اسیلوسکوپ چیست و انواع آن کدام است؟

اسیلوسکوپ دستگاهی آزمایشگاهی است که شکل موج ولتاژ را برحسب زمان نمایش می‌دهد. این دستگاه بعد از مولتی متر، برای افرادی که با مدارهای الکترونیکی کار می‌کنند، پرکاربردترین ابزار است. این مقاله اولین مقاله از سری مقالات ما در در مورد اسیلوسکوپ است. در انتها می‌توانید ترتیب پیشنهادی ما برای خواندن این مقالات را به منظور آشنایی کامل با این ابزار ببینید و در صورت تمایل طبق آن پیش بروید.

اما ما در این مقاله، در مورد کارایی این ابزار و انواع آن صحبت خواهیم کرد. در آخر نیز مشخصات این ابزار را بررسی خواهیم کرد. این مشخصات، راهنمایی برای خرید اسیلوسکوپ خواهد بود.

کاربرد اسیلوسکوپ چیست؟

یک مولتی متر به شما توانایی اندازه‌گیری مواردی مانند ولتاژ، جریان، مقاومت و ظرفیت خازنی را می‌دهد. اگر به یادگیری این ابزار علاقه دارید، می‌توانید مقاله معرفی مولتی متر دیجیتال و آموزش کار با آن را مطالعه کنید.

اما یک اسیلوسکوپ به شما این امکان را می‌دهد تا اطلاعاتی را در مورد ولتاژ و نحوه تغییر آن در طول زمان ثبت کنید.

به‌عنوان مثال تصویر زیر را در نظر بگیرید. مولتی متر (سمت چپ) به پایه‌های خازن وصل شده تا ولتاژ اندازه‌گیری شود. اسیلوسکوپ هم متصل شده است تا همین ولتاژ را اندازه‌گیری کند. وقتی دکمه سبز رنگ را فشار دهیم تا خازن شارژ شود، مولتی متر ولتاژ لحظه‌ای خازن را به ما نشان می‌دهد و از آنجایی‌که خازن نسبتاً سریع شارژ می‌شود (حداقل از نظر سرعت چشم انسان)ص مولتی متر یک جهش سریع از نزدیک صفر ولت به ورودی 5 ولت (که ولتاژ تغذیه است) نشان می‌دهد. اگر در این آزمایش فقط مولتی‌متر را در اختیار داشته باشیم، به نظر می‌رسد انتقال از 0 ولت به 5 ولت فوراً اتفاق افتاده است. در حالی‌که هنگام اندازه‌گیری همان کمیت (ولتاژ پایه‌های خازن) با اسیلوسکوپ، این آزمایش درس متفاوتی به ما می‌دهد. از آنجایی‌که این ابزار اندازه‌گیری، ولتاژ خازن را در طول زمان اندازه‌گیری و ثبت می‌کند، قادر به ترسیم نمودار تغییرات ولتاژ خازن نسبت به زمان می‌باشد.

نمودار ترسیم شده در صفحه نمایش اسیلوسکوپ را می‌توانید در عکس زیر مشاهده کنید. این نمودار به وضوح نشان می‌دهد که ولتاژ در هنگام دشارژ بودن خازن، نزدیک به صفر است. به علاوه نشان می‌دهد که دقیقاً چه زمانی دکمه سبز فشار داده شده و بلافاصله پس از آن چه اتفاقی افتاده است. نشان می‌دهد که چگونه ولتاژ افزایش یافته است و در طول زمان به ولتاژ منبع نزدیک‌تر می‌شود.

پس از اینکه این شکل موج را گرفته‌ایم، می‌توانیم اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی از جمله زمان صعود (rise time) و موارد دیگر را انجام دهیم. این همان قابلیت شگفت‌انگیز این ابزار است که به ما کمک می‌کند تا الکترونیک را بهتر درک کنیم، زیرا با استفاده از آن می‌توانیم مبانی و اصول کار قطعات الکترونیک را به‌صورت عملی ببینیم، نه از طریق تصاویری که تنها “قبل” و “بعد” تغییرات را نشان می‌دهند.

این قابلیت، شبیه تفاوت بین عکاسی ثابت و فیلمبرداری است. هر کدام هدف خود را دارند، اما فیلمبرداری به شما این امکان را می‌دهد که داستان را طوری تعریف کنید که عکاسی نمی‌تواند!

