مقدمه

اسیلوسکوپ (که scope یا O-scope نیز گفته می شود) نوعی ابزار تست الکترونیکی است که به صورت گرافیکی ولتاژهای متغیر یک یا چند سیگنال را به عنوان تابعی از زمان نمایش می دهد.

هدف اصلی استفاده از اسیلوسکوپ ها، بدست آوردن اطلاعات در مورد رفتار سیگنال های الکتریکی برای اشکال زدایی، تجزیه و تحلیل یا مشخصه سازی است. در این دستگاه، شکل موج نمایش داده شده را می توان بر اساس ویژگی هایی مانند دامنه، فرکانس، زمان افزایش، فاصله زمانی، اعوجاج و موارد دیگر آنالیز کرد.

در اصل، محاسبه این مقادیر مستلزم اندازه‌گیری دستی شکل موج در برابر مقیاس‌ های تعبیه‌ شده در صفحه دستگاه می باشد. البته بسیاری از ابزارهای دیجیتال مدرن، این ویژگی ها را مستقیماً محاسبه و نمایش می دهند.

اسیلوسکوپ ها کاربردهای بسیاری در علوم، مهندسی، زیست پزشکی، خودروسازی و صنعت مخابرات دارند و ابزارهای همه منظوره ای برای تعمیر و نگهداری تجهیزات الکترونیکی و کارهای آزمایشگاهی هستند.

به عنوان مثال، اسیلوسکوپ‌ های ویژه ای در بازار موجود هستند که برای آنالیز سیستم احتراق خودرو یا نمایش شکل موج ضربان قلب به عنوان الکتروکاردیوگرام استفاده می شوند. در این مقاله با ما همراه باشید تا انواع آنها و کاربردهایشان را به طور جزئی بررسی کنیم.

تاریخچه مختصری از اسیلوسکوپ

تولید اسیلوسکوپ نقش مهمی در توسعه علم و به ویژه نظریه الکترومغناطیسی داشت و انواع دیجیتال امروزی، نتیجه چندین نسل از توسعه اسیلوسکوپ، لوله های پرتو کاتدی، اسیلوسکوپ های آنالوگ و الکترونیک دیجیتال است.

تاریخچه این ابزار کلیدی یک سفر جذاب است که به طور قابل توجهی علم و فناوری را تحت تاثیر قرار داده است. در ادامه سیر تکاملی این دستگاه کاربردی الکترونیکی را شرح خواهیم داد.

اسیلوگرام های ترسیم شده با دست

فیزیکدان فرانسوی آندره بلوندل در سال 1893 اسیلوسکوپ را اختراع کرد که می توانست مقادیر الکتریکی مانند شدت جریان متناوب را ثبت کند.

عملکرد دستگاه به گونه ای بود که یک آونگ مرکب متصل به یک سیم پیچ، اطلاعات را بر روی یک نوار کاغذی متحرک ثبت می کرد. این اسیلوسکوپ های اولیه پهنای باند محدودی داشتند (معمولاً بین 10 تا 19 کیلوهرتز).

در اوایل قرن نوزدهم، روش های ایجاد تصویری از شکل موج شامل اندازه گیری های دستی پر زحمت بود و تکنسین ها ولتاژ یا جریان یک روتور در حال چرخش را در نقاط خاصی در اطراف محور آن با استفاده از یک گالوانومتر اندازه گیری می کردند و با پیشروی در اطراف روتور، موج ایستاده ای ایجاد می شد.

فیزیکدان فرانسوی ژول فرانسوا ژوبرت (Jules François Joubert) این فرآیند را با روش گام به گام اندازه گیری شکل موج با استفاده از یک کموتاتور تک تماسی ویژه متصل به شفت روتور تا حدی خودکار کرد. خروجی روی یک گالوانومتر ظاهر می شد و تکنسین ها شکل موج های حاصل را به صورت دستی ترسیم کردند.

اسیلوگرافی کاغذی خودکار

اولین اسیلوگراف‌ خودکار، از یک گالوانومتر برای حرکت دادن خودکار روی یک طومار کاغذی استفاده می کردند. این دستگاه ها به جای ترسیم مستقیم شکل موج، شکل موج های مختلفی را در طول زمان ترکیب می کردند تا یک شکل متوسط ایجاد کنند.

یکی از این دستگاه ها Hospitalier Ondograph بود که از هر 100 موج، یک خازن را شارژ می کرد و انرژی ذخیره شده را از طریق یک گالوانومتر تخلیه می کرد و در نتیجه یک تصویر شکل موج ترکیبی ایجاد می شد.

اسیلوسکوپ لوله اشعه کاتدی (CRT)

در سال 1897، فیزیکدان آلمانی کارل فردیناند براون (Karl Ferdinand Braun)، لوله اشعه کاتدی (CRT) را اختراع کرد و پایه و اساس اولین اسیلوسکوپ را بنا نهاد. چند دهه بعد (1932)، شرکت A. C. Cossor کار براون را گسترش داد.

این دستگاه توسعه یافته مبتنی بر CRT به دانشمندان و مهندسان اجازه می داد تا نوسانات شکل موج ولتاژ یا جریان الکتریکی را مشاهده کنند و رفته رفته، به یک ابزار ضروری برای اندازه گیری فرکانس و سایر ویژگی های موج تبدیل شد.

در سال 1934، رادیو جنرال (که بعداً به GenRad تغییر نام داد)، اولین اسیلوسکوپ تجاری را منتشر کرد (نوع 687-A) که استفاده از آن را فراتر از آزمایشگاه ها نشان داد. چند سال بعد این شرکت مدل 770-A را توسعه داد که هرگز فروخته نشد و چند سال بعد تولید اسیلوسکوپ ها را متوقف کرد.

اولین اسیلوسکوپ دو پرتویی، در سال 1938 توسط A.C.Cossor در انگلستان ساخته شد.در سال 1939، DuMont نوسانگراف مدل DuMont 164 را برای اهداف عمومی معرفی کرد و همین باعث شد که در دهه 1940، بازار اسیلوسکوپ را در دست بگیرد.

اسیلوسکوپ هایی با جریان Sweep

در 1943، آلن دومونت (Allen DuMont) اسیلوسکوپ هایی با جریان Sweep و تریگر را اختراع کرد (مدل 224-A که دارای یک لامپ کاتدی 3 اینچی، یک کانال و پهنای باند 2 مگاهرتز بود).

اسیلوسکوپ های اولیه از یک ژنراتور با شکل موج دندانه اره ای هماهنگ استفاده می کردند که این شکل موج، از طریق شارژ یک خازن با جریان نسبتاً ثابت ساخته می شد و باعث افزایش ولتاژ می گردید.

هنگامی که خازن به سطح انرژی معینی می رسید، تخلیه می گردید و یک اپراتور، جریان شارژ را تنظیم می کرد تا ژنراتور دندان اره مدت کمی طولانی تر، مضربی از سیگنال محور عمودی داشته باشد. به عنوان مثال، برای یک موج سینوسی 1 کیلوهرتز (دوره 1 میلی ثانیه)، اپراتور ممکن بود فرکانس افقی را کمی بیشتر از 5 میلی ثانیه تنظیم کند.

در طول جنگ جهانی دوم، تعداد کمی از اسیلوسکوپ‌ های مورد استفاده برای توسعه رادار (و چند مورد آزمایشگاهی) به اصطلاح دارای sweep‌ های محرک (driven) بودند. مدل های تریگر دارای مداری بود که پالس محرک را از سیگنال ورودی توسعه می داد.

حالت های تریگر، امکان نمایش ثابت یک شکل موج تکراری را فراهم می‌ کند، زیرا تکرارهای متعدد شکل موج دقیقاً روی همان مسیر بر روی صفحه فسفر کشیده می‌ شوند. این قابلیت، کالیبراسیون را حفظ نموده و امکان اندازه‌ گیری فرکانس، فاز، زمان خیز و موارد دیگر را فراهم می‌ کرد، که در غیر این صورت امکان‌ پذیر نیست.

علاوه بر این، قابلیت تریگر، می توانست در فواصل زمانی مختلف رخ دهد، بنابراین دیگر نیازی به دوره ای بودن سیگنال ورودی نبود.

در سال 1946 شرکت Tektronix توسط هوارد وولوم و جک مرداک (Howard Vollum و Jack Murdock) تأسیس شد و یک سال بعد، اسیلوسکوپ مدل 511 را معرفی کردند. هوارد وولوم اولین بار این فناوری را در آلمان مشاهده کرده بود و دستگاه آنها راه اندازی خودکار، خوانش های کالیبره شده و دقت بالایی داشت.

مدل بعدی، مدل 535 بود که در سال 1954 وارد بازار شد و شامل CRT توسعه یافته بود و بیش از 22 سال فروخته شد.

اسیلوسکوپ های دیجیتال مدرن

اسیلوسکوپ های دیجیتال مدرن نتیجه چندین نسل از توسعه است، از جمله پیشرفت در لوله های پرتو کاتدی، اسیلوسکوپ های آنالوگ و الکترونیک دیجیتال. در سال 1971، هیرو موریاسو (Tektronix) اسیلوسکوپ دیجیتال را اختراع کرد.

انواع اسیلوسکوپ

اسیلوسکوپ ها انواع مختلفی دارند که هر کدام برای اهداف متفاوتی مناسب طراحی شده اند که در ادامه برخی از انها را معرفی خواهیم کرد.

انواع آنالوگ

این اسیلوسکوپ ها شکل موج های ولتاژ را به شکل آنالوگ اصلی خود می گیرند و نمایش می دهند و از لوله های پرتو کاتدی (CRTs) برای تجسم سیگنال استفاده می کنند. این انواع امروزه کمتر رایج هستند.

اینها اولین نوع اسیلوسکوپ بودند که محبوب شدند. در ابتدا بسیار بزرگ بودند و حاوی تعداد زیادی لوله خلأ یا دریچه های ترمیونی بودند. با پیشرفت تکنولوژی، انواع ترانزیستوری جدید معرفی شدند که بسیار کوچکتر بودند. با این حال آنها هنوز نیاز به عمق و فضای قابل توجهی برای قرار دادن لوله پرتو کاتدی داشتند.

انواع ذخیره کننده آنها معمولاً برای استفاده تخصصی در نظر گرفته می شدند و دیدن شکل موج برای هر مدت زمان همیشه آسان نبود. برای ذخیره‌سازی طولانی‌ مدت شکل موج، عکس گرفتن از صفحه ضروری بود و دوربین‌ های مخصوصی برای این کار در دسترس بود!

اصلی ترین بخش در این نوع اسیلوسکوپ، شکل خاصی از لوله پرتو کاتدی است که الکترون‌ های پرتو الکترونی را به دام می‌ اندازد و صفحه را قادر می‌ سازد تا با باری روشن شود و بنابراین، شکل موجی که ذخیره می‌ شود، دیده می شود.

هر چه تصویر روی صفحه نمایش روشن تر باشد، مدت زمان کمتری می تواند به وضوح دیده شود. این نوع اسکوپ ها بسیار گران بودند و لوله ها به راحتی می سوختند. همین عوامل باعث شد که انواع دیجیتال به راحتی جایگزین شوند.

با این وجود، از آن جایی که انواع اسیلوسکوپ های دیجیتالی قادر به از دست دادن برخی از سیگنال های گذرا هستند، انواع آنالوگ هنوز برای برنامه های عیب یابی با ارزش هستند.

در حقیقت، کاربرد اصلی اسیلوسکوپ های آنالوگ، در مواجهه با اثرات گذرا می باشد و فسفرهای روی مانیتور CRT پیش از تاریک شدن، برای مدتی می درخشند و به سیگنال های با سرعت بالا، اجازه می دهند تا درخشندگی شدیدتری را ایجاد نمایند.

این انواع محدوده دینامیکی مناسب تر و بهتری نسبت به نوع دیجیتال ارائه می نمایند و به طور کلی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تر از انواع دیجیتال می باشند. به علاوه، برای افراد مبتدی و علاقه مندان گزینه ای مطلوب به شمار می آیند.

انواع دیجیتال (DSOs)

فناوری دیجیتال درها را برای بهبود عملکرد و ارائه مجموعه ای از قابلیت های جدید در این ابزارهای آزمایشگاهی باز کرده است. اسیلوسکوپ‌ های دیجیتال اکنون دارای قابلیت‌های بسیاری هستند که در زمان فناوری آنالوگ حتی تصور نمی‌شد.

شناسایی فرکانس‌ های بالا اکنون به حدی افزایش یافته‌ است که می‌ توان از آن‌ ها برای بسیاری از برنامه‌ های طراحی RF در کنار طراحی مدارهای الکترونیکی عمومی و کاربردهای آزمایشی استفاده کرد.

اسیلوسکوپ دیجیتال، اصطلاحی است که امروزه به طور کلی استفاده می شود و برای توصیف نوع اسکوپی استفاده می شود که از فناوری دیجیتال و فناوری پردازش سیگنال دیجیتال در هسته خود استفاده می کند، اگرچه همیشه مدارهای ورودی آنالوگ نیز دارد.

اسیلوسکوپ های دیجیتال از مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) برای نمونه برداری و تبدیل اندازه گیری های ولتاژ به داده های دیجیتال استفاده می کنند و مزایایی مانند روشنایی، وضوح بالا و پایداری در نمایش شکل موج را ارائه می دهند.

اسکوپ‌ های امروزی، قابلیت های بسیاری از پردازش شکل موج اولیه گرفته تا تریگر پیشرفته هستند و حتی در موارد خاص، برخی از آنها دارای قابلیت سیگنال مختلط و محدوده‌ های طول موجی ویژه ای هستند که قابلیت نمایش طیف شکل موج را نیز فراهم می‌ کنند.

با معماری مدارهای مدرن، استفاده از FPGA های پردازش سریع و موارد مشابه، اسیلوسکوپ های دیجیتال عصر کنونی دارای قابلیت بسیار بیشتری نسبت به دامنه های دیجیتال اولیه در همه انواع هستند.

DSO ها را می توان بیشتر به دو دسته اصلی زیر طبقه بندی کرد:

اسیلوسکوپ های ذخیره سازی دیجیتال (DSOs)

اسیلوسکوپ ذخیره سازی، اصطلاحی بود که پس از معرفی اولین انواع دیجیتال استفاده می‌ شد و نشان می‌ داد که دستگاه دارای حافظه ذخیره‌ سازی شکل موج‌ ها و نمایش آنها برای مدتی طولانی است.

این انواع برای اکثر کاربردهای صنعتی انتخاب ارجحی هستند و به جای CRT از حافظه دیجیتال برای ذخیره داده ها بدون تخریب استفاده می کنند که پردازش سیگنال های پیچیده از طریق مدارهای دیجیتال پرسرعت امکان پذیر است. نمایشگرها نیز معمولاً پنل های LCD هستند.

برخی از زیرسیستم های موجود در DSO شبیه به زیرسیستم های انواع آنالوگ هستند. با این حال، DSO ها حاوی زیرسیستم های پردازش داده اضافی هستند که برای جمع آوری و نمایش داده ها برای کل شکل موج استفاده می شوند.

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، یک DSO ذخیره سازی، از یک معماری پردازش سریال برای گرفتن و نمایش یک سیگنال بر روی صفحه نمایش خود استفاده می کند.

اسیلوسکوپ های فسفر دیجیتال (DPO)

نوع فسفر دیجیتال (DPO) رویکرد جدیدی را برای معماری اسیلوسکوپ ارائه می دهد. به طوری که این معماری آن را قادر می‌سازد تا قابلیت‌ های منحصر به‌ فردی را به دست آورد و نمایش دهد تا سیگنال را با دقت بازسازی کند.

در حالی که یک DSO از یک معماری پردازش سریال برای ضبط، نمایش و تجزیه و تحلیل سیگنال ها استفاده می کند، یک DPO از معماری پردازش موازی برای انجام این عملکردها استفاده می کند.

در این معماری، از سخت‌ افزار منحصر به‌ فرد ASIC، برای به دست آوردن تصاویر شکل موج استفاده می شود که نرخ‌ های ضبط شکل موج بالایی دارد و در نتیجه سطح بالاتری از تجسم سیگنال را به همراه خواهد داشت.

این عملکرد احتمال مشاهده اثرات گذرا را که در سیستم‌ های دیجیتال رخ می‌ دهند، مانند پالس‌ ها، اشکالات و خطاهای انتقال را افزایش می‌دهد و قابلیت تحلیل های دقیق تری را ممکن می‌ سازد.

اسیلوسکوپ دیجیتالی نمونه برداری

اسیلوسکوپ های نمونه برداری معمولاً برای گرفتن سیگنال های فرکانس بسیار بالا استفاده می شوند و از شکل موج ها در فواصل زمانی مشخص نمونه برداری می کنند.

برای اندازه‌ گیری سیگنال‌ های تکراری، این نوع می‌ تواند پهنای باند و زمان‌ بندی با سرعت بالا (تا ده برابر بیشتر از هر اسیلوسکوپ دیگری) داشته باشد.

برخلاف معماری های ذخیره سازی و DPO، معماری نمونه برداری موقعیت تضعیف کننده/تقویت کننده و پل نمونه برداری را معکوس می کند (شکل بعد). بدین صورت که سیگنال ورودی قبل از انجام هر گونه تضعیف یا تقویت، نمونه برداری می شود.

سپس می توان از یک تقویت کننده با پهنای باند کم بعد از پل نمونه برداری استفاده کرد زیرا سیگنال قبلاً توسط گیت نمونه برداری به فرکانس کمتری تبدیل شده است و در نتیجه ابزار پهنای باند بسیار بالاتری ایجاد می شود.

اسیلوسکوپ سیگنال مختلط

یک اسیلوسکوپ سیگنال مختلط (MSO) عملکرد یک DPO را با عملکرد اصلی یک تحلیلگر منطقی 16 کانالی، از جمله رمزگشایی و تریگر کردن پروتکل گذرگاه موازی/سریال ترکیب می کند.

کانال های دیجیتال MSO یک سیگنال دیجیتال را به صورت منطقی بالا یا منطقی پایین مشاهده می کنند، درست مانند مدار دیجیتال که سیگنال را مشاهده می کند. درست مانند یک تحلیلگر منطقی، یک MSO از یک ولتاژ آستانه برای تعیین اینکه سیگنال منطقی بالا یا منطقی پایین است استفاده می کند.

MSO ابزار انتخابی برای اشکال زدایی سریع مدارهای دیجیتال با استفاده از تریگر دیجیتال قدرتمند، قابلیت اکتساب به وضوح بالا در ابزارهای آنالیز است. زیرا علت اصلی بسیاری از مشکلات دیجیتال با آنالیز هر دو نمایش آنالوگ و دیجیتال سیگنال، سریع تر مشخص می شود.

اسیلوسکوپ دامنه مختلط

این شکل از اسیلوسکوپ، ترکیبی از یک اسیلوسکوپ و یک آنالایزر طیفی است و اغلب برای توسعه یا تعمیر سیستم‌ های ارتباطی بی‌ سیم، لازم است که یک تحلیل‌گر دامنه و طیف به هم مرتبط باشند تا تأثیر نواحی دیجیتال یا پیش‌بی‌سیم روی سیگنال RF خروجی قابل مشاهده باشد.

این نوع آنالایزر، به ویژه در یافتن عیب در طرح‌ های RF که مدارهای فرکانس پایین یا دیجیتال را با طرح‌ های مدار الکترونیکی RF ترکیب می‌ کنند، مفید است.

سخن پایانی

اسیلوسکوپ یکی از پرکاربردترین ابزارهای آزمایشی برای هر نوع آزمایش الکترونیکی است، چه برای طراحی RF، طراحی مدارهای الکترونیکی عمومی، تولید الکترونیک، خدمات سرویس و تعمیر.

بر این اساس انواع بسیاری از اسیلوسکوپ ها وجود دارد. فناوری به سمت جلو حرکت کرده است و آنالوگ جای خود را به دیجیتال داده و انواع مختلفی از آنها به بازار عرضه شده است.

امیدواریم که این مقاله برای شما مفید بوده باشد. پیشنهاد می کنیم که از بخش محصولات سایت نیز دیدن کنید. در صورت نیاز می توانید کاتالوگ هر کدام را به صورت رایگان دانلود نمایید.

منابع و مراجع

Tektronix

Wikipedia