آشنایی با دستگاه اسیلوسکوپ

تست قطعات الکترونیکی یکی از ضروری‌ترین مباحث در تعمیرات بردهای الکترونیکی می‌باشد. در این مقاله قصد داریم تا با دستگاه اسیلوسکوپ، پروب، عملکرد مهمترین اجزای اسیلوسکوپ، اندازه گیری ولتاژ، اندازه گیری فرکانس و دوره تناوب و اندازه گیری اختلاف فاز به وسیله اسیلوسکوپ آشنا شویم.

اسیلوسکوپ (Oscilloscope)

اسیلوسکوپ (Oscilloscope) یک دستگاه اندازه گیری است که از آن برای مشاهده شکل موج ها و اندازه گیری ولتاژ، زمان تناوب، اختلاف فاز و همچنین مشاهده منحنی مشخصه ولت-آمپر عناصر نیمه هادی مانند دیود و ترانزیستور استفاده می شود. اسیلوسکوپ یک ولت متر دقیق است ولی توانایی اندازه گیری جریان را به طور مستقیم ندارد و برای اندازه گیری جریان باید از روش های غیر مستقیم مانند قانون اهم استفاده کرد. یکی از مزایای اسیلوسکوپ این است که برخلاف مولتی مترهای معمولی، در فرکانس های بالا نیز به خوبی کار می کند.
اندازه گیری و مشاهده شکل موج‌ها در اسیلوسکوپ از ولتاژ با فرکانس صفر (DC) شروع و به فرکانس مشخصی ختم می گردد که معمولا اسیلوسکوپ را با این فرکانس مشخص می کنند. اسیلوسکوپ‌ها در نوع آنالوگ و دیجیتال ساخته می شوند که ما در اینجا به بررسی نوع آنالوگ آن می پردازیم.
اسیلوسکوپ‌ها ممکن است یک کاناله و یا چند کاناله باشند. اسیلوسکوپ‌های یک کاناله در هر لحظه فقط می‌توانند يك سيگنال را روي صفحه نمايش خود نمايش دهند؛ اما اسيلوسكوپ‌هاي چند كاناله، هم‌زمان مي توانند چند سيگنال را روي صفحه نمايش خود، نمايش دهند. براي انتقال سيگنال هاي الكتريكي به اسيلوسكوپ، از پروب استفاده مي شود كه در ادامه به بررسي آن مي‌پردازيم. در شکل 1 چند نمونه از اسیلوسکوپ نشان داده شده است.

شکل 1: نمونه هایی از چند اسیلوسکوپ

پروب (Probe)

براي انتقال سيگنال هاي الكتريكي به اسيلوسكوپ، از پروب استفاده مي شود. نمونه هايي از پروب در شکل 2 نمايش داده شده است. سيم رابط پروب معمولا از جنس كابل كواكسيال مي باشد تا ميزان نويز به حداقل برسد. نوك پروب به صورت گيره اي فنري است كه مي توان آن را به يك نقطه از مدار وصل كرد. اگر پوشش پلاستيكي نوك پروب را برداريم، نوك آن به صورت سوزني مي شود كه در بعضي مواقع از آن استفاده مي گردد. انتهاي فلزي سيم رابط كه به ورودي اسيلوسكوپ وصل مي شود، فيش BNC نام دارد. فيش BNC داراي يك شيار مورب است كه وقتي آن را به ورودي اسيلوسكوپ وصل مي كنيم و 90 درجه در جهت عقربه هاي ساعت مي چرخانيم اين قطعه كاملا به اسيلوسكوپ متصل مي شود. همچني روي پروب كليدي با دو حالت 1× و 10× وجود دارد که در حالت 1× ، سیگنال بدون هیچ گونه تضعیفی از طریق پروب به اسیلوسکوپ اعمال می گردد و در حالت ×10 ، ابتدا سیگنال در داخل پروب 10 برابر تضعیف شده و سپس به اسیلوسکوپ اعمال می گردد. باید توجه داشت که اگر از حالت 10× پروب، برای اندازه گیری استفاده شود مقادیر قرائت شده دامنه را باید در عدد 10 ضرب نمود تا مقدار واقعی دامنه سیگنال به دست آید. موارد کاربرد 10× برای سیگنال های با دامنه زیاد می باشد.

شکل 2: تصویری از چند نمونه پروب

عملکرد مهم ترین اجزای اسیلوسکوپ

به دلیل اینکه طرز کار همه اسیلوسکوپ ها شبیه یکدیگر است و کلیدها و ولوم های آنها تقریبا یکی است ما برای آموزش بهتر مطلب، از یک اسیلوسکوپ Instek مدل GOS-620 در امر آموزش استفاده می کنیم که تصویر این اسیلوسکوپ در شکل 3 قابل مشاهده است.

شکل 3: قسمت های مختلف اسیلوسکوپ

کلید روشن و خاموش کردن اسیلوسکوپ: در هر اسیلوسکوپ کلیدی برای روشن و خاموش کردن اسیلوسکوپ وجود دارد که آن را با کلمه POWER و یا ON/OFF نمایش می دهند. در نزدیکی این کلید، معمولا یک LED جهت نمایش روشن و یا خاموش بودن اسیلوسکوپ وجود دارد. در شکل قبل این کلید در زیر و سمت راست صفحه نمایش قابل مشاهده است.
صفحه نمایش اسیلوسکوپ: اسیلوسکوپ‌ها دارای یک صفحه نمایش هستند که این صفحه نمایش در راستای افقی به 10 قسمت و در راستای عمودی به 8 قسمت تقسیم می شود که برای دقت بیشتر در اندازه گیری، در راستاهای افقی و عمودی، خطوط وسط دارای تقسیمات ریزتری نیز می باشند به طوری که هر خانه به 5 قسمت تقسیم شده و هر قسمت معادل 0.2 خانه است.
ولوم Focus: کلمه Focus به معنای کانونی و یاتمرکز است و این ولوم ضخامت موج رسم شده بر روی صفحه اسیلوسکوپ را کم و زیاد می کند. این ولوم باید در حالتی قرار داده شود که خطوط شکل موج، حداقل ضخامت را داشته باشند.
ولوم Intensity: این ولم شدت نور سیگنال نمایش داده شده را کم و زیاد می کند. این ولوم باید در حالتی قرار گیرد که شدت نور برای رویت سیگنال کافی باشد. این ولوم ممکن است به اختصار با Inten نمایش داده شود.
پین تنظیمات یا کالیبراسیون: این قسمت برای برای تست و تنظیم سلکتورهای Volt/Div و Time/Div و نیز برای بررسی سالم و یا معیوب بودن پروب مورد استفاده قرار می گیرد. اسیلوسکوپ یک سیگنال مرجع با دامنه و فرکانس معین برای تست و تنظیم خود ایجاد می کند و به این پین انتقال می دهد. اگر سیگنال مزبور به ورودی اسیلوسکوپ داده شود، می توان شکل موج آن را مشاهده کرد. در عین حال چون دامنه و فرکانس سیگنال مزبور معین است، می توان صحت تنظیمات سلکتورهای Volt/Div و Time/Div را تحقیق کرد. همچنین اگر در اثر تماس نوک پروب با این پین، سیگنال موجود بر روی پین، در صفحه نمایش اسیلوسکوپ ظاهر شود و زمانی که گیره زمین پروب را هم‌زمان با نوک پروب به این پین متصل می کنیم یک خط افقی و یا به عبارتی ولتاژ صفر، روی صفحه اسیلوسکوپ ظاهر شود، پروب سالم است.
کلید Time/Div: این کلید دارای ضرایبی بر حسب ثانیه، میلی ثانیه و میکروثانیه است و برای فشرده و باز کردن شکل موج در راستای افقی و اندازه گیری زمان تناوب توسط اسیلوسکوپ استفاده می شود.
ولوم (SWP.Var) Time Variable : این ولوم برای فشرده و باز کردن شکل موج در راستای افقی استفاده می شود. برای اندازه گیری زمان تناوب توسط اسیلوسکوپ باید حتما این ولوم تا آخر در جهت حرکت عقربه های ساعت چرخانده شده و روی علامت Cal قرار گیرد. اگر این ولوم از حالت Cal خارج شود ضرایب Time/Div دیگر معتبر نبوده و نمی توان زمان تناوب را محاسبه نمود. از این ولوم زمانی استفاده می شود که صحت ضرایب Time/Div اهمیتی نداشته باشد مثل زمانیکه می خواهیم اختلاف فاز دو موج هم فرکانس را محاسبه کنیم.
کلید بزرگنمایی در راستای افقی: توسط این کلید می توان مقیاس افقی را به میزان 10 برابر بزرگ نمود. به این ترتیب که در حالت عادی مقیاس افقی همان است که سلکتور Time/Div نشان می دهد اما در حالت انتخاب این کلید، شکل موج در جهت افقی 10 برابر باز می شود و این معادل این است که عدد نشان داده شده توسط سلکتور Time/Div به 10 تقسیم شده باشد. مورد استفاده کلید بزرگنمایی افقی در مورد نمایش امواج با فرکانس زیاد است این کلید با MAG به همراه ×10 نمایش داده می شود.
ولوم تغییر مکان افقی (Horizontal Position): این ولوم شکل موج را در جهت افقی جابه‌جا می کن. این ولوم ممکن است به اختصار با Hor.Pos و یا با علامت ►◄ نشان داده شود.
ترمینال ورودی CH1: محل اتصال سیگنال ورودی کانال یک و ورودی افقی در حالت X-Y می باشد.
کلید Volt/Div: این کلید نیز همانند کلید Time/Div دارای ضرایبی است که این ضرایب بر حسب ولت و میلی ولت می باشند و هر ضریب بیان کننده این است که هر خانه در راستای عمودی چند ولت می باشد. این کلید برای اندازه گیری دامنه ولتاژ به کار می رود. با تغییر این کلید، شکل موج در راستای عمودی باز و جمع می شود.
ولوم Volt Variable: این ولوم شکل موج را در راستای عمودی فشرده و باز می کند؛ اما اگر این ولوم از حالت Cal خارج شود دیگر مقادیر Volt/Div معتبر نبوده و نمی توان اندازه ولتاژ را محاسبه نمود؛ بنابراین این ولوم هنگام اندازه گیری ولتاژ باید روی علامت Cal باشد.
ولوم Vertical Position: این ولوم شکل موج را در راستای عمودی جابه‌جا می کند و ممکن است به اختصار با Ver.Pos و یا با استفاده از علامت های ▼و▲ نمایش داده شود.
کلید CHOP-ALT: اگر فرکانس سیگنال های ورودی بیشتر از 1 KHz باشد با استفاده از حالت ALT می توانیم دو شکل موج را به طور همزمان در صفحه نمایش اسیلوسکوپ مشاهده کنیم؛ اما اگر فرکانس سیگنال های ورودی کم باشد مشاهده دو شکل موج به طور همزمان در حالت انتخاب ALT امکان پذیر نخواهد بود؛ زیرا در این صورت وقتی اسیلوسکوپ سیگنال کانال 1 را نمایش می دهد سیگنال کانال 2 از دید محو می شود و وقتی اسیلوسکوپ سیگنال کانال 2 را نمایش می دهد؛ سیگنال کانال 1 از دید محو می شود و بنابراین دو موج به صورت چشمک زن روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ ظاهر می شوند. برای نمایش سیگنال های با فرکانس کم از حالت CHOP استفاده می کنیم.
کلید ADD-DUAL-CH2-CH1: اگر این کلید در حالت CH1 باشد فقط سیگنال اعمال شده به کانال 1 روی صفحه نمایش داده می شود و اگر این کلید در حالت CH2 باشد فقط سیگنال اعمال شده به کانال 2 روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ نمایش داده می شود. در صورتی که DUAL را انتخاب کنیم شکل موج های هر دو کانال هم زمان روس صفحه نمایش اسیلوسکوپ نمایش داده می شوند و در صورت انتخاب ADD حاصل جمع لحظه ای دو شکل موج روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ نمایش داده می شود.
اتصال زمین دستگاه: استفاده از اتصال زمین باعث جلوگیری از خطرات احتمالی و کارایی بهتر دستگاه می شود.
کلید CH2 INV: زمانی این کلید انتخاب می شود شکل موج کانال 2 به اندازه 180 درجه اختلاف فاز پیدا می کند.
کلید AC-GND-DC: اگر این کلید در حالت AC باشد یک خازن در مسیر ورودی اسیلوسکوپ قرار می گیرد که سبب حذف مولفه DC شکل موج می گردد؛ یعنی در این حالت فقط سیگنال های AC روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ، نمایش داده می شوند و سیگنال های DC حذف می شوند؛ اما اگر این کلید در حالت DC باشد هرچه در ورودی باشد بدون تغییر در صفحه نمایش اسیلوسکوپ، نمایش داده می شود؛ یعنی در این حالت مولفه های AC و DC روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ، نمایش داده می شوند و در صورتی که این کلید در حالت GND باشد ورودی اسیلوسکوپ به صفحات انحراف عمودی که در ادامه در رابطه با آن ها صحبت می کنیم منتقل نخواهد شد بلکه این صفحات به اختلاف پتانسل صفر ولت متصل می شوند. در این حالت روی صفحه اسیلوسکوپ یک خط افقی دیده می شود که از آن برای تعیین خط مبنای عمودی و یا ولتاژ صفر استفاده می شود.
ترمینال ورودی CH2: محل اتصال سیگنال ورودی کانال 2 در وضعیت عادی و ورودی عمودی در حالت X-Y می باشد.
کلید Source Trigger: این کلید ممکن است دارای حالت های زیر باشد:
- CH1: در این حالت عمل تریگر توسط سیگنال اعمال شده به کانال 1 انجام می شود.
- CH2: در این حالت عمل تریگر توسط سیگنال اعمال شده به کانال 2 انجام می شود.
- Line: در این حالت عمل تریگر با فرکانس برق شهر انجام می شود.
- Ext: در این حالت باید موجی را که می خواهیم توسط آن عمل تریگر انجام شود از خارج اسیلوسکوپ و توسط ترمینال مخصوص آن به اسیلوسکوپ اعمال کنیم.
- Auto: اگر این کلید در حالت Auto باشد حتی اگر به ورودی اسیلوسکوپ سیگنالی اعمال نشود مدار داخلی اسیلوسکوپ یک موج دندان اره ای به صفحات انحرافی افقی اعمال می کند و بنابراین خطی افقی بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ ظاهر می شود که نشان دهنده آماده به کار بودن اسیلوسکوپ است.
- Normal: اما در صورتی که این کلید در حالت Normal باشد عمل تریگر فقط به کمک موج ورودی انجام می شود و لذا در صورتی که وروی نداشته باشیم هیچ گونه خطی و یا موجی بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ ظاهر نخواهد شد. این کلید در حالت عادی باید بر روی Auto باشد.
- TV-H: در این حالت یک فیلتر پایین گذر مولفه های فرکانس بالای موج ورودی را حذف نموده و سپس عمل تریگر انجام می شود. این کلید در حالتی استفاده می شود که یک موج مزاحم بر روی موج اصلی ، مانع عمل تریگر شود. در این حالت عمل تریگر توسط سیگنال های افقی تلویریون انجام می شود.
- TV-V: در این حالت عمل تریگر توسط سیگنال های عمودی تلویزیون انجام می شود.
  کلید More Trigger: این کلید ممکن است دارای حالت های زیر باشد:
کلید Slope: این کلید مشخص کننده این است که اولین نیم سیکل موج نشان داده شده مثبت و یا منفی می باشد. در حالت عادی باید علامت مثبت (+) انتخاب شود. در واقع علامت (+) به معنای شیب مثبت و علامت منفی (-) به معنای شیب منفی در نقطه شروع شکل موج می باشد.
ولوم Level: این ولم نقطه شروع موج نشان داده شده بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ را معین می کند. همچنین اگر موج نمایش داده شده بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ، در جهت افقی حرکت کند و ثابت نباشد باید به کمک این ولوم شکل موج را ثابت نگه داشت.
کلید X-Y: اگر این کلید فعال شود هر یک از سیگنال های ورودی به یکی از صفحات انحراف افقی یا عمودی اعمال می شود؛ بنابراین در حالت انتخاب کلید X-Y، سیگنال ورودی کانال 1 به صفحات افقی و سیگنال ورودی کانال 2 به صفحات انحراف عمودی اعمال می شود. این کلید برای مشاهده منحنی مشخصه ولت – آمپر عناصر نیمه هادی و نیز مشاهده اشکال لیساژور کاربرد دارد.
پیچ بالانس DC: به دلیل استفاده از اسیلوسکوپ در مناطق و حرارت های متفاوت می بایست سلکتورهای Volt/Div هر یک از دو کانال، از نظر DC بالانس شوند. با تنظیم این پیچ ها باید حالتی را انتخاب نمود که در آن حالت با تغییر سلکتور Volt/Div، خط افقی هیچ تغییر مکانی در جهت عمودی نداشته باشد. این پیچ ها معمولا با DC-Bal مشخص می شوند.

اندازه گیری ولتاژ

توسط اسیلوسکوپ می توان ولتاژهای AC و DC را با دقت زیاد اندازه گیری کرد. برای این منظور ابتدا ولوم Volt Variable را تا انتها در جهت عقربه های ساعت می چرخانیم و آن را در حالت Cal قرار می دهیم. سپس با قرار دادن کلید AC-GND-DC روی حالت GND اشعه را ترجیحا در وسط نمایش اسیلوسکوپ و یا در هر نقطه دلخواه دیگری از صفحه نمایش تنظیم می کنیم و سپس کلید فوق را در حالت DC قرار می دهیم تا سیگنال اعمال شده به اسیلوسکوپ بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ ظاهر شود. حال در صورتی که سیگنال ورودی، یک سیگنال AC باشد برای بدست آوردن ولتاز پیک آن، تعداد خانه های اشغال شده بین محل تنظیم اشعه در حالت GND و پیک سیگنال AC را شمرده و در ضریب Volt/Div ضرب می کنیم. در صورت سینوسی بودن شکل موج، برای به دست آوردن ولتاژ موثر آن، مقدار ولتاژ پیک به دست آمده را بر √2 تقسیم می کنیم. به عنوان مثال در شکل بعد یک سیگنال سینوسی بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ نمایش داده شده است. اگر ضریب Volt/Div برابر با 0.5 ولت باشد فاصله قله سیگنال سینوسی نمایش داده شده در شکل تا محور xها برابر است با فاصله دره این سیگنال سینوسی تا محور xها؛ بنابراین محور xها را به عنوان ولتاژ صفر در نظر می گیریم. یعنی در این مثال مقدار ولتاژ پیک سیگنال سینوسی برابر است با:

برای بدست آودن ولتاژ موثر (Vrms) سیگنال سینوسی فقط کافی است مقدار ولتاژ پیک سیگنال سینوسی را بر √2 تقسیم کنیم.
در این مثال مقدار ولتاژ موثر سیگنال سینوسی برابر است با:

حال اگر ولتاژ مورد اندازه گیری یک ولتاژ DC باشد تعداد خانه های اشغال شده بین محل تنظیم اشعه در حالت GND و ولتاژ DC را شمرده و در ضریب Volt/Div ضرب می کنیم تا مقدار ولتاژ DC به دست آید.
ولتاژ پیک تو پیک (peak to peak) اختلاف ولتاژ کمترین و بیشترین مقدار در شکل موج است. (در مثال بالا 6×0.5=3V(p-p))

اندازه گیری فرکانس و دوره تناوب

برای اندازه گیری زمان تناوب یک موج متناوب باید ابتدا ولوم Time Variable را در حالت Cal قرار داده و سپس تعداد خانه های در بر گرفته شده توسط یک موج متناوب را در ضریب Time/Div ضرب نمود. به عنوان مثال با فرض اینکه ضریب Time/Div برابر با 0.5 میلی ثانیه و ولوم Time Variable در حالت Cal باشد و تعداد خانه های در بر گرفته شده توسط یک سیکل برابر با 8 خانه می باشد. بنابراین زمان تناوب برابر است با:

اگر بخواهیم فرکانس یک سیگنال متناوب را به دست آوریم تنها کافی است عدد یک را بر زمان تناوب آن سیگنال تقسیم کنیم. به عنوان مثال فرکانس موج سینوسی شکل قبل برابر است با:

اندازه گیری اختلاف فاز

با توجه به اینکه اسیلوسکوپ های دو کاناله می توانند هم زمان دو شکل موج را نمایش دهند امکان اندازه گیری اختلاف فاز بین دو موج متناوب هم فرکانس توسط این نوع اسیلوسکوپ ها امکان پذیر است. برای این منظور دو روش وجود دارد.

روش اول: در این روش ابتدا 360 درجه را بر تعداد خانه های در بر گرفته شده توسط یک سیکل تقسیم می کنیم تا مقدار اختلاف فاز به ازای هر خانه مشخص شود. سپس تعداد خانه های قرار گرفته بین دو شکل موج در راستای افقی را در مقدار اختلاف فاز به ازای هر خانه ضرب می کنیم تا اختلاف بین دو شکل موج به دست آید. اختلاف فاز را با Φ نمایش می دهند.

بنابراین این دو شکل موج با یکدیگر 90 درجه اختلاف فاز دارند.

روش دوم: در این روش برای اندازه گیری اختلاف فاز بین دو شکل موج از اشکال لیساژور استفاده می شود. برای این منظور اسیلوسکوپ را در حالت X-Y قرار داده دو ورودی را به کانال های X و Y (کانال های 1 و 2) اعمال کرده تا بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ ظاهر شوند.

در تصویر های 1، 3 و5 شکل بالا (از چپ به راست) مقدار اختلاف فاز مشخص است اما در تصویر 2 و 4 برای بدست آوردن اختلاف فاز بین دو موج به روشی که در شکل های بعدی آورده شده عمل می کنیم.