یک اسیلوسکوپ اطلاعات زیادی در مورد یک سیگنال ذخیره می‌کند. به عنوان مثال، نمونه‌ای که ما در اختیار داریم از نظر امکانات و قیمت در رنج متوسط رو به ​​پایین است و می‌تواند 2 میلیون نمونه را ذخیره کند و تا 2 میلیارد نمونه در ثانیه بگیرد. این عدد برای هر کانال است.

داده‌های زیادی وجود دارد که اسیلوسکوپ و کاربر می‌توانند برای تجزیه و تحلیل سیگنال از آن‌ها استفاده کنند. اکثر نمونه‌های مدرن می‌توانند اندازه‌گیری‌های خودکار و رمزگشایی اطلاعاتی را که در یک سیگنال کدگذاری شده‌اند، انجام دهند. در ادامه این بخش و در طی آزمایشات بیشتر در مورد هر دو قابلیت صحبت خواهیم کرد.

اندازه‌گیری و رمزگشایی با اسیلوسکوپ

اندازه‌گیری و رمزگشایی احتمالا دو دلیلی هستند که شما قصد استفاده از اسیلوسکوپ را دارید و هر دو به توانایی این ابزار برای ثبت اطلاعات بیشتر در مورد سیگنال و نحوه تغییرات آن در طول زمان بستگی دارد.

در عکس بالا، همان سیگنالی را می‌بینید که هنگام شارژ شدن خازن مدار مورد آزمایش گرفته است. از اسیلوسکوپ خواسته‌ایم که اندازه‌گیری زمان صعود، حداکثر و حداقل ولتاژ و ولتاژ پیک تا پیک را به ما بدهد و این کار انجام شده است. اندازه‌گیری‌ها در بخش جزییات بیشتر در زیر نمودار ظاهر می‌شوند. وقتی می‌گوییم «خواستیم»، منظور  این است که چند دکمه را فشار دادیم تا این اندازه‌ها ظاهر شوند. به‌دست آوردن جزییات سیگنال به مرور زمان و با کار بیشتر با این ابزار راحت‌تر می‌شود و پس از مدتی قادر خواهید بود به‌راحتی این پارامترها را استخراج کنید. به نظرتان شگفت انگیز است!؟

بیایید تمام چیزهایی را که تا اینجا یاد گرفتید، جمع‌بندی کنیم:

ما از اسیلوسکوپ برای اندازه‌گیری ولتاژ یک سیگنال در طول زمان استفاده می‌کنیم و سپس از داده‌های مربوط به سیگنال برای تجزیه و تحلیل آن و به‌دست آوردن پارامترهای مورد نیاز استفاده می‌کنیم. ما می‌توانیم بسیاری از ویژگی‌های سیگنال را اندازه‌گیری کرده و همچنین اطلاعاتی را که ممکن است در سیگنال رمزگذاری شده باشد، استخراج کنیم. این قابلیت “رمزگشایی” نامیده می شود.

برای مطالعه بیشتر در مورد عمکلرد اندازه گیری و رمزگشایی می‌توانید مقاله آموزش کار با اسیلوسکوپ را مطالعه کنید.

جای تعجب نیست که اسیلوسکوپ‌ها انواع مختلفی دارند. راه‌های زیادی برای ایجاد دسته‌بندی از هرچیز وجود دارد، اما برای اینکه فهم آن‌ها را برای شما ساده کنیم، در اینجا بر اساس فناوری و طراحی سخت‌افزار، آن‌ها را تقسیم‌بندی کرده‌ایم. طراحی سخت‌افزار، اکثر جنبه‌های دیگر نحوه عملکرد اسیلوسکوپ را تحت تاثیر قرار می‌دهد، به همین، تقسیم‌بندی بر این اساس، معقول به‌نظر می‌رسد.

انواع اسیلوسکوپ

انواع اسیلوسکوپ را در اینجا بررسی خواهیم کرد.

آنالوگ

اولین نمونه‌های این ابزار، آنالوگ بودند. دیجیتالی نبودن آن‌ها به این معنا است که تنها می‌توانستند به‌صورت ابتدایی آنالیز سیگنال را انجام دهند. اکثر اندازه‌گیری‌ها به‌صورت دستی و با استفاده از مکان‌نماها و تقسیم‌بندی‌های نمایشگر انجام می‌شد. امروزه از آن‌ها برای اهداف عملی، کمتر استفاده می‌شود.

دیجیتال

اکثر نمونه‌های امروزی این ابزار اندازه‌گیری دیجیتال هستند و به شکل‌های مختلفی ساخته می‌شوند. در عکس بالا یک اسیلوسکوپ رومیزی را می‌بینید. این یک ابزار کامل است. صفحه نمایشی با اندازه مناسب و مجموعه ای کامل از دکمه ها دارد. به‌علاوه، دارای یک ریزپردازنده قدرتمند، حافظه و پردازنده سیگنال است. داشتن این ویژگی‌ها در کنار، کار با این نمونه را سریع و لذت بخش می‌کند.

USB

در تصویر بالا، می‌توانید اسیلوسکوپ دیجیتال مدرن دیگری را ببینید. این نمونه، رابط کاربری ندارد و تنها تعدادی کانکتور در اختیار ما قرار می‌دهد. این یک اسکوپِ رایانه شخصی یا USB است و به کامپیوتر نیاز دارد. این نمونه، از رایانه برای نمایش و ارتباط با کاربر استفاده می‌کند. نمونه‌‌های ارزان‌تر آن نیز، از رایانه برای اکثر یا تمامی پردازش‌ها استفاده می‌کنند. وظیفه اصلی این نوع اسیلوسکوپ این است که داده‌ها را از یک منبع گرفته و سپس، برای نمایش و تجزیه و تحلیل به رایانه ارسال کنند. مزیت بزرگ این نمونه نسبت به انواع دیگر قیمت و اندازه آن است.

قابل حمل

علاوه بر موارد ذکر شده، اسیلوسکوپ‌های دیگری نیز وجود دارند که مانند اسیلوسکوپ USB اندازه کوچکی دارند، اما به رایانه نیاز ندارند. آنچه در تصویر بالا مشاهده می‌کنید نمونه‌ای از یک اسیلوسکوپ قابل حمل است. این نمونه، یک صفحه نمایش کوچک برای نشان دادن شکل موج‌ها دارد و می‌تواند اندازه‌گیری‌ها و حتی رمزگشایی را انجام دهد، همچنین دارای چند دکمه سخت افزاری است تا بتواند کارآمدتر باشد. معمولاً از این ابزار به عنوان مکمل ابزارهای رومیزی استفاده می‌شود.

مشخصات اسيلوسکوپ – راهنمای خرید

در اینجا مشخصات این ابزار اندازه‌گیری را بررسی کرده‌ایم. این مشخصات، از جمله مهم‌ترین مشخصات این ابزار هستند و می‌توانند به عنوان یک راهنمای خرید اسیلوسکوپ در نظر گرفته شوند.

این مشخصات فنی را می‌­توان در قالب جدول در چندین صفحه جای داد. مانند زمانی‌که به دنبال یک ماشین یا یک کامپیوتر جدید هستید، ابتدا باید روی آنچه مهم است تمرکز کنید، زیرا جزئیات اهميت کمتری دارند. در مورد اسیلوسکوپ هم اوضاع به همین شکال است. هدف شما از یافتن این ابزار این است که متناسب با بودجه شما باشد و به شما این امکان را بدهد تا آنچه را که می­‌خواهید، اندازه‌گیری کنید.

پهنای باند

احتمالاً مهم‌ترین مشخصه­­‌ی یک اسیلوسکوپ پهنای باند آن است. پهنای باند این ابزار اندازه‌گیری، حداکثر فرکانس سیگنالی را که می­‌تواند ثبت و تحلیل کند، تعيين می­‌نماید.

هرچه فرکانس سیگنال به حداکثر فرکانسی که اسیلوسکوپ می­‌تواند با آن کار کند، نزدیک­‌تر باشد، دقت آن کاهش می‌یابد.

برای اینکه بفهمید نمونه‌ای که در اختیار دارید، چه پهنای باندی باید داشته باشد، از قانون 5 استفاده کنید. طبق این قانون:

“بیشترین فرکانس سیگنالی را که می­‌خواهید اندازه‌گیری کنید، مشخص و آن را در 5 ضرب نمایید.”

مقدار به دست آمده پهنای باند این ابزار خواهد بود.

به عنوان مثال، اگر می­‌خواهید با حداکثر سرعت کلاک 20 مگاهرتز کار کنید، به یک اسیلوسکوپ با سرعت 100 مگاهرتز نیاز خواهید داشت.

توجه داشته باشید که این سرعت کلاک داخلی آردوینو است. چنانچه می­‌خواهید با سیگنال‌های PWM آردوینو کار کنید، باید بدانید که فرکانس آن‌ها تنها 490 هرتز است. اگر هم می‌خواهید با ارتباطات I2C بین یک آردوینو و یک سنسور کار کنید، معمولاً با 100 کیلوهرتز کار خواهید کرد. بنابراین، همان‌طور که می‌بینید، حتی در پهنای باند 20 مگاهرتز یا 50 مگاهرتز هم، اسیلوسکوپ شما کاملاً می‌تواند با بیشتر سیگنال‌هایی که احتمالاً با آن‌ها روبرو می‌شوید، کار کند.

نرخ نمونه برداری

مشخصه مهم بعدی اسيلوسکوپ، نرخ نمونه برداری آن است. نرخ نمونه برداری، تعداد نمونه‌­هایی است که اسیلوسکوپ در هر ثانیه، قادر به ثبت آن‌ها است. بدیهی است که هر چه تعداد نمونه­‌ها بیشتر باشد، بهتر است. اما نرخ نمونه‌ برداری بالاتر به حافظه­‌ی بیشتر و سریع‌تری برای ذخیره‌سازی، تجهیزات الکترونیکی و پردازنده­‌ی سریع‌تری برای ثبت و پردازش نیاز دارد که باعث افزایش قیمت تجهيز می‌شود.

همان‌گونه که باید در مورد پهنای باند و سایر مسائل فنی تصمیم‌گیری کنیم، باید ابزاری را نیز انتخاب کنیم که نرخ نمونه برداری آن به اندازه کافی برای اهدافمان مناسب باشد.

یک قانون سرانگشتی این است که بیشترین فرکانسی را که احتمالاً در کار با اسیلوسکوپ با آن مواجه می‌شوید، در 2.5 ضرب کنید.

به عنوان مثال، اگر می‌خواهید با یک سیگنال I2C با فرکانس 100 کیلوهرتز کار کنید، با ضرب این فرکانس در 2.5 نرخ نمونه برداری 250000 نمونه در ثانیه را به شما می‌دهد. اين روزها اکثر نمونه‌های دیجیتال به‌راحتی می‌توانند از عهده­‌ی این کار برآیند.

اندازه/عمق حافظه

اندازه­‌ی حافظه، به نرخ نمونه برداری وابسته است. همان‌گونه که اسيلوسکوپ از سيگنال مدار تحت آزمايش نمونه می‌گيرد، اطلاعات شکل موج آن را در حافظه­‌ی خود ذخيره می­‌کند.

سازندگان، اندازه حافظه محصولات خود را با استفاده از عبارت “عمق حافظه” گزارش می­‌دهند و به جای استفاده از واحد بایت معمولی، از واحد “نقاط” استفاده می­‌کنند.

اسیلوسکوپی که عمق حافظه­‌ی آن 54 میلیون نقطه در ثانیه است، می‌تواند در مجموع 54 میلیون نمونه را در حافظه‌­­ی خود ثبت کند. عمق حافظه بین کانال­‌های ورودی تقسیم می­شود. بنابراین، اگر نمونه‌ای که در اختیار دارید، دارای 54 میلیون نقطه عمق حافظه­ باشد و در حال ثبت بر روی دو کانال هستید، عمق حافظه‌­ی هر کانال 28=54/2 میلیون نقطه خواهد بود.

عمق حافظه و نرخ نمونه به یک‌دیگرند وابسته‌اند. زیرا با افزایش نرخ نمونه‌برداری، اسیلوسکوپ به حافظه­‌ی بزرگ‌تری نیاز دارد تا بتواند رویدادهایی را که در یک واحد زمان رخ می‌دهند، ثبت کند.

فرض کنید می­‌خواهید یک شکل موج را که در کمتر از 1 ثانيه تغيير مي­‌کند، ثبت کنید. اگر نرخ نمونه برداری شما 1000 نمونه در ثانیه باشد، برای ذخیره همه‌­ی نمونه‌­ها به حافظه‌­ای با عمق 1000 نقطه نیاز دارید. اما اگر اسکوپ شما دو برابر سریع­‌تر است و می‌­تواند 2000 نمونه در ثانیه را نمونه برداری کند، به منظور انجام یک ثبت کامل برای رویداد 1 ثانیه‌­ای، به عمق حافظه­‌ی 2000 نمونه نیاز خواهید داشت.

به دلیل رابطه نزدیک بین نرخ نمونه برداری و عمق حافظه، نمونه‌های مدرن این ابزار به‌طور خودکار نرخ نمونه برداری را متناسب با مقیاس زمانی که انتخاب کرده‌­اید، مدیریت می‌کنند، به‌طوری که حافظه‌­ی موجود همواره پر می­‌شود.

زمان صعود یک اسیلوسکوپ، توانایی ابزار برای تشخیص و ثبت سیگنال‌های در حال صعود و سقوط سریع را توصیف می‌کند. این امر زمانی‌که با امواج مربعی که لبه‌­های بسیار تیزی دارند، کار می­‌کنیم، بسيار مهم است. یک موج مربعی می‌تواند در مدت چند نانوثانیه از 0 ولت تا 5 ولت افزایش یابد.

برای اینکه این ابزار بتواند شکل موج چنین سیگنالی را به‌طور دقیق نمایش دهد، باید بتواند چنین تغییرات سریعی را تشخیص دهد. به عنوان مثال، نمونه‌ای که ما داریم، دارای زمان صعود 5 نانوثانیه است، به این معنا که سریع­‌ترین زمان صعودی که می­‌تواند تشخیص دهد، 5 نانو ثانیه خواهد بود.

کانال­‌ها

اسیلوسکوپ­‌ها معمولاً 2 یا 4 کانال را ارائه می­‌دهند. هر کانال دارای یک کانکتور مجزا است که می‌­توانید به آن یک پراب وصل کنید و از طریق این پراب سیگنال را مشاهده کنید.

نمونه‌ی 2 کانال، به شما این امکان را می­‌دهد تا هم‌زمان با دو سیگنال کار کنید و داده‌­هایی را که در حداکثر دو سیم جریان دارند (مانند سريال UART و I2C) رمزگشایی کنید.

نمونه‌ی 4 کانال، به شما این امکان را می­‌دهد که حداکثر با چهار سیگنال به‌طور هم‌زمان کار کنید و داده­‌هایی را که در حداکثر چهار سیم جریان دارند، مانند SPI یا یک باس موازی 4 بیتی، رمزگشایی کنید.

کانال­‌های بيشتر می‌تواند به این معنا باشد که به عمق حافظه­‌ی بيشتر و بالطبع به هزينه‌­ی بيشتری نیاز است.

تريگر

تريگر یک اسیلوسکوپ برای عملکرد آن ضروری است. تريگر مکانیزمی است که از طریق آن این ابزار اندازه‌گیری می­‌تواند یک ویژگی خاص از سیگنال ورودی را تشخیص دهد. براساس این ویژگی، اسیلوسکوپ می­‌تواند به همگام‌سازی دست یابد.

زمانی‌که نمایش گرافیکی سیگنال روی صفحه­ نمایش، واضح و پایدار باشد، اسیلوسکوپ در همگام­‌سازی است.

یک نمونه‌ی دیجیتال این ابزار، حداقل باید بتواند یک لبه، شیب مثبت (upslope) یا شیب منفی (downslope) را تشخیص دهد. اما در بسیاری از موارد، اسیلوسکوپ­‌ها می­‌توانند انواع مختلفی از ویژگی‌­های یک سیگنال را تشخیص دهند.

به عنوان مثال، نمونه‌ای که ما در اختیار داریم، می‌تواند لبه‌ها، پالس‌ها و پالس­‌های باریک (runts) را در میان بسیاری دیگر تشخیص دهد که همه آن‌ها با مشخصات بسیار دقیق قابل تنظیم هستند.

در آخر باید گفت که قبل از هر آزمایش، زمان زیادی را صرف پیکربندی تريگر خواهید کرد.

---

امیدواریم در این مطلب، با این ابزار مفید و بسیار کاربردی به‌خوبی آشنا شده باشید و بتوانید از همین حالا کار با آن را شروع کنید. برای اینکه بتوانید به‌راحتی با این ابزار کار کنید، بهتر است به تکرار و تمرین بپردازید. اگر سوالی هم در مورد این ابزار داشتید، حتما در بخش دیدگاه برای ما بنویسید.

ترتیب پیشنهادی ما برای مطالعه سری مقالات اسیلوسکوپ: