اسیلوسکوپ چیست Oscilloscope

ژانویه 17, 2025

اسیلوسکوپ

اسیلوسکوپ چیست؟

اسیلوسکوپ (Oscilloscope) یک ابزار آزمایشگاهی پیشرفته است که برای نمایش، اندازه‌گیری و تحلیل شکل موج سیگنال‌های الکترونیکی به کار می‌رود. این دستگاه نموداری از ولتاژ لحظه‌ای سیگنال‌ها را در برابر زمان رسم می‌کند و به کاربران اجازه می‌دهد تا رفتار دقیق سیگنال‌های الکتریکی را مشاهده و بررسی کنند.

عملکرد اسیلوسکوپ

اسیلوسکوپ، سیگنال‌های ورودی را به‌صورت نمودار ولتاژ در برابر زمان نمایش می‌دهد:

محور افقی (X): نمایش زمان به‌صورت پیوسته از چپ به راست.
محور عمودی (Y): نمایش ولتاژ لحظه‌ای سیگنال. مقادیر مثبت به سمت بالا و مقادیر منفی به سمت پایین نشان داده می‌شوند.

انواع سیگنال‌هایی که اسیلوسکوپ نمایش می‌دهد

جریان متناوب (AC): شکل موج‌هایی با تغییرات تناوبی مانند سینوسی یا مربعی.
جریان مستقیم پالسی (DC): ولتاژهای ثابت با تغییرات ناگهانی یا پالس‌ها.
سیگنال‌های با فرکانس بالا: برخی اسیلوسکوپ‌های پیشرفته توانایی نمایش سیگنال‌هایی تا چند صد گیگاهرتز را نیز دارند.

ساختار و اجزای نمایشگر

نمایشگر اسیلوسکوپ دارای تقسیمات استانداردی است که اندازه‌گیری دقیق سیگنال‌ها را ممکن می‌سازد:

تقسیمات افقی: برای اندازه‌گیری زمان (میلی‌ثانیه یا نانوثانیه).
تقسیمات عمودی: برای اندازه‌گیری ولتاژ (ولت یا میلی‌ولت).

انواع اسیلوسکوپ‌ها

اسیلوسکوپ پرتو کاتدی (CRT):

از پرتوهای الکترونی برای رسم شکل موج استفاده می‌کند.
در آزمایشگاه‌های قدیمی هنوز کاربرد دارد.

اسیلوسکوپ دیجیتال مدرن:

از نمایشگرهای LCD یا LED برای شبیه‌سازی موج استفاده می‌کند.
سیگنال‌ها را به صورت الکترونیکی پردازش و تحلیل می‌کند.
قابلیت ذخیره‌سازی و تحلیل داده‌ها با رایانه را دارد.

اسیلوسکوپ کامپیوتری:

از رایانه‌ها برای پردازش و نمایش داده‌ها بهره می‌برد.
امکان استفاده از انواع نمایشگرها (LCD، CRT، پلاسما) را فراهم می‌کند.

تنظیمات قابل تغییر

اسیلوسکوپ‌ها دارای تنظیمات متعددی برای مشاهده و تحلیل دقیق‌تر سیگنال‌ها هستند:

حرکت افقی: تنظیم سرعت نمایش سیگنال در طول زمان.
انحراف عمودی: تغییر مقیاس ولتاژ برای اندازه‌گیری دقیق‌تر.

کاربرد اصلی: اندازه‌گیری اختلاف فاز

یکی از مهم‌ترین قابلیت‌های اسیلوسکوپ، اندازه‌گیری اختلاف فاز بین دو سیگنال است. این کار از دو روش انجام می‌شود:

اندازه‌گیری اختلاف زمانی: بررسی فاصله زمانی بین دو سیگنال مشابه.
منحنی لیساژور (Lissajous Curve): نمایش رابطه بین دو سیگنال متناوب برای تحلیل دقیق فاز.

انواع مختلف اسیلوسکوپ

اسیلوسکوپ آنالوگ

اسیلوسکوپ‌های آنالوگ با استفاده از لامپ پرتو کاتدی (Cathode-Ray Oscilloscope) کار می‌کنند. این دستگاه‌ها معمولاً سنگین هستند و صفحه‌نمایش آن‌ها تک‌رنگ است. عملکرد اصلی این اسیلوسکوپ‌ها نمایش دیداری شکل موج‌ها و ارائه اطلاعاتی درباره پارامترهای آن‌هاست. به‌عنوان نمونه، برای اندازه‌گیری، تعداد خانه‌های شکل موج از پایین‌ترین تا بالاترین نقطه شمارش شده و در مقیاس زمانی ضرب می‌شود.

اسیلوسکوپ دیجیتال

اسیلوسکوپ دیجیتال، یکی از مدل‌های پیشرفته و جدید این دستگاه است که با استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال، سیگنال‌ها را تحلیل و نمایش می‌دهد. این دستگاه‌ها به دلیل وزن کم، صفحه‌نمایش رنگی LCD و امکان محاسبه خودکار شاخصه‌های سیگنال، کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده‌اند. برای مثال، با قابلیت MEASURE می‌توان بدون انجام محاسبات دستی، مقادیری مانند ولتاژ پیک‌به‌پیک (VPP) را مشاهده کرد.

ویژگی‌های برجسته اسیلوسکوپ دیجیتال:

مجهز به حافظه داخلی
امکان اتصال به رایانه
کالیبراسیون خودکار
نمایشگر بزرگ و باکیفیت
طراحی قابل‌حمل و وزن سبک

یکی از نکات مهم در انتخاب اسیلوسکوپ، تعداد کانال‌های آن است. در این زمینه، اسیلوسکوپ‌های دو کاناله و چهار کاناله محبوبیت بیشتری دارند.

اجزای اصلی اسیلوسکوپ دیجیتال

برای درک بهتر ساختار و عملکرد اسیلوسکوپ دیجیتال، لازم است با اجزای تشکیل‌دهنده آن آشنا شوید. این اجزا عبارتند از:

صفحه‌نمایش دیجیتال رنگی: نمایشگر LCD یا LED که برای نمایش سیگنال‌ها و اطلاعات مربوط به آن‌ها به‌کار می‌رود.
صفحه‌کلید رابط کاربر: مجموعه‌ای از دکمه‌ها و کلیدها برای تنظیمات و تعامل با دستگاه.
کارت‌های ارتباطی: برای انتقال داده‌ها و اتصال اسیلوسکوپ به دیگر دستگاه‌ها مانند رایانه.
تقویت‌کننده: برای افزایش سطح سیگنال‌های ضعیف و بهبود کیفیت آن‌ها.
مبدل A/D (آنالوگ به دیجیتال): تبدیل سیگنال‌های آنالوگ به داده‌های دیجیتال برای پردازش و نمایش.
پردازنده: واحد اصلی پردازش اطلاعات و تحلیل سیگنال‌های دیجیتال.
تریگر (Trigger): بخشی برای تشخیص و ثابت‌سازی سیگنال‌ها بر اساس شرایط و مقادیر مشخص‌شده، مانند فرکانس یا ولتاژ.

مزایای اسیلوسکوپ دیجیتال نسبت به آنالوگ

اسیلوسکوپ دیجیتال در مقایسه با مدل‌های آنالوگ دارای ویژگی‌ها و مزایای قابل توجهی است که استفاده از آن را در بسیاری از کاربردها ترجیح می‌دهد. برخی از این مزایا عبارتند از:

صفحه‌نمایش رنگی و LCD: عمر کاری بالاتر نسبت به لامپ‌های پرتو کاتدی و نمایش رنگی سیگنال‌ها.
نمایشگر بزرگتر: صفحه‌نمایش‌های بزرگتر از 6 اینچ برای مشاهده آسان‌تر داده‌ها.
حافظه داخلی و امکانات رکورد: امکان ذخیره و بازیابی سیگنال‌ها برای تحلیل‌های بعدی.
اتصالات مدرن: قابلیت اتصال به رایانه و استفاده از فلش USB برای انتقال داده‌ها.
طراحی فشرده و سبک: حجم و وزن کمتر، که حمل‌ونقل دستگاه را آسان‌تر می‌کند.
پشتیبانی از SCPI: امکان کنترل دستگاه با استفاده از استانداردهای پروتکل SCPI.
امکانات اندازه‌گیری پیشرفته: محاسبه مقادیر مانند ولتاژ پیک‌توپیک (VPP)، فرکانس، ولتاژ RMS و موارد دیگر.
تنظیم خودکار سیگنال: قابلیت AUTO SET برای تنظیم بهینه مقیاس زمان و ولتاژ.
کالیبراسیون خودکار: دقت بیشتر با قابلیت تنظیم خودکار.
نمایش سیگنال‌های فرکانس بالا: توانایی نشان دادن دقیق شکل موج‌های با فرکانس بالا.

