اسیلوسکوپ و روش استفاده از آن — راهنمای جامع

از اسیلوسکوپ (Oscilloscope) برای مشاهده شکل موج سیگنال ولتاژ الکتریکی نسبت به زمان استفاده می‌شود؛ کاری که توسط مولتی‌متر قابل اجرا نیست. اسیلوسکوپ‌ها دارای انواع مختلفی هستند که هر کدام از آن‌ها با یکدیگر تفاوت دارند. در این مطلب سعی داریم تا به بررسی اجزای اصلی مشترک در اکثر اسیلوسکوپ‌ها بپردازیم که برای شروع کار بیشترین کاربرد را نیز دارند. همچنین نحوه اندازه‌گیری دامنه و فرکانس سیگنال ولتاژ به وسیله اسیلوسکوپ را نشان می‌دهیم.

شکل زیر نمای کلی یک اسیلوسکوپ را نشان می‌دهد.

معمولا هنگام اندازه‌گیری با اسیلوسکوپ، در صفحه نمایش آن یک خط راست دیده می‌شود، که از یک سمت به سمت دیگر آن کشیده شده است. در واقع این خط، یک گراف از ولتاژ بر حسب زمان است. محور y بیانگر یک ولتاژ آنالوگ یا دیجیتال اندازه‌گیری‌ شده است و محور x زمان را نشان می‌دهد.

اسیلوسکوپ‌ها دارای دو نوع آنالوگ و دیجیتال هستند. در این مطلب نحوه استفاده از اسیلوسکوپ دیجیتال را بررسی خواهیم کرد. کنترل هر دو نوع اساسا یکسان است، اما توجه کنید که ممکن است بعضی از ابزارهای کنترل اسیلوسکوپ دیجیتال در منو (Menu) روی نمایشگر باشند و برای آن‌ها از دستگیره (Knob) یا دکمه استفاده نشده باشد.

آشنایی با ابزارهای کنترل‌ اسیلوسکوپ

سرتاسر نمایشگر اسیلوسکوپ یک صفحه مشبک دیده می‌شود. این شبکه‌ برای زمانی‌ که بخواهید با اسیلوسکوپ اندازه‌گیری انجام دهید، کاربرد زیادی دارد. تمام اسیلوسکوپ‌ها دارای تعدادی دکمه و دستگیره کنترل اصلی به صورت مشترک هستند که روی اسیلوسکوپ قرار دارند.

فیلم آموزش عملی آشنایی با اسیلوسکوپ Oscilloscope و کارکرد آن در فرادرس

کلیک کنید

این ابزارها به صورت زیر هستند:

• vertical position/offset: توسط این ابزار می‌توان شکل موج را به سمت بالا و پایین در راستای محور y جابه‌جا کرد. در تصویر، عدد ۱ دستگیره تنظیم موقعیت عمودی برای کانال اول و عدد ۲ دستگیره تنظیم موقعیت عمودی برای ورودی کانال دوم را نشان می‌دهند.
• volts/div: این دستگیره به ما اجازه می‌دهد که مقیاس ولت نشان داده شده توسط هر قسمت عمودی صفحه مشبک روی نمایشگر را تغییر دهیم. در تصویر، شماره‌های ۳ و ۴ به ترتیب متعلق به تنظیم volts/div کانال اول و دوم هستند.
• horizontal position/offset: توسط این ابزار می‌توان شکل موج را به سمت راست و چپ حرکت داد. عدد ۵ در تصویر نشان‌دهنده موقعیت این دستگیره در اسیلوسکوپ است.
• trigger level: این ابزار که در تصویر با عدد ۶ مشخص شده است، به ما اجازه می‌دهد که شکل موج را روی صفحه نمایشگر ثابت و پایدار کنیم. در قسمت‌های بعد این ابزار را بیشتر شرح خواهیم داد.
• time/div: این دستگیره به ما اجازه می‌دهد که مقیاس زمان نشان داده شده توسط هر قسمت افقی صفحه مشبک روی نمایشگر را تغییر دهیم. در شکل زیر این دستگیره با شماره ۷ مشخص شده است.
• ورودی: هر اسیلوسکوپ حداقل یک ورودی دارد. پراب (Probe) اسیلوسکوپ ( یا کابل کواکسیال) به سیگنال ورودی متصل می‌شود. در تصویر زیر ورودی کانال اول با شماره 8 و ورودی کانال دوم با شماره ۹ مشخص شده است.

شکل زیر ابزارهای مختلف روی اسیلوسکوپ را نشان می‌دهد.

تصویر زیر نیز نحوه اتصال پراب به اسیلوسکوپ را نشان می‌دهد.

تنظیمات اسیلوسکوپ

ابتدا اسیلوسکوپ را روشن کنید. اگر هیچ چیزی به اسیلوسکوپ متصل نباشد، باید یک خط راست روی صفحه نشان داده شود که به این معنی است که ولتاژ ورودی تغییر نمی‌کند. اگر خطی راست مشاهده نمی‌کنید، ابتدا پراب‌ها را از اسیلوسکوپ خارج کنید. اگر هیچ چیزی روی صفحه نمایش داده نشد، مراحل زیر را انجام دهید.

• اسیلوسکوپ استفاده شده در این مطلب، یک اسیلوسکوپ دو کاناله است، یعنی دو ورودی دارد. فشار دادن دکمه «channel 1» که در تصویر زیر نشان داده شده است، باعث می‌شود که ورودی متصل به کانال اول روی صفحه به رنگ زرد نشان داده شود و اگر بار دیگر فشار داده شود، ناپدید می‌شود. فشار دادن دکمه «channel 2» ورودی متصل به کانال دوم را به رنگ آبی نشان خواهد داد. اسیلوسکوپ ممکن است فقط یک ورودی داشته باشد، در این صورت دکمه‌های انتخاب کانال وجود نخواهند داشت. البته ممکن است بیشتر از دو ورودی هم وجود داشته باشد. اسیلوسکوپ‌های آنالوگ کانال‌های مختلف را به رنگ‌های مختلف نشان نخواهند داد و همه را با رنگ سبز نشان می‌دهند.

• ممکن است شما بر روی یک ناحیه سیاه از فضا زوم (Zoom) کرده باشید. در این صورت باید دستگیره «volts/div» را در خلاف جهت عقربه‌های ساعت بچرخانید تا از حالت زوم خارج شود. همچنین دستگیره کنترل موقعیت عمودی (Vertical Position) را بچرخانید تا یک خط راست در مرکز صفحه دیده شود.
• اطمینان حاصل کنید که اسیلوسکوپ در مد «x-y» نباشد.

از دستگیره‌های volts/div و vertical position برای قرار دادن خط افقی خود در مرکز صفحه نمایش استفاده کنید و مقدار volts/div را برای شروع برابر با 1ms قرار دهید.

اتصال اسیلوسکوپ به یک سیگنال نوسانی

در این مرحله، به یک سیگنال پایدار با فرکانس ثابت نیاز دارید. اگر به یک مولد شکل موج (Waveform Generator) دسترسی دارید، می‌توانید از آن استفاده کنید و پالسی با دامنه 2٫5V و فرکانس 500HZ را در خروجی مولد تنظیم کنید. اگر مولد شکل موج در اختیار ندارید، به یکی از روش‌های زیر عمل کنید.

استفاده از آردوینو

اگر به برد آردوینو دسترسی دارید، کافی است که قطعه کد زیر را در آن بارگذاری کنید تا یک شکل موج مربعی با دامنه متغیر بین 0 تا 5 ولت و فرکانس 500 هرتز را روی پین شماره 8 خود تولید کند.

1//sends 500Hz pulse wave out arduino D8
2
3void setup() {
4  //set digital pin 8 as output
5  pinMode(8,OUTPUT);
6}
7
8void loop(){
9  digitalWrite(8,HIGH);//set pin 8 to +5V
10  delay(1);//wait 1ms
11  digitalWrite(8,LOW);//set pin 8 to 0V
12  delay(1);//wait 1ms
13}

استفاده از تایمر 555

می‌توانید از یک تایمر 555 برای تولید پالسی با فرکانس 500 هرتز استفاده کنید.

یک سمت کابل کواکسیال خود را به اسیلوسکوپ متصل کنید. قسمت وسطی کابل (axial) را به سیگنال و سر دیگر را که معمولا یک گیره سوسماری (Alligator Clip) است، به زمین متصل کنید. در شکل زیر نمایی از پراب اسیلوسکوپ را مشاهده می‌کنید.

اسیلوسکوپ را در مد AC coupling تنظیم کنید. در این مد فقط تغییرات AC سیگنال ولتاژ نشان داده می‌شود و مقدار میانگین یا DC آن حذف خواهد شد. اما اگر اسیلوسکوپ در مد DC coupling باشد کل شکل موج ولتاژ به صورت یکجا نشان داده می‌شود. شکل زیر در گوشه بالا سمت راست مد AC coupling برای اسیلوسکوپ را نشان می‌دهد.

تصویر زیر نیز مد DC coupling را نشان می‌دهد.

تنظیم کردن Trigger

بعد از اتصال اسیلوسکوپ به شکل موج تولید شده در قسمت قبل، باید خط راست روی صفحه تبدیل به یک شکل موج دیگر شود. time/div را به نحوی تنظیم کنید که تفکیک بین نوسانات کاملا قابل مشاهده باشد. volts/div و نیز vertical position را نیز به نحوی تنظیم کنید که نوسانات شکل موج در مرزهای صفحه دیده شود و سیگنال برش داده نشود. ممکن است که نمایش شکل موج دشوار باشد و روی صفحه به صورتی ناپایدار دیده شود.

فیلم آموزش اصول اندازه گیری الکتریکی در فرادرس

کلیک کنید

در صورتی که این مشکل وجود داشته باشد، باید دستگیره trigger level را آن‌قدر بچرخانید تا این مشکل حل شود. توجه کنید که اگر اسیلوسکوپ شما دارای دو کانال است، باید تنظیمات trigger روی کانال صحیح مربوطه انجام شده باشد. در اکثر اسیلوسکوپ‌ها این تنظیمات با دکمه تنظیم trigger و کنترل خروجی روی صفحه نمایش انجام می‌شود.

بعد از چرخاندن دستگیره trigger level، یک نشان‌گر (مثلثی کوچک و زرد رنگ در گوشه سمت راست صفحه)، که سطح تریگر را نشان می‌دهد، شروع به حرکت به بالا و پایین صفحه می‌کند.

توجه کنید که زمانی که سطح تریگر به بالاترین ارتفاع سیگنال رسید، سیگنال ناپایدار می‌شود. شکل زیر این حالت را نشان می‌دهد.

سطح تریگر در واقع یک سطح ولتاژ است که اسیلوسکوپ سیگنال ورودی را با آن مقایسه می‌کند و به ما اجازه می‌دهد یک شکل موج تکرار شونده را پایدار کرده و یا ضربه‌های پالسی ولتاژ را روی صفحه ضبط کنیم. تریگر کردن گاهی کار بسیار دشواری است و ممکن است افراد از یک منبع تریگر خارجی و تعیین یک مد تریگر خاص استفاده کنند. اما برای اکثر کاربردها این کار ضرورتی ندارد و فقط تنظیم سطح تریگر روی ولتاژ خاصی در محدوده سیگنال ورودی کافی خواهد بود.

قبل از رفتن به مرحله بعد، مانند شکل زیر سطح تریگر را در مرکز صفحه قرار دهید.

تنظیمات مقیاس (Scale)

ابزارهای volts/div ،time/div و vertical position را به نحوی تنظیم کنید که شکل موج را روی صفحه اسیلوسکوپ مانند تصویر زیر مشاهده کنید.

برای ورودی از آردوینو از پارامترهای زیر استفاده کنید:

• Volts/div = 1V

• time/div = 1ms

• vertical position باید به نحوی باشد که موج حول خط عمودی مرکز صفحه نوسان کند.

از طریق قرار دادن این سه ابزار و نیز horizontal position در موقعیت‌های مختلف، به صورت تجربی با نحوه کار آن‌ها آشنا شوید. تصاویر زیر جزئیات بیشتری را نشان می‌دهند.

شکل زیر افزایش time/div برای تنظیم افقی شکل موج را نشان می‌دهد.

اگر در تنظیم شکل موج برای قرار گرفتن در مرکز صفحه مشکل دارید، پاسخ به سوالات زیر ممکن است به شما کمک کند:

• آیا اسیلوسکوپ در مد AC coupling است؟
• آیا پراب به اسیلوسکوپ متصل است؟
• آیا گیره سوسماری پراب به زمین متصل شده است؟
• آیا مولد شکل موج یا آردوینو یا تایمر 555 به درستی کار می‌کنند؟
• آیا کانال درست انتخاب شده است؟

انجام کارهای زیر می‌توانند به رفع مشکل کمک کند:

• volts/div را به مقدار بیشینه آن تنظیم کنید.
• vertical position را در صفر تنظیم کنید.
• وضعیت (toggle) کانال را تغییر دهید.

اندازه‌گیری دامنه شکل موج

دامنه موج برابر با اختلاف ارتفاع قله (Peak) موج و مقداری است که موج حول آن نوسان می‌کند (Wave's Equilibrium). در این‌جا موج را برای نوسان حول خط مرکزی شبکه روی صفحه نمایش تنظیم کرده‌ایم و همان‌طور که در شکل دیده می‌شود، دامنه موج برابر با 2٫5 واحد عمودی روی شبکه است. چون volts/div روی 1V تنظیم شده است، 2٫5 واحد برابر با 2٫5 ولت خواهد شد. بنابراین دامنه موج نیز برابر با 2٫5 ولت است.

برنامه آردوینو، پین ۸ آردوینو را برای نوسان بین ۰ تا ۵ ولت تنظیم کرده است. بنابراین مقدار به دست آمده در بالا برابر با نصف این مقدار یعنی ۲٫۵ ولت است و مقداری منطقی و درست است.

اندازه‌گیری فرکانس شکل موج

فرکانس یک موج برابر با تعداد دفعات تکرار یک شکل موج در ثانیه است. فرکانس یک موج را در بعضی از اسیلوسکوپ‌ها نمی‌توان مستقیما اندازه گرفت، اما می‌توان یک پارامتر بسیار نزدیک به فرکانس، یعنی دوره تناوب (Period) را اندازه‌گیری کرد. دوره تناوب یک موج برابر با زمانی است که طول می‌کشد تا یک موج یک سیکل کامل را تکمیل کند.

همان طور که در شکل دیده می‌شود، یک سیکل کامل از موج در دو خانه افقی از شبکه روی صفحه تکمیل شده است. در پایین صفحه مقدار time/div بر روی 1ms تنظیم شده است. بنابراین دو خانه از صفحه برابر با 2ms خواهد شد.

چون فرکانس برابر با عکس دوره تناوب است، با توجه به مقدار دوره تناوب به دست آمده، فرکانس سیگنال برابر با 500 هرتز خواهد شد.

AC/DC/Ground Coupling در اسیلوسکوپ

در قسمت‌های قبل به AC coupling اشاره کردیم. در حالت کلی AC coupling برای مشاهده یک سیگنال AC و DC coupling برای مشاهده یک سیگنال DC است. AC coupling قسمت DC سیگنال را از بین می‌برد، در نتیجه سیگنال حول مقدار صفر نوسان خواهد کرد. در بسیاری از اسیلوسکوپ‌ها این یک مزیت محسوب می‌شود، زیرا به کمک آن می‌توان بیشتر بر روی شکل موج زوم کرد و اغتشاشات کوچک AC را نیز اندازه‌گیری کرد. اگر آفست DC سیگنال برای شما اهمیتی نداشته باشد و فقط بخواهید قسمت AC سیگنال را مشاهده کنید، از مد AC coupling استفاده کنید. اما اگر بخواهید هر دو قسمت AC و DC سیگنال را مشاهده کنید یا فقط قسمت DC برای شما اهمیت داشته باشد، از DC coupling استفاده کنید.

