در یک صفحه و در زمان های مختلف ببینیم.

بعضی وقتا ممکنه مدار 555 شما به درستی کار نکنه یا گاهی اوقات ارتباط SPI در بین دو میکروکنترلر به خوبی برقرار نشه. در این مواقع هست که اسیلوسکوپ به کمک ما میاد.

مفاهیم پایه در اسیلوسکوپ

هدف اصلی اسیلوسکوپ این هست که”یک نمودار از یک سیگنال الکتریکی و تغییراتش  رو در طول یک مدت زمان “به ما نشون بده.پس ما به دو مشخصه نیاز داریم. یکی سیگنال و یکی هم زمان.  صفحه اکثر اسیلوسکوپ ها دو بعدی هست که طبیعتا یک محور (محور x ها) مربوط به  زمان و محور دیگر (محور y ها) هم مربوط به ولتاژ هست.

[post_shop]

دکمه های کنترلی که بر روی اسیلوسکوپ وجود داره به شما کمک میکنه تا مقیاس های واحدهای عمودی و افقی اسیلوسکوپ رو تنظیم کنید. همچنین میتونید با این دکمه ها روی نمودار zoom in (بزرگنمایی) یا  zoom out ( کوچک نمایی) انجام بدید. با استفاده از Trigger هم میتونید نمودار روی صفحه اسکوپ رو با ثبات تر و قابل اطمینان تر کنید.

اسیلوسکوپ چه چیزهایی را میتواند اندازه گیری کند؟

علاوه بر ویژگی هایی که در بالا گفتیم، اسیلوسکوپ ها یک سری ابزار اندازه گیری هم دارند که به شما کمک میکنند تا پارامترهایی مثل فرکانس ، دامنه و سایر مشخصات یک موج رو بتونید اندازه گیری کنید. به طور کلی اسیلوسکوپ ها میتونن در دو ناحیه پارامترهایی رو اندازه گیری کنند. یک ناحیه زمان و ناحیه دیگر ولتاژ است.

مشخصات زمانی:

1- فرکانس و دوره تناوب: تعریف فرکانس خیلی واضح هست. تعداد دفعاتی که یک موج در طول یک ثانیه تکرار میشه. دوره تناوب هم که دقیقا معکوس فرکانس هست. ( T = 1/f ) . ماکزیمم فرکانسی که یک اسیلوسکوپ دیجیتال میتونه اندازه گیری کنه متفاوت هست ولی معمولا در رنج 100 مگاهرتز هستند.

2- Duty Cycle : ما  قبلا در جلسه مربوط به PWM ما Duty Cycle رو معرفی کردیم. اگه با این مفهوم آشنایی ندارید  از این لینک اون جلسه رو بخونید. اما اگه بخوایم به طور خلاصه Duty Cycle رو معرفی کنیم، میتونیم بگیم ” دریک دوره تناوب اگه سطح 1 بودن یک سیگنال رو T_on  و سطح 0 بودن یک سیگنال رو T_off  در نظر بگیریم. آنگاه Duty Cycle برابر خواهد بود با :

3- Rise time و Fall time : سیگنال نمیتونه یک دفعه از یک ولتاژ پایین برسه به یک ولتاژ بالا. این کار به آرامی انجام میشه. مدت زمانی طول میکشه تا سیگنال از یک سطح پایین ولتاژ برسه به  یک سطح بالای ولتاژ رو میگن Rise time . همچنین مدت زمانی که یک سیگنال از یک سطح بالای ولتاژ میرسه به یک سطح پایین ولتاژ رو میگن Fall time . این مشخصات وقتی مهم میشن که سرعت پاسخگویی یک مدار به یک سیگنال رو در نظر بگیریم.

البته این نکته رو اضافه کنم که گاهی اوقات rise time رو به مدت زمان صعود یک سیگنال از 10 درصد مقدار نهایی اون تا 90 درصد مقدار نهایی اون در نظر میگیرن. برای Fall time هم همین تعریف برقرار هست.

مشخصات زمانی:

1- دامنه (amplitude ) : دامنه یک سیگنال که دیگه واقعا نیازی به تعریف نداره. دامنه یک سیگنال رو میشهازطریق دامنه پیک تو پیک (peak to peak amplitude) که منظور از این پیک تو پیک یعنی” قدرمطلق اختلاف سطح بالای ولتاز و سطح پایین ولتاژ یک سیگنال” . بدیهی است که اگه یم سیگنال پایین ترین سطح ولتاژش 0 ولت باشه آنگاه دامنه سیگنال برابر ماکزیمم ولتاژ اون سیگنال خواهد بود.

2- ماکزیمم و مینیمم ولتاژ: با استفاده از اسیلوسکوپ شما خیلی دقیق میتونید بفهمید که ماکزیمم و مینیمم ولتاژ یک سیگنال چقدر هست.

3-میانگین ولتاژ: اسیلوسکوپ برای شما میانگین ولتاژ یک سیگنال رو هم محاسبه خواهد کرد.

چه زمان هایی از اسیلوسکوپ استفاده کنیم؟

استفاده از اسکوپ ها در مواردی که در زیر آورده میشه بسیار کمک کننده خواهد بود:

محاسبه فرکانس و دامنه یک سیگنال در ورودی ، خروجی یا المان های هر سیگنال که از این فرکانس و دامنه برای رفع اشکال مدارات الکتریکی استفاده میشه و با استفاده از اون میتونید بگید که آیا قطعه شما خراب هست یا خیر.

تشخیص این که چقدر نویز بر روی مدار شما تاثیر گذاشته.

شناسایی شکل یک سیگنال. مثلا آیا سیگنال مربعی هست یا سینوسی هست یا مثلثی هست یا …

اندازه گیری اختلاف فاز بین دو سیگنال متفاوت

معرفی اصطلاحات رایج در اسیلوسکوپ ها

برای این که اسیلوسکوپ رو خوب و دقیق  و البته کاملا علمی یاد بگیریم لازم هست که با واژه ها و اصطلاحات رایج در اسیلوسکوپ ها آشنا بشیم و اون ها رو بهتر بشناسیم.

مشخصات یک اسیلوسکوپ

بعضی از اسیلوسکوپ ها از بقیه بهتر هستند. مشخصاتی که در زیر آورده میشه به شما کمک میکنه تا اسیلوسکوپ خوب رو از بد تشخیص بدید و اگه یک روز هم خواستید یک اسیلوسکوپ بخرید بتونید انتخاب بهترین رو داشته باشید:

1- پهنای باند(Bandwidth) : منظور از پهنای باند ماکزیمم فرکانسی است که یک اسیلوسکوپ میتونه اندازه گیری کنه. در مورد پهنای باند حتما در یک جلسه دقیق تر خواهیم گفت و یک سری محاسبات کوچک هم انجام خواهیم داد ولی فعلا در همین حد دونستنش کافیه.

2- آنالوگ یا دیجیتال : مانند سایز ابزارهای الکترونیکی، اسیلوسکوپ ها هم در دو نوع دیجیتال و آنالوگ موجود هستند.اسیلوسکوپ های آنالوگ با استفاده از یک پرتوی الکترونی ولتاژ ورودی رو بر روی صفحه نمایش نشون میدن.درحالی که اسیلوسکوپ های دیجیتال از میکروکنترلر استفاده میشه و با استفاده از واحد ADC میکروکنترلر مقدار ولتاژ اندازه گیری میشه و بر روی صفحه نمایش نشون داده میشه. به طور کلی اسکوپ های آنالوگ قدیمی تر هستند و پهنای باند و مشخصات کمتری دارند.  اما زمان پاسخگوییشون سریعتر  است.

3- تعداد کانال ها: تعداد زیادی از اسکوپ ها در یک لحظه میتونن بیشتر از یک سیگنال رو بخونن و اون ها رو روی اسیکوسکوپ با هم دیگه نمایش بدن. هر سیگنال در اسکوپ باید حتما از یک کانال استفاده کنه. پس برای این که بتونیم همزمان چند تا سیگنال رو داشته باشیم باید اسیلوسکوپ ما چند کاناله باشه. معمولا اسیلوسکوپ ها یا 2 کاناله یا 4 کاناله هستند.

4- نرخ نمونه برداری: نرخ نمونه برداری فقط مخصوص اسیلوسکوپ های دیجیتاله  و یعنی این که “اسیلوسکوپ در هر ثانیه چند بار یک سیگنال رو میخونه؟” برای اسیلوسکوپ هایی که بیشتر از یک کانال دارند این مقدار( وقتی داره همزمان از چند تا کانال استفاده میشه)  ممکنه کاهش پیدا کنه.

5- Rise time: مشخصه Rise time در یک اسیلوسکوپ یعنی این که این اسکوپ سریعترین مدت زمان بالا رفتن یک سیگنال که میتونه اندازه گیری کنه چقدره؟ در یک اسیلوسکوپ Rise time رابطه ی نزدیکی با پهنای باند داره. این رابطه به صورت زیر هست:

6-ماکزیمم ولتاژ ورودی: یکی از مشخصات همه اسکوپ ها ماکزیمم ولتاژ ورودی اون هاست و اگه ولتاژ ورودی یک سیگنال  از اون ماکزیمم ولتاژ بالاتر بره احتمال داره اسیلوسکوپ آسیب ببینه.

7- رزولوشن: منظور از رزولوشن این هست که یک اسکوپ ولتاژ ورودی رو میتونه با چه دقتی اندازه گیری کنه.در مورد رزولوشن در جلسه مربوط به ADC به صورت کامل صحبت کردیم و اگه میخواید این موضوع رو کامل بفهمید حتما اون جلسه رو دقیق بخونید. ( رزولوشنی که در اسکوپ ها استفاده میشه در واقع دقت ADC میکروکنترلری هست که عملیات رو برای ما انجام میده)

8- حساسیت مقیاس عمودی (Vertical Sensitivty ) : این عدد نشون میده که هر واحد عمودی نشون دهنده ی چند ولت هست. این عدد رو معمولا در یک بازه نشون میدن. یعنی مثلا میگن حساسیت مقیاس عمودی از 2mv/div هست تا 5v/div و این یعنی این که هر واحد عمودی میتونه نشون دهنده 2mv  تا 5 ولت باشه و این عدد قابل تغییر هست. یعنی دیگه ما نمیتونیم کاری کنیم که یک واحد عمودی 1mv باشه. چنین دقتی وجود نداره.

9- Time Base( زمان پایه): این مقدار حساسیت محور افقی ( محور زمان) رو نشون میده. یعنی هر واحد افقی نشون دهنده چند ثانیه هست. مشابه حساسیت مقیاس عمودی این عدد هم در یک رنج تعریف میشه. مثلا از 2ns/div هست تا 50s/div و این یعنی یک واحد افقی رو شما میتونید جوری تنظیم کنید که 2 نانوثانیه باشه و یا جوری تنظیم کنید که 50 ثانیه باشه. در مورد Time base  و vertical sensitivity به شکل زیر دقت کنید:

10- امپدانس ورودی: وقتی فرکانس یک سیگنال بالا بره حتی یک امپدانس کوچک ( مقاومتی یا خازنی یا سلفی) هم میتونه بر روی سیگنال تاثیر بذاره. هر اسیلوسکوپ یک امپدانس خاصی رو به مداری که قصد دیدن مشخصات اون داریم اضافه میکنه. این امپدانس معمولا خودش روبه صورت یک مقاومت زیاد (در حدود 1 مگااهم ) موازی با یک خازن با مقدار کم ( در حد پیکوفاراد) نشون میده. این امپدانس ممکنه تاثیر زیادی بذاره اگه فرکانس سیگنال ورودی بالا باشه ولی پرابی که شما استفاده میکنید میتونه به شما در جبران این امپدانس و تاثیرش کمک کنه. ( در مورد پراب در جلسه آینده صحبت خواهیم کرد)

[/post_shop]

در جدول زیر ما برای این که بحث رو بهتر متوجه بشیم  مشخصات اسیلوسکوپ GA1102CAL رو آوردیم. با توجه به مشخصات میشه گفت که این اسیلوسکوپ یک اسیلوسکوپ سطح متوسط هست:

یادگیری این مشخصات بسیار میتونه کمک کننده باشه و سعی کنیم که از همینجا این موارد رو یاد بگیریم. شاید یه روزی نیاز داشته باشیم که برای خودمون یک اسیلوسکوپ بخریم. در این صورت باید این مشخصات رو کامل بشناسیم.

خوب دوستان. این جلسه هم به پایان رسید. امیدوارم که از این جلسه حداکثر بهره رو برده باشید. ما سعی میکنیم در این وبسایت آموزش هامون رو ساده و علمی بیان کنیم. مثل همیشه میتونید ما رو در تلگرام و یا اینستاگرام دنبال کنید: