اسیلوسکوپ چیست؟

اسیلوسکوپ چیست؟

اسیلوسکوپ یکی از ابزارهای مهم آزمایشگاه الکترونیک است. از اسیلوسکوپ در اندازه گیری و نمایش موج الکتریکی استفاده می شود.

در ادامه به برخی از ویژگی‌های این دستگاه می پردازیم. پاسخ به سوالاتی از قبیل اینکه اسیلوسکوپ چیست؟ و اسیلوسکوپ چگونه کار می کند؟ روش کار و کاربرد اسیلوسکوپ چیست؟ اسیلوسکوپ در تعمیر موبایل چه کاربردی دارد؟

اسیلوسکوپ چیست و چگونه کار می کند؟

دستگاه نوسان نما قادر است ولتاژ ورودی را به صورت یک سیگنال دریافت کرده و در واحد زمان به نمایش بگذارد. تا بدین ترتیب مشخصه های اساسی سیگنال مانند فرکانس، مقدار rms و از همه مهم تر شکل موج سیگنال را برای ما مشخص کند.

بعید است دانشجوی برق باشید یا سر و کارتان با مدارهای الکتریکی و مخابراتی باشد اما با کاربردهای این دستگاه مهم آشنا نباشید. اسیلوسکوپ ابزار اندازه گیری کاربردی در آزمایشگاه الکترونیک و مخابرات و همچنین وسیله کاربردی برای تمام اساتید و دانشجویان است. اصولا کلمه ‪ oscilloscope‬به معنی نوسان نما یا نوسان سنج است.

oscilloscope ها در اشکال مختلف برای کاربردهای متفاوت مانند کارت اسیلوسکوپ، اسیلوسکوپ رومیزی و دستی ساخته شده اند.

برتری اسیلوسکوپ نسبت به مولتیمتر چیست؟ می دانیم که اولا مولتی متر در صورت تغییرات آنی یا سریع ولتاژ،  واکنش کندی نشان خواهد داد و بسیاری از ولتاژ هایی که تغییر می کنند را نشان نمی دهد، همچنین به ولتاژی که یک ولت متر نشان می دهد مقدار متوسط ولتاژ است نه مقدار لحظه ای آن، این رفتار متغیر ولتاژ باعث تعریف مفاهیم جدیدی به قرار زیر می شوند.

کاربرد اسیلوسکوپ چیست؟ چه پارامترهایی را اندازه گیری می کند.

مهندسین از اسیلوسکوپ‌ برای اندازه‌گیری پارامترهای الکتریکی استفاده می‌کنند. وظیفه اصلی اسیلوسکوپ اندازه گیری شکل موج ولتاژ است. این امواج بر روی یک نمودار نمایش داده می شوند که می تواند ویژگی های زیر در مورد یک سیگنال را نمایش دهد. اما علاوه بر ولتاژ ، اسیلوسکوپ قادر به اندازه گیری جریان به کمک ترانس‌دیوسر و یا پروب جریان نیز است. پارامترهای دیگر عبارتند از:

سیگنال ولتاژ

از آنجا که یک ولتاژ AC در هر لحظه مقدار متفاوتی را به خود می گیرد آن را به صورت یک سیگنال الکتریکی تعریف می کنند. یک سیگنال در واقع تابعی متغیر با زمان است. کاربرد اصلی اسیلوسکوپ نمایش تغییرات سیگنال ولتاژ است.

فرکانس سیگنال

تغییرات سیگنال در هر یک ثانیه فرکانس مدار است. یا به عبارت دیگر، فرکانس مولفه های تشکیل دهنده یک سیگنال الکتریکی است.

دامنه سیگنال

به بیشترین مقداری که یک سیگنال در واحد زمان به خود می گیرد دامنه سیگنال می گویند. برای مثال سیگنال الکتریکی برق شهر، دارای فرکانس 50 هرتز و دامنه 320 ولت می باشد. اندازه گیری ولتاژ با اسیلوسکوپ یکی از رایج ترین روش سنجش دامنه موج است.

دوره تناوب سیگنال

فاصله بین رخ دادن دو ماکزیمم سیگنال یا دو قله سیگنال را یک تناوب و به زمان آن، دوره تناوب می گویند که معکوس فرکانس می باشد.

مقدار موثر سیگنال

مقدار موثر یا مقدار rms سیگنال مفهومی مشابه میانگین یا مقدار متوسط دارد با این تفاوت که حاصل جذر میانگین مربعات مقادیر سیگنال در هر لحظه می باشد. 220 ولت مقدار موثر سیگنال برق شهر است. یکی دیگر از کاربردهای اصلی اسیلوسکوپ نمایش مقدار آر ام اس یا موئر سیگنال ولتاژ است. با استفاده از اسیلوسکوپ میتوان مقدار ولتاژ مستقیم ، ولتاژ متناوب و نویز را سنجید.

پیک تو پیک موج

اختلاف بین مقدار ماکزیمم و مینیمم یک موج الکترونیکی را مقدار پیک تو پیک می نامند که معمولا دو برابر مقدار پیک یا ماکزیمم یا همان دامنه موج می باشد.

تریگر در اسیلوسکوپ

در برخی مواقع موج پردازش شده ثابت نمی ماند و نوسان زیاد اجازه مشاهده شکل موج را بخوبی نمی دهد در چنین مواقعی از تریگر در اسیلوسکوپ جهت ثابت نگه داشتن موج استفاده می کنیم. ولوم تریگر، پس از پیدا کردن اولین نقطه تکرار یک سیگنال، فرکانس سوییپ افقی خود را برای نمایش ثابت سیگنال تنظیم می کند. گاها موجی را که مي خواهيم توسط آن عمل تريگر انجام شود از خارج اسيلوسکوپ از طریق ترمینال خروجی (Ext) به اسیلوسکوپ اعمال کنیم.

مقدار پهنای باند در اسیلوسکوپ

پهنای باند اسیلوسکوپ اشاره به بازه فرکانسی دارد که دستگاه در آن بازه قادر است اندازه گیری ها را به طور کاملا صحیح انجام دهد. برای مثال عدد 100MHz برای یک اسیلوسکوپ به این معناست که دستگاه برای اندازه گیری در فرکانس های پایین تر از عدد 100 مگاهرتز طراحی شده است.

اما توجه به یک نکته ضروری ست. می دانیم که موج های غیر سینوسی از مجموعه فرکانس های مختلف تشکیل شده است. برای دقت هرچه بیشتر در نمایش شکل موج و همچنین محاسبات و اندازه گیری ها لازم است دستگاه علاوه بر فرکانس اصلی شکل موج، فرکانس هارمونیک های سوم و حداکثر پنجم را نیز ببیند. (هرچه هارمونیک های بیشتری را ببیند دقت دستگاه مخصوصا در لبه های شکل موج بیشتر است اما معمولا دو الی سه هارمونیک دقت قابل قبولی را به ما می دهد.)

بنابراین هر فرکانسی که سیگنال ورودی ما دارد دستگاه باید تا 5 برابر آن عدد را در بازه کاری خود داشته باشد. یعنی اسیلوسکوپ مذکور با پهنای باند 100MHz دقت لازم و کافی برای اندازه گیری و نمایش شکل موج سیگنال های تا فرکانس 20 مگاهرتز را دارد. قانون 5 برابر را فراموش نکنید! اگر دستگاه هارمونیک های بالاتر از فرکانس اصلی را نبیند، تغییرات ناگهانی (فرکانس بالا) سیگنال را ثبت نمی کند، دامنه دچار اعوجاج شده، اطلاعات سیگنال از دست می رود.

نرخ نمونه برداری در اسیلوسکوپ

همانطور که پیش از این نیز گفته شد مبنای کار اسیلوسکوپ دیجیتال، نمونه برداری از سیگنال آنالوگ در زمان است. بنابراین هرچه نرخ نمونه برداری با سرعت بالاتر انجام شود، نمونه های بیشتری برای نمایش و محاسبات در دسترس است به عبارت دیگر سرعت عمومی دستگاه بالاتر و جزئیات شکل موج دقیق تر به نمایش در می آیند. برای مثال برای یک اسیلوسکوپ با پهنای باند 100MHz، نرخ نمونه برداری معادل 500Ms/s و بالاتر مناسب است. نرخ نمونه برداری خیلی بالا باعث پر شدن حافظه دستگاه و محدود شدن بازه نمایش می شود که در ادامه معیار آن را معرفی خواهیم کرد.

اهمیت حافظه داخلی اسیلوسکوپ

هنگامی که به یک شکل موج در مانیتور اسیلوسکوپ نگاه می کنید در واقع دارید به طور همزمان به اطلاعات و نمونه های سیگنال در زمان های مختلف نگاه می کنید. برای این نمایش دستگاه احتیاج به یک حافظه بافر یا حافظه داخلی دارد.

اگر این حافظه نباشد، شما در هر لحظه فقط قادر خواهید بود یک نمونه را ببینید و دیگر شکل موجی تشکیل نمی شود! هرچه حافظه بیشتر باشد شما می توانید به بازه بیشتری از شکل موج نگاه کنید و مقیاس محور افقی را تنظیم کنید.

هرچه نمونه ها بیشتر شوند، باید حافظه نیز بیشتر شود در غیر این صورت بازه زمانی شما محدود خواهد شد. میزان حافظه را بر مبنای تعداد نمونه (نقطه) بر ثانیه می سنجند. برای مثال با اسیلوسکوپی با حافظه 1Mp/s و نرخ نمونه برداری 250Ms/s می توان حداکثر بازه زمانی (مقیاس محور افقی) 4 میلی ثانیه در اختیار داشت.

تعداد کانال های ورودی اسیلوسکوپ

تعداد ورودی های دستگاه عامل مهمی در افزایش قیمت اسیلوسکوپ محسوب می شود. بنابراین باید قبل از خرید به شناخت مناسبی نسبت از کاربری های خود برسیم. اگر به اسیلوسکوپ با بیش از 2 کانال Dual Channel oscilloscope برای پردازش همزمان دو سیگنال آنالوگ نیاز داریم می توان سراغ نمونه های 4 کاناله رفت.

البته معمولا تا 16 کانال دیجیتال هم برای سیگنال های دیجیتال در برخی مدل ها پیش بینی شده است. هرچه تعداد کانال های ورودی بیشتر باشد به نقاط بیشتری در مدار خود برای اندازه گیری های همزمان دسترسی داریم.

روش کار با اسیلوسکوپ

صفحه نمایش در اسیلوسکوپ های قدیمی آنالوگ عبارت بود از صفحه ای مدرج که جلوی یک پنل CRT یا همان لامپ کاتدی قرار می گرفت تا بتوان با استفاده از مقیاس بندی درست نمودار (با استفاده از پیچ های volt/div و time/div) پارامتر هایی مثل فرکانس و مقدار پیک را به دست آورد.

روش کار با اسیلوسکوپ های نسل جدید بسیار ساده تر شده است و محاسبات توسط خود دستگاه انجام می شود و اعداد مربوط به هر پارامتر به همراه شکل موج سیگنال روی صفحه مانیتور به نمایش در می آیند.

پیچ های قدیمی volt/div و time/div جای خود را به دو پیچ scale در محور های عمودی و افقی داده اند تا با تغییر آن، شکل موج سیگنال را در مقیاس دلخواه به نمایش در آوریم. همچنین می توان با استفاده از تنظیمات دستگاه، یکاهای مختلفی را برای نمایش پارامتر ها انتخاب کرد.

بسیاری از امکانات دیگر نظیر نمایش همزمان چند سیگنال ورودی با رنگ های مختلف، تنظیم اولیه راحت مقیاس نمودار با کلید Auto set و امکانات نمایشی مانند max hold و مارکر ها، همگی به هرچه راحت تر شدن محاسبات و اندازه گیری ها به کاربر کمک می کنند. مدل های جدید تر اسیلوسکوپ های دیجیتال حتی تا 4 سیگنال ورودی را به طور همزمان پردازش می کنند و به منبع سیگنال ژنراتور داخلی مجهز هستند.

کاربرد اسیلوسکوپ در تعمیر گوشی موبایل

به دلیل افزایش کاربردهای موبایل استفاده از آن توسط مردم رو به افزایش است. آمار واردات بالای قطعات الکترونیک  از سایت گمرک نشان می دهد که نرخ وارادات موبایل در ایران رو به افزایش است.

رایج ترین عوامل خرابی گوشی موبایل مانند اختلال در شارژ باطری، قطعی صدای بلندگو و مشکل در اتصالات ورودی توسط تعمیرکاران موبایل با مولتی متر عیب یابی می گردد اما همیشه به اینجا ختم نمی شود لوازم تعمیرات گوشی موبایل بسیار متنوع و زیاد هستند.  اسیلوسکوپ در تعمیر گوشی موبایل ابزاری کاربردی است تعمیرکاران با تجربه جهت برطرف کردن عیوب قطعات الکترونیکی گوشی موبایل از اسیلوسکوپ استفاده می کنند.

کاربرد اسیلوسکوپ در تعمیر گوشی موبایل بسیار مهم است، از اسیلوسکوپ در عیب یابی آی سی های فلش موبایل، قطعی مدار ، تست اسیلاتورها و دنبال کردن شکل موج استفاده می کنند.

اسیلوسکوپ در تعمیر خودرو

کاربرد اسیلوسکوپ در تعمیر خودرو یکی دیگر از حوزه های مورد نیاز این ابزار الکترونیکی می باشد. توسط اسیلوسکوپ میتوان سیگنال های ورودی و خروجی مدار ECU و عیب یابی تمامی سنسورهای خودرو را بررسی کرد. استفاده از اسیلوسکوپ در تعمیرات برق خودرو کار را برای تشخیص عیوب مختلف در خودروهای نسل جدید آسان کرده است.