کاربردهای مختلف اسیلوسکوپ

اسیلوسکوپ ابزاری است که در اصل برای اندازه‌گیری و تحلیل ولتاژ طراحی شده و توانایی شناسایی و اندازه‌گیری انواع سیگنال‌ها را دارد. مهم‌ترین کاربردهای آن عبارتند از:

اندازه‌گیری جریان: ارزیابی کاهش ولتاژ در مقاومت شنت برای محاسبه جریان.
نمایش FFT: تحلیل فرکانسی سیگنال‌ها از طریق تبدیل فوریه سریع (Fast Fourier Transform).
عیب‌یابی مدارها: شناسایی و رفع نویزها و مشکلات موجود در مدارهای الکترونیکی.
تعمیر تجهیزات: کمک به تعمیر دستگاه‌های صنعتی مانند درایورها و لوازم برقی خانگی.
کاربردهای پژوهشی: استفاده در مراکز علمی و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی.
صنایع الکترونیک و مخابرات: تحلیل و طراحی مدارها و تجهیزات مخابراتی و الکتریکی.
بررسی شکل موج‌ها: تشخیص و تحلیل انواع شکل موج مانند مربعی، مثلثی، سینوسی، و دندانه‌اره‌ای.
کاهش اختلاف فاز: تنظیم و کاهش اختلاف فاز میان دو سیگنال مختلف.

تعمیر اسیلوسکوپ آنالوگ گودویل GW INSTEK

نحوه تست اسیلوسکوپ

برای تست عملکرد اسیلوسکوپ، روش‌های مختلفی وجود دارد که ساده‌ترین آن استفاده از سیگنال تست داخلی است. همه اسیلوسکوپ‌ها دارای فلزی کوچک هستند که سیگنال تست تولید می‌کند. این سیگنال معمولاً یک شکل موج مربعی با دامنه واحد و فرکانس معین است. برای بررسی سلامت دستگاه، مراحل زیر را دنبال کنید:

اتصال پراب به سیگنال تست داخلی:
پس از اتصال پراب اسیلوسکوپ به فلز تولیدکننده سیگنال تست، اگر سیگنال به‌درستی روی صفحه‌نمایش نمایش داده شود، دستگاه سالم است.

- اگر شکل موج مربع به‌درستی نمایش داده شود، دستگاه در وضعیت سالم قرار دارد.
- در صورت عدم نمایش شکل موج، دستگاه به احتمال زیاد دچار مشکل است.

استفاده از ژنراتور سیگنال برای تست دقیق‌تر:
برای تست دقیق‌تر، می‌توانید از یک ژنراتور سیگنال خارجی استفاده کنید. این ژنراتور می‌تواند سیگنال‌هایی مانند موج سینوسی، مربعی یا مثلثی تولید کند که به ورودی اسیلوسکوپ متصل می‌شود.

- پس از اتصال سیگنال تولیدشده به اسیلوسکوپ، بررسی کنید که دستگاه آن را به‌درستی نمایش دهد.
  توجه: این روش ممکن است از دقت کمتری برخوردار باشد و برای تست دقیق‌تر بهتر است از سیگنال تست داخلی استفاده کنید.

اجزای تنظیمات اسیلوسکوپ

پیچ تنظیم مقیاس: این پیچ برای تنظیم مقیاس زمانی یا ولتاژی سیگنال‌ها به‌کار می‌رود.
پیچ تغییر مکان در شکل موج: این پیچ برای جابه‌جایی شکل موج در محورهای افقی و عمودی استفاده می‌شود.
تنظیمات شکل موج: به شما این امکان را می‌دهد تا ویژگی‌های مختلف شکل موج مانند فرکانس، دامنه و شکل آن را تنظیم کنید.
اندازه‌گیری و سنجش کمیت‌ها: دستگاه اسیلوسکوپ امکان اندازه‌گیری کمیت‌های مختلف مانند ولتاژ پیک‌توپیک، فرکانس و ولتاژ RMS را دارد.
برگرداندن به تنظیمات اصلی: با استفاده از این گزینه می‌توانید تنظیمات دستگاه را به حالت اولیه و پیش‌فرض بازگردانید.

پیچ تنظیم‌کننده مقیاس

این پیچ به‌طور کلی برای تنظیم مقیاس‌های زمانی و ولتاژی در اسیلوسکوپ به‌کار می‌رود و به دو بخش تقسیم می‌شود:

پیچ SEC/DIV:
این پیچ برای تغییر مقیاس زمان استفاده می‌شود. با چرخاندن آن، واحد زمان نمایش داده‌شده از سیگنال تغییر می‌کند. به این صورت که با افزایش زمان (بزرگ‌تر شدن مقیاس زمان)، شما بازه وسیع‌تری از سیگنال را مشاهده خواهید کرد و تغییرات بیشتری را در دستگاه خواهید دید.
پیچ VOLT/DIV:
این پیچ برای تغییر مقیاس ولتاژ سیگنال کاربرد دارد. به این معنی که با تنظیم این پیچ، اندازه ولتاژی که هر خانه عمودی نشان می‌دهد تغییر می‌کند.

پیچ تغییر مکان در شکل موج

سیگنال‌های متناوب (AC) دارای دو بخش هستند: یک مقدار ثابت DC و مقدار متغیر AC. با استفاده از پیچ POSITION می‌توانید مقدار DC را تغییر داده و شکل موج را به بالا یا پایین جابه‌جا کنید. این کار باعث می‌شود که شکل موج در صفحه‌نمایش بهتر و واضح‌تر نشان داده شود.

تنظیمات شکل موج

برای تنظیم دقیق سیگنال و مشخص کردن مقدار DC و AC، اسیلوسکوپ گزینه‌ای به‌نام GND دارد که در بخش تنظیم کانال یا به‌صورت دکمه‌ای جداگانه قرار دارد. با انتخاب این گزینه:

خط 0 سیگنال (موج) با خط 0 دستگاه (که در وسط صفحه قرار دارد) هماهنگ می‌شود.
پس از تنظیم، می‌توانید اندازه‌گیری‌ها و تحلیل‌های دقیق‌تری انجام دهید.

اندازه‌گیری و سنجش کمیت‌ها با دستگاه اسیلوسکوپ

در دستگاه‌های دیجیتال پیشرفته، بخشی برای اندازه‌گیری سیگنال وجود دارد که معمولاً با دکمه Measure فعال می‌شود. این دستگاه‌ها قادرند پارامترهای مختلفی از سیگنال مانند:

فرکانس
دامنه
دوره تناوب
و سایر ویژگی‌ها را اندازه‌گیری و نمایش دهند.

برگرداندن به تنظیمات اصلی

بیشتر دستگاه‌های اسیلوسکوپ دیجیتال دارای دکمه Auto Set هستند. این دکمه به شما این امکان را می‌دهد که:

اگر تنظیمات دستگاه را تغییر داده باشید، با فشردن این دکمه، دستگاه شکل موج را در بهترین حالت ممکن نمایش دهد.
یا تمامی تنظیمات به حالت پیش‌فرض بازگردد.

توجه: گاهی ممکن است به دلیل نویز در سیم‌ها یا اتصالات، این عملکرد به‌درستی عمل نکند.

ارتباط اسیلوسکوپ با درایو

ارزیابی خروجی درایو

از کاربرد مهم اسیلوسکوپ در اینورتر بررسی شکل موج خروجی آن است. خروجی اینورتر عمدتا به شکل سینوسی، شبه سینوسی، مربعی است. این دستگاه کمک می‌کند کیفیت و دقت خروجی درایو بررسی شود.

بررسی سوئیچینگ

اینورتر از کلید قدرت چون IGBT و MSFET برای تولید سیگنال AC استفاده می‌کند. اسیلوسکوپ می‌تواند عملکرد کلیدها، زمان سوئیچینگ، ولتاژ یا جریان آن را سنجش کند.

عیب یابی و تعمیرات درایو

در صورتی‌که اینورتر دچار خرابی و اشکال شود و کارکرد نامنظم و همراه با نویز داشته باشد. دستگاه اسیلوسکوپ می‌تواند به مهندسان جهت شناسایی ایرادات و تعمیر درایو کمک نماید.

بررسی هماهنگی فرکانس

در کاربردهایی که نیازمند هماهنگی فرکانسی دقیق است، اسیلوسکوپ می‌تواند فرکانس خروجی درایو را با دستگاه‌های دیگر مطابقت دهد.

درجه حفاظت IP یا Ingress Protection Rating به اختصار IP Rating، به میزان مقاومت دستگاه‌ها در برابر نفوذ عوامل خارجی همچون آب و گرد و غبار اشاره دارد. این درجه‌بندی نشان‌دهنده سطح حفاظت محصولات الکترونیکی در برابر نفوذ مواد خارجی است. استانداردهای متنوعی برای تعیین این درجه وجود دارد که مهم‌ترین آن‌ها استاندارد IEC 60529 از کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) است. درجه حفاظت IP معیاری برای نشان دادن میزان مقاومت محصولات الکترونیکی در برابر عوامل محیطی می‌باشد.

در طراحی دستگاه‌های الکترونیکی، درجه حفاظت IP از اهمیت زیادی برخوردار است. این درجه حفاظت می‌تواند به دلایل مختلفی اهمیت داشته باشد از جمله:

محافظت از اجزای الکترونیکی دستگاه در برابر عوامل محیطی مانند رطوبت و گرد و غبار.
افزایش طول عمر دستگاه در شرایط محیطی مختلف.
ارتقاء ایمنی دستگاه و جلوگیری از خطرات ناشی از نفوذ مواد خارجی.
حفظ عملکرد دستگاه در شرایط محیطی دشوار.
ایجاد اطمینان برای مشتریان درباره کیفیت و دوام محصولات.
رعایت استانداردهای صنعتی خاص برای برخی صنایع.

درجه‌بندی حفاظت IP برای مشخص کردن میزان مقاومت محصولات الکترونیکی در برابر نفوذ عواملی مانند آب و گرد و غبار به کار می‌رود. استانداردهای مختلفی برای این درجه‌بندی وجود دارد که شامل IEC، EN، NEMA و UL هستند. از میان این استانداردها، استاندارد IEC 60529 که توسط کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک تدوین شده، پرکاربردترین استاندارد در سطح جهانی است. در استاندارد IEC، درجه حفاظت IP به صورت دو عدد نشان داده می‌شود.

عدد اول نشان‌دهنده مقاومت دستگاه در برابر جامدات و عدد دوم، نشان‌دهنده مقاومت در برابر مایعات است. هرچه این اعداد بالاتر باشند، میزان حفاظت دستگاه بیشتر است. این درجه‌بندی از دو عدد تشکیل شده است که هرکدام میزان مقاومت دستگاه در برابر ورود گرد و غبار و آب به داخل آن را نشان می‌دهند.

در این سیستم، عدد اول میزان مقاومت دستگاه در برابر ورود آب به داخل آن را مشخص می‌کند و عدد دوم میزان مقاومت در برابر ورود گرد و غبار را نشان می‌دهد. هر عدد در این سیستم می‌تواند در محدوده 0 تا 6 قرار گیرد که هر چه این عدد بزرگ‌تر باشد، دستگاه در برابر ورود آب یا گرد و غبار مقاوم‌تر است.

برای مثال، کد IP68 به معنای مقاومت دستگاه در برابر ورود آب تا عمق بیشتر از 1 متر و همچنین مقاومت کامل در برابر ورود گرد و غبار به داخل دستگاه است.

درجه‌های مقاومت در برابر جامدات (گرد و غبار) با عدد اول مشخص می‌شود. این عدد از 0 تا 6 متغیر است که 0 به معنای عدم وجود محافظت و 6 بالاترین سطح محافظت در برابر گرد و غبار است.

عدد دوم در درجه حفاظت IP نشان‌دهنده میزان مقاومت دستگاه‌ها در برابر نفوذ مایعات، مانند آب، است. این عدد می‌تواند از 0 تا 8 تغییر کند که 0 به معنای عدم وجود حفاظت و 8 نشان‌دهنده بالاترین سطح محافظت در برابر نفوذ مایعات است.