اسیلوسکوپ چیست؟ تاریخچه، انواع و نحوه کار اسیلوسکوپ

اسیلوسکوپ (Oscilloscope) دستگاهی برای نمایش گرافیکی سیگنال های الکتریکی است که تغییرات ولتاژ یک یا چند سیگنال را بر حسب زمان نشان می دهد. به این دستگاه به اختصار اسکوپ نیز گفته می شود.

هدف اصلی اسیلوسکوپ، بررسی رفتار سیگنال های الکتریکی برای عیب یابی، تحلیل و تعیین مشخصات آنهاست. با اسیلوسکوپ می توان ویژگی هایی مانند دامنه، فرکانس، زمان خیز، فاصله زمانی بین رویدادها و اعوجاج سیگنال را بررسی کرد. در اسیلوسکوپ های قدیمی این مقادیر با مقایسه شکل موج با خطوط شبکه روی صفحه به صورت دستی محاسبه می شد، اما اسیلوسکوپ های دیجیتال امروزی بسیاری از آنها را خودکار محاسبه و نمایش می دهند.

اسیلوسکوپ ها در علوم، مهندسی، پزشکی، خودروسازی و مخابرات کاربرد گسترده ای دارند. برای مثال اسیلوسکوپ های ویژه ای برای تحلیل سیستم جرقه خودرو یا نمایش نوار قلب (الکتروکاردیوگرام) ساخته شده اند.

در این مقاله با تاریخچه، نحوه کار، انواع اسیلوسکوپ و مشخصات مهم آن آشنا می شوید.

تاریخچه اسیلوسکوپ

اسیلوسکوپ های دیجیتال امروزی حاصل چند نسل پیشرفت در فناوری هستند؛ از ثبت دستی شکل موج گرفته تا لوله پرتو کاتدی، اسیلوسکوپ های آنالوگ و الکترونیک دیجیتال.

ترسیم دستی شکل موج

در اواخر قرن نوزدهم، رسم شکل موج یک کار دستی و زمان بر بود. تکنسین ها ولتاژ یا جریان یک ژنراتور در حال چرخش را در نقاط مختلفی از دور محور آن با یک گالوانومتر اندازه می گرفتند و با کنار هم گذاشتن این نقاط، شکل موج را به تدریج رسم می کردند.

ژول فرانسوا ژوبر، فیزیکدان فرانسوی، این روش را با استفاده از یک کموتاتور ویژه متصل به محور ژنراتور تا حدی خودکار کرد، اما نتیجه همچنان باید به صورت دستی رسم می شد.

ثبت خودکار روی کاغذ

در گام بعد، دستگاه هایی ساخته شدند که با کمک گالوانومتر، قلمی را روی نوار کاغذی حرکت می دادند. یکی از این دستگاه ها اندوگراف هاسپیتالیه بود که از هر ۱۰۰ موج، یک خازن را شارژ و سپس از طریق گالوانومتر تخلیه می کرد و به این ترتیب یک شکل موج میانگین را ثبت می کرد.

در سال ۱۸۹۳، آندره بلوندل، فیزیکدان فرانسوی، اسیلوگراف را اختراع کرد که با یک گالوانومتر سیم پیچی متحرک، کمیت هایی مانند جریان متناوب را روی کاغذ ثبت می کرد. پهنای باند این دستگاه ها محدود و در حدود ۱۰ تا ۱۹ کیلوهرتز بود.

اسیلوسکوپ لوله پرتو کاتدی (CRT)

• سال ۱۸۹۷: کارل فردیناند براون، فیزیکدان آلمانی، لوله پرتو کاتدی (CRT) را اختراع کرد که پایه ساخت اسیلوسکوپ های الکترونیکی شد. CRT امکان مشاهده مستقیم شکل موج ولتاژ و جریان را فراهم کرد.

• اواخر دهه ۱۹۳۰: شرکت بریتانیایی A. C. Cossor نخستین اسیلوسکوپ دو پرتویی را ساخت که نمایش همزمان دو سیگنال را ممکن می کرد.

اسیلوسکوپ با جاروب تریگر شده

در اسیلوسکوپ های اولیه، حرکت افقی پرتو با یک ولتاژ دندانه اره ای انجام می شد که از شارژ یک خازن با جریان تقریبا ثابت و تخلیه آن ایجاد می شد. اپراتور باید فرکانس این موج را دستی تنظیم می کرد تا شکل موج روی صفحه ثابت بماند که کار دشواری بود.

در دهه ۱۹۴۰، جاروب تریگر شده (Triggered Sweep) توسعه یافت. در این روش، حرکت افقی پرتو فقط زمانی شروع می شود که سیگنال ورودی به سطح مشخصی برسد. به این ترتیب هر تکرار شکل موج دقیقا روی همان مسیر قبلی رسم می شود و تصویر ثابت روی صفحه دیده می شود. این قابلیت اندازه گیری دقیق فرکانس، فاز و زمان خیز را ممکن کرد و حتی سیگنال های غیرتناوبی را نیز قابل مشاهده کرد.

در سال ۱۹۴۶، هاوارد وولوم و جک مرداک شرکت تکترونیکس (Tektronix) را تاسیس کردند و یک سال بعد اسیلوسکوپ مدل ۵۱۱ را با جاروب تریگر شده و قرائت های کالیبره معرفی کردند. مدل بعدی آنها، ۵۳۵، در سال ۱۹۵۴ وارد بازار شد و سال ها تولید و فروخته شد.

اسیلوسکوپ های دیجیتال

از دهه ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰، با پیشرفت مبدل های آنالوگ به دیجیتال و حافظه های دیجیتال، اسیلوسکوپ های دیجیتال توسعه یافتند و به تدریج جای اسیلوسکوپ های آنالوگ را گرفتند.

اسیلوسکوپ چگونه کار می کند؟

هر اسیلوسکوپ از چند بخش اصلی تشکیل شده است:

• سیستم عمودی: دامنه سیگنال ورودی را تضعیف یا تقویت می کند تا در اندازه مناسب روی صفحه نمایش داده شود. تنظیم آن بر حسب ولت بر خانه (Volts/div) است.

• سیستم افقی (پایه زمانی): مقیاس زمان را تعیین می کند و تنظیم آن بر حسب زمان بر خانه (Time/div) است.

• سیستم تریگر: تعیین می کند نمایش شکل موج از چه لحظه ای شروع شود تا تصویر سیگنال های تکراری ثابت بماند.

• نمایشگر: شکل موج را روی یک شبکه مدرج نشان می دهد؛ در اسیلوسکوپ های قدیمی CRT و در انواع امروزی معمولا LCD.

• پراب: سیگنال را از مدار مورد آزمایش به اسیلوسکوپ می رساند. پراب های رایج، سیگنال را ۱۰ برابر تضعیف می کنند تا اثر کمتری روی مدار داشته باشند.

انواع اسیلوسکوپ

اسیلوسکوپ آنالوگ

اسیلوسکوپ آنالوگ شکل موج ولتاژ را مستقیما و به صورت آنالوگ روی صفحه لوله پرتو کاتدی نمایش می دهد. این اسیلوسکوپ ها نخستین نوع رایج اسیلوسکوپ بودند. انواع اولیه بسیار بزرگ بودند و لامپ های خلأ زیادی داشتند. با ورود ترانزیستور کوچک تر شدند، اما هنوز برای جای دادن لوله پرتو کاتدی به عمق قابل توجهی نیاز داشتند. امروزه اسیلوسکوپ های آنالوگ کمتر استفاده می شوند.

اسیلوسکوپ آنالوگ ذخیره ساز

در اسیلوسکوپ آنالوگ معمولی، شکل موج فقط تا زمانی دیده می شود که سیگنال وجود دارد. برای نگه داشتن طولانی تر تصویر، باید از صفحه عکس گرفته می شد و دوربین های مخصوصی برای این کار وجود داشت.

اسیلوسکوپ های ذخیره ساز آنالوگ از نوع خاصی از لوله پرتو کاتدی استفاده می کردند که بار الکتریکی پرتو را روی صفحه نگه می داشت تا شکل موج پس از قطع سیگنال نیز دیده شود. هرچه تصویر روشن تر بود، مدت کمتری قابل نگهداری بود. این اسیلوسکوپ ها گران بودند و لوله هایشان به راحتی آسیب می دید و به همین دلیل به سرعت جای خود را به اسیلوسکوپ های دیجیتال دادند.

مزیت اسیلوسکوپ آنالوگ

اسیلوسکوپ های دیجیتال قدیمی ممکن بود برخی سیگنال های گذرا را از دست بدهند. اما در اسیلوسکوپ آنالوگ، فسفر صفحه پس از برخورد پرتو مدتی می درخشد و رویدادهای پرتکرار روشن تر دیده می شوند. به همین دلیل اسیلوسکوپ آنالوگ برای مشاهده رفتار سیگنال در زمان واقعی ارزشمند بود.

اسیلوسکوپ دیجیتال

اسیلوسکوپ های دیجیتال سیگنال ورودی را با یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) نمونه برداری کرده و به داده دیجیتال تبدیل می کنند. البته مدارهای ورودی آنها همچنان آنالوگ است. این اسیلوسکوپ ها تصویری روشن، پایدار و با وضوح بالا ارائه می دهند و امکاناتی مانند ذخیره شکل موج، اندازه گیری خودکار، تریگرهای پیشرفته و تحلیل طیف را فراهم می کنند. با استفاده از پردازنده های سریع و FPGA، اسیلوسکوپ های دیجیتال امروزی برای کاربردهای فرکانس بالا و طراحی RF نیز مناسب هستند.

اسیلوسکوپ ذخیره ساز دیجیتال (DSO)

اصطلاح اسیلوسکوپ ذخیره ساز دیجیتال پس از معرفی نخستین اسیلوسکوپ های دیجیتال رایج شد و نشان می داد دستگاه می تواند شکل موج را در حافظه دیجیتال ذخیره کرده و برای مدت طولانی نمایش دهد. این اسیلوسکوپ ها شکل موج را بدون افت کیفیت ذخیره می کنند و نمایشگر آنها معمولا LCD است.

DSO برای ثبت، نمایش و تحلیل سیگنال از معماری پردازش سریال استفاده می کند؛ یعنی مراحل نمونه برداری، پردازش و نمایش پشت سر هم انجام می شوند. این اسیلوسکوپ ها برای بیشتر کاربردهای صنعتی مناسب هستند.

اسیلوسکوپ فسفر دیجیتال (DPO)

اسیلوسکوپ فسفر دیجیتال، اصطلاحی که شرکت تکترونیکس معرفی کرد، به جای پردازش سریال از معماری پردازش موازی استفاده می کند. این اسیلوسکوپ ها با سخت افزار اختصاصی، شکل موج ها را با نرخ بسیار بالایی ثبت می کنند.

نتیجه، نمایشی شبیه درخشش فسفر در اسیلوسکوپ آنالوگ است که اطلاعات شدت و تکرار رویدادها را هم نشان می دهد. این ویژگی احتمال دیدن رویدادهای گذرا و نادر، مانند پالس های ناخواسته و خطاهای انتقال در سیستم های دیجیتال را افزایش می دهد.

اسیلوسکوپ نمونه بردار

اسیلوسکوپ های نمونه بردار برای اندازه گیری سیگنال های تکراری با فرکانس بسیار بالا استفاده می شوند. این اسیلوسکوپ ها در هر تکرار سیگنال، فقط یک یا چند نمونه برمی دارند و با کنار هم گذاشتن نمونه های تکرارهای مختلف، شکل موج کامل را بازسازی می کنند. به این ترتیب پهنای باند آنها بسیار بیشتر از اسیلوسکوپ های معمولی است.

در این اسیلوسکوپ ها، برخلاف DSO و DPO، سیگنال پیش از تضعیف یا تقویت نمونه برداری می شود. چون سیگنال نمونه برداری شده فرکانس کمتری دارد، می توان پس از نمونه بردار از تقویت کننده ای با پهنای باند کم استفاده کرد.

اسیلوسکوپ سیگنال مختلط (MSO)

اسیلوسکوپ سیگنال مختلط، قابلیت های یک اسیلوسکوپ دیجیتال را با یک تحلیل گر منطقی (معمولا ۸ یا ۱۶ کانال دیجیتال) ترکیب می کند و امکان رمزگشایی و تریگر روی پروتکل های ارتباطی سریال و موازی را نیز دارد.

کانال های دیجیتال MSO، مانند یک مدار دیجیتال، سیگنال را با مقایسه با یک ولتاژ آستانه به صورت صفر یا یک منطقی می بینند. چون علت بسیاری از مشکلات مدارهای دیجیتال با مشاهده همزمان شکل آنالوگ و دیجیتال سیگنال سریع تر پیدا می شود، MSO ابزاری ایده آل برای عیب یابی مدارهای دیجیتال است.

اسیلوسکوپ دامنه مختلط (MDO)

اسیلوسکوپ دامنه مختلط، یک اسیلوسکوپ و یک آنالایزر طیف را در یک دستگاه ترکیب می کند. این دستگاه امکان مشاهده همزمان سیگنال ها در حوزه زمان و فرکانس را فراهم می کند و به ویژه در توسعه و تعمیر سیستم های ارتباطی بی سیم کاربرد دارد؛ جایی که باید اثر بخش های دیجیتال یا فرکانس پایین مدار روی سیگنال RF خروجی بررسی شود.

مشخصات مهم در انتخاب اسیلوسکوپ

• پهنای باند: مهم ترین مشخصه اسیلوسکوپ است. یک قاعده رایج این است که پهنای باند حداقل ۳ تا ۵ برابر بالاترین فرکانس سیگنال مورد اندازه گیری باشد.

• نرخ نمونه برداری: تعداد نمونه هایی که اسیلوسکوپ دیجیتال در هر ثانیه برمی دارد. نرخ نمونه برداری باید چند برابر پهنای باند باشد تا شکل موج دقیق بازسازی شود.

• زمان خیز: کوتاه ترین زمان تغییری که اسیلوسکوپ می تواند نشان دهد. زمان خیز تقریبا برابر ۰.۳۵ تقسیم بر پهنای باند است.

• تعداد کانال: اسیلوسکوپ ها معمولا ۲ یا ۴ کانال آنالوگ دارند.

• عمق حافظه: تعیین می کند چه مدت از سیگنال را می توان با نرخ نمونه برداری بالا ثبت کرد.

• قابلیت های تریگر: تریگرهای پیشرفته برای پیدا کردن رویدادهای خاص در سیگنال های پیچیده ضروری هستند.

کاربردهای اسیلوسکوپ

• طراحی و عیب یابی مدارهای الکترونیکی

• طراحی و آزمایش سیستم های RF و مخابراتی

• تولید و کنترل کیفیت محصولات الکترونیکی

• تعمیر و نگهداری تجهیزات الکترونیکی

• عیب یابی سیستم های الکتریکی خودرو

• تجهیزات پزشکی مانند نمایش نوار قلب

• آموزش و آزمایشگاه های دانشگاهی

سوالات متداول درباره اسیلوسکوپ

اسیلوسکوپ چه چیزی را اندازه می گیرد؟

اسیلوسکوپ تغییرات ولتاژ سیگنال های الکتریکی را بر حسب زمان نمایش می دهد و ویژگی هایی مانند دامنه، فرکانس و زمان خیز را اندازه می گیرد.

تفاوت اسیلوسکوپ آنالوگ و دیجیتال چیست؟

اسیلوسکوپ آنالوگ سیگنال را مستقیما روی صفحه CRT نمایش می دهد، اما اسیلوسکوپ دیجیتال سیگنال را نمونه برداری، به داده دیجیتال تبدیل و ذخیره می کند و امکان اندازه گیری و تحلیل خودکار دارد.

پهنای باند اسیلوسکوپ چقدر باید باشد؟

معمولا حداقل ۳ تا ۵ برابر بالاترین فرکانس سیگنالی که می خواهید اندازه گیری کنید.

تفاوت DSO و DPO چیست؟

DSO از پردازش سریال استفاده می کند، اما DPO با پردازش موازی شکل موج ها را با نرخ بسیار بالاتری ثبت می کند و رویدادهای گذرا را بهتر نشان می دهد.

MSO چه کاربردی دارد؟

اسیلوسکوپ سیگنال مختلط کانال های آنالوگ و دیجیتال را همزمان نمایش می دهد و برای عیب یابی مدارهای دیجیتال و میکروکنترلری ایده آل است.

جمع بندی

اسیلوسکوپ یکی از پرکاربردترین ابزارهای آزمایش در الکترونیک است و در طراحی مدار، طراحی RF، تولید، تعمیر و آموزش نقش مهمی دارد. این دستگاه از ترسیم دستی شکل موج در قرن نوزدهم تا اسیلوسکوپ های لوله پرتو کاتدی و سپس اسیلوسکوپ های دیجیتال پیشرفته امروزی تکامل یافته است.

امروزه اسیلوسکوپ های دیجیتال در انواع DSO، DPO، نمونه بردار، MSO و MDO عرضه می شوند و انتخاب هر کدام به نوع سیگنال، پهنای باند مورد نیاز و کاربرد بستگی دارد. برای آشنایی با محصولات بلورآزما و دانلود رایگان کاتالوگ ها، به صفحه [محصولات] مراجعه کنید.

منابع

• Tektronix, XYZs of Oscilloscopes