فیلم آموزش ساختارهای برنامه نویسی Processing برای طراحی هنرهای الکترونیکی و رسانه ای (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

بعضی از اسیلوسکوپ‌ها ممکن است گزینه Ground Coupling را نیز داشته باشند. اگر اسیلوسکوپ در این مد قرار گیرد، خطی مسطح را خواهید دید که موقعیت صفر ولت را نشان خواهد داد. از ابزار vertical position برای تطابق این مقدار با یکی از خطوط صفحه مشبک استفاده کنید. این خط نشان‌گر ولتاژ زمین خواهد بود. حال می‌توانید دوباره به مد DC برگردید تا فاصله آن از زمین را اندازه بگیرید. در صورت لزوم از volt/div برای تنظیم سیگنال در صفحه استفاده کنید. تغییر وضعیت به مد AC باعث حذف قسمت DC سیگنال می‌شود و شاهد نوسان حول ولتاژ زمین (Ground) خواهید بود.

در تصاویر زیر از هر سه مد اسیلوسکوپ برای اندازه‌گیری یک سیگنال پالسی که بین ۰ و ۵ ولت نوسان می‌کند، استفاده شده است. ابتدا اسیلوسکوپ در مد Ground Coupling قرار داده شده است تا ولتاژ زمین با خط وسط صفحه مشبک منطبق شود.

سپس به مد DC coupling تغییر وضعیت داده شده است. در این حالت ولتاژ بین 0 و 5 ولت نوسان می‌کند. توجه کنید که هر خانه عمودی از صفحه مشبک برابر با 2 ولت است.

در مد AC آفست  2٫5V DC از سیگنال حذف می‌شود و سیگنال با دامنه 2٫5 ولت حول ولتاژ زمین نوسان خواهد کرد.

اندازه‌گیری دو کاناله توسط اسیلوسکوپ

اگر اسیلوسکوپ دارای چند کانال باشد، قادر به مشاهده چند ورودی به صورت هم‌زمان خواهیم بود. این کاربرد برای مشاهده تغییرات سیگنال‌های مختلف در مدار مفید است. در این قسمت یک موج پالسی شکل به یک مدار بافر ساده داده شده است تا سرعت چرخش (Slew Rate) یک اپ امپ (Op Amp) اندازه‌گیری شود. در حالت ایده‌آل، سیگنال ورودی به یک مدار بافر باید کاملا بدون تغییر باقی بماند. سیگنال ورودی به کانال 1 (زرد رنگ) و سیگنال خروجی به کانال 2 (آب رنگ) متصل شده است. همان طور که در شکل دیده می‌شود، سیگنال‌ها بسیار نزدیک به یکدیگر هستند.

در شکل زیر پس از زوم کردن می‌توان دید که سیگنال خروجی به اندازه نصف یک خانه از صفحه مشبک تاخیر دارد. هر خانه برابر با $$25\mu s$$ است بنابراین اندازه تاخیر برابر با $$12\mu s$$ خواهد بود.

برخی دیگر از کاربردهای اندازه‌گیری چند کاناله عبارتند از:

• اندازه‌گیری زمان پاسخ سنسورها (مقایسه سیگنال ورودی به سنسور و سیگنال خروجی از آن)
• اندازه‌گیری تغییرات فاز
• آنالیز تاثیرات یک فیلتر

مد X-Y در اسیلوسکوپ

در مقدمه به این موضوع اشاره شد که منحنی روی اسیلوسکوپ نشان‌دهنده رابطه بین ولتاژ و زمان است. اما گاهی ممکن است لازم باشد که یک ولتاژ بر حسب ولتاژ دیگری ترسیم شود. این کاربرد مخصوصا برای ترسیم منحنی جریان-ولتاژ در دیود یا سایر المان‌ها مفید است. شکل زیر یک نمودار x-y از دو کانال بر حسب یکدیگر را نشان می‌دهد. سیگنال زرد رنگ مربوط به ورودی کانال 1 و سیگنال آبی رنگ مربوط به ورودی کانال دوم است.

شکل زیر، ورودی هر کدام از کانال‌ها را بر حسب زمان نشان می‌دهد.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• آموزش مبانی مهندسی برق ۱
• مجموعه آموزش‌های مهندسی الکترونیک
• آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک به همراه شبیه سازی عملی و کاربردی
• منبع جریان — از صفر تا صد
• برد بورد (Breadboard) چیست؟ — به زبان ساده
• منبع ولتاژ — از صفر تا صد